KHẢO NGHIỆM THIẾT BỊ NUÔI TẢO QUANG HỢP SINH HỌC TUẦN HOÀN, NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TINH CHẾ DẦU TẢO VÀ ỨNG DỤNG

Tảo Chlorella SP phát triển khá tốt trên thiết bị quang hợp sinh học tuần hoàn, mật độ đỉnh khoảng 8 trtb/ml sau 10 ngày nuôi, đạt khối lượng tảo khô 0,2927mg/ml.. 21 2.2.8.3 Kết quả thí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHẢO NGHIỆM THIẾT BỊ NUÔI TẢO QUANG HỢP SINH HỌC TUẦN HOÀN, NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TINH

CHẾ DẦU TẢO VÀ ỨNG DỤNG

Họ và tên sinh viên: Thái Thanh Hải Bùi Hữu Tài Ngành: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Niên khóa: 2006 – 2010

Tháng 09/2010

i

KHẢO NGHIỆM THIẾT BỊ NUÔI TẢO QUANG HỢP SINH HỌC TUẦN

HOÀN, NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TINH CHẾ DẦU TẢO

VÀ ỨNG DỤNG

Sinh viên thực hiện

Thái Thanh Hải Bùi Hữu Tài

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu

cấp bằng Kỹ sư nghành Công Nghệ Hóa Học

Giáo viên hướng dẫn:

PGS, TS Trương Vĩnh

Tháng 09 năm 2010

Chúng tôi chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Bộ Môn Công Nghệ Hóa Học trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu Trong quá trình làm thí nghiệm tại phòng I4 và I7, chúng tôi đã nhận được sự quan tâm và giúp đỡ cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi của của các thầy cô để khóa luận được hoàn thành tốt đẹp Ngoài ra, chúng tôi cũng xin gởi lời cảm ơn chân thành đến tất cả các bạn sinh viên lớp DH06HH, các bạn đã nhiệt tình giúp đỡ chúng tôi trong suốt 4 năm học và thời gian làm luận văn tốt nghiệp Nhờ những sự giúp đỡ của các bạn mà chúng tôi có thêm động lực trong quá trình học tập, vượt qua khó khăn để hoàn thành khóa luận

Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng do những hạn chế về kỹ thuật, kinh nghiệm, thời gian … luận văn của chúng tôi chắc không tránh khỏi thiếu sót Chúng tôi mong nhận được những góp ý từ thầy cô và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn

TP Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2009

Sinh viên Thái Thanh Hải – Bùi Hữu Tài

iii

TÓM TẮT

Sinh viên thực hiện: Thái Thanh Hải – Bùi Hữu Tài, đề tài được báo cáo vào

tháng 09/2010 “Khảo nghiệm thiết bị nuôi tảo quang hợp sinh học tuần hoàn, nghiên cứu quá trình tinh chế dầu tảo và ứng dụng”

Giáo viên hướng dẫn: PGS, TS Trương Vĩnh

Đề tài được thực hiện từ tháng 02/2010 đến tháng 08/2010, tại phòng thí nghiệm I4 và phòng I7 Bộ Môn Công Nghệ Hóa Học, Trường Đại Học Nông Lâm Thành phố

Hồ Chí Minh

Tảo giống Chlorella SP sử dụng để bố trí thí nghiệm được cung cấp từ nguồn tảo

giống có sẵn tại Bộ Môn Công Nghệ Hóa Học, Trường Đại Học Nông Lâm Thành phố

Hồ Chí Minh

Nội dung đề tài bao gồm:

1 Chế tạo thiết bị quang hợp sinh học tuần hoàn

2 Quá trình nuôi thí nghiệm tảo từ bình 500ml đến thiết bị quang hợp sinh học tuần hoàn 170 lít

3 Nghiên cứu ảnh hưởng xử lý Fe lên sinh khối và hàm lượng dầu của tảo

4 Nghiên cứu chiết tách dầu và nghiên cứu tinh chế dầu từ tảo

5 Nghiên cứu phản ứng transester tạo Biodiesel

Tảo Chlorella SP phát triển khá tốt trên thiết bị quang hợp sinh học tuần hoàn, mật độ đỉnh khoảng 8 trtb/ml sau 10 ngày nuôi, đạt khối lượng tảo khô 0,2927mg/ml Tảo nuôi trên thiết bị bằng môi trường đạm thấp cải tiến kết hợp cung cấp CO2 Tảo nuôi nước ngọt trên thiết bị bị nhiễm vi sinh vật đã được khắc phục bằng cách bổ sung lượng muối nồng độ 2%

Việc xử lí Fe được nghiên cứu bằng phương pháp bề mặt đáp ứng Tuy số liệu chưa cho tương quan hàm số, nhưng kết quả cao nhất là 30,5mg dầu thô/lít dịch tảo (7% dầu thô/khối lượng tảo khô) ứng với tỉ lệ Fe ban đầu 1,4142mg Fe khi đã bổ sung 1,0489mgFe/lít sau 5 ngày Kết quả hàm lượng dầu cao gấp 3 lần so với đối chứng (nuôi bằng đạm thấp cải tiến không xử lí Fe) là 10mg dầu thô/lít dịch tảo Điều này chứng tỏ xử lí Fe rất có lợi cho sinh khối và hàm lượng dầu của tảo

iv

Dầu tảo được trích li bằng phương pháp soxhlet từ tảo khô và dung môi n – hexan Dầu thô được tinh chế bằng phương pháp sắc kí cột dùng silicagel và đất sét bentonite Lượng tạp chất chủ yếu là Chlorophyll và dẫn xuất giảm đi rất nhiều sau khi tinh chế Cụ thể phổ UV sau sắc kí cột giảm đi 86 lần so với trước

Dầu tinh chế chiếm khoảng 50% so với cao thô Dầu sau tinh chế được đem đi phân tích thành phần cho thấy chiếm trên 50% acid béo bão hòa, rất thuận lợi cho phản ứng Biodiesel và bảo quản

Dầu đã tinh chế được tổng hợp thành Biodiesel bằng phương pháp transester, tại

600C trong thời gian 1h với xúc tác KOH Biodiesel tạo thành chứa trên 97% ester, đạt tiêu chuẩn Biodiesel EN14103 (96,5%)

methyl-v

SUMMARY

The thesis entitled “Testing of tubular circulation photobioreactor and study

on algae oil refining and its application” was carried out by Thai Thanh Hai – Bui

Huu Tai and completed in September 2010

Supervisor: Associate Prof Dr Truong Vinh

Our project was practiced from February to August 2010, at laboratory I4 and I7

of Chemical Engineering Department – Nong Lam University Ho Chi Minh City

The algae used was Chlorella sp provided by Chemical Engineering Department

– Nong Lam University Ho Chi Minh City

Contents of the project:

1 Manufacturing of tubular circulation photobioreactor

2 Conducting experiments on algae growing from 500ml bottles to 170l tubular circulation photobioreactor

3 To research on the influence of iron treatment on biomass and lipid

content of algae Chlorella sp

4 To research on algae oil extract methods and algae oil refining

5 Reasearch on transesterification reaction to produce biodiesel

Algae Chlorella sp grew up well in tubular circulating photobioreactor, with

highest density of 8x106 cells/ml after 10 days growing, and dry weight of 0,2927 mg/ml Algae grew in tubular circulation photobioreactor in modified low nitrogen medium supplemented with CO2 Microorganism infection in tubular circulation photobioreactor has been removed by adding salt of 2% concentration

The influence of iron treatment on biomass and lipid content was studied by Response Surface Methodology Even though the experimental data didn’t fit the polynomial equation, but the highest crude oil rate obtained was 30,5mg/l of medium (7% crude oil/ algae dry weight) corresponding to a treatment of initial Fe3+ amount of 1.4141mg/l and Fe3+ additional amount of 1,0489 mg/l after 5 days The oil content of this treatment was approximately 3 times higher than that of the control sample of only 10mg/l

vi

Algae oil extracted from dried algae by soxhlet method using n – hexane solvent Crude algae oil was refined by column chromatography method using silicagel and bentonite Contamination, mainly Chlorophyll and its derivatives, greatly reduced after refinement The UV spectrum of refined oil reduced 86 times in comparation with crude oil

Refined oil accounted about 50% crude oil Refine oil analysis shown that over 50% of refined oil was saturated fatty acid, which is very suitabled for Biodiesel production

Biodiesel was synthesized by transesterification, with reaction 1 hour at 600C under KOH catalyst Biodiesel made from refine oil contained 97% methyl-ester, satisfied Biodiesel EN14103 standard (96.5%)

vii

MỤC LỤC

Trang

TRANG TỰA i

LỜI CẢM TẠ ii

TÓM TẮT iii

SUMMARY v

MỤC LỤC vii

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT xi

DANH SÁCH CÁC HÌNH xii

DANH SÁCH CÁC BẢNG xiv

Chương 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích của đề tài 2

1.3 Nội dung 2

1.4 Yêu cầu 2

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

2.1 Tổng quan về tảo lục Chlorella 3

2.1.1 Lịch sử nghiên cứu về tảo lục Chlorella 3

2.1.1.1 Phân loại 3

2.1.1.2 Hình thái và các đặc điểm sinh học về ngành tảo lục 3

2.1.1.3 Các hình thức sinh sản ở tảo lục 4

2.1.1.4 Thành phần hóa học 5

2.1.2 Tăng trưởng 7

2.1.2.1 Pha lag (pha chậm hoặc cảm ứng) 7

2.1.2.2 Pha log (pha sinh trưởng theo hàm số mũ) 8

2.1.2.3 Pha giảm tốc độ sinh trưởng (pha ngừng tăng trưởng tương đối) 8

2.1.2.4 Pha ổn định 8

2.1.2.5 Pha suy tàn 8

2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của tảo 9

viii

2.1.3.1 Yếu tố hóa học 9

2.1.3.2 Các yếu tố vật lí 11

2.1.3.3 Các yếu tố sinh học 13

2.1.4 Các phương pháp nuôi tảo 14

2.1.4.1 Nuôi từng mẻ 15

2.1.4.2 Nuôi liên tục 16

2.1.4.3 Nuôi bán liên tục 16

2.1.5 Định lượng sinh khối tảo 17

2.1.6 Tách sinh khối tảo 18

2.1.6.1 Phương pháp ly tâm 18

2.1.6.2 Phương pháp lọc 18

2.1.6.3 Phương pháp tạo bông 19

2.1.7 Sấy sinh khối tảo 19

2.1.8 Một vài kết quả nuôi tảo ở Bộ Môn Công Nghệ Hóa Học 21

2.1.8.1 Kết quả nuôi tảo Chlorella SP trên môi trường đạm thấp [1] 21

2.1.8.2 Kết quả nuôi tảo Chlorella SP trên môi trường đạm thấp cải tiến (DTm) 21

2.2.8.3 Kết quả thí nghiệm xác định công thức môi trường DTm cho tảo Chlorella SP nuôi trên bình thể tích 500 ml theo thiết kế bề mặt đáp ứng với mục đích gia tăng mật độ và khối lượng khô [2] 22

2.2 Tổng quan về Biodiesel (BOD) 25

2.2.1 Giới thiệu về BOD 25

2.2.2 Lịch sử hình thành và phát triển của BOD 26

2.2.3 Tính chất của Biodiesel 27

2.2.3.1 Một số thông số kỹ thuật của Biodiesel 27

2.2.4 Ưu và nhược điểm của BOD 29

2.2.4.1 Ưu điểm 29

2.2.4.1 Nhược điểm 31

2.2.5 Các giá trị tiêu chuẩn cho BOD ở trong nước và quốc tế 32

2.2.5.1 Trong nước 32

2.2.5.2 Quốc tế 33

ix

2.2.6 Phản ứng tạo BOD 34

2.2.6.1 Các thành phần tham gia phản ứng tạo BOD 34

2.2.6.2 Cơ chế phản ứng chuyển hóa ester tạo BOD 38

2.3 Một số phương pháp chiết tách chất béo 42

2.3.1 Phương pháp chiết ngấm kiệt 42

2.3.2 Phương pháp chiết ngâm dầm 42

2.3.3 Phương pháp chiết bằng máy chiết Soxhlet 43

Chương 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 45

3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 45

3.1.1 Thời gian 45

3.1.2 Địa điểm 45

3.1.3 Nguồn tảo giống 45

3.1.4 Thiết bị và dụng cụ 45

3.1.5 Hóa chất thí nghiệm 46

3.1.6 Điều kiện nuôi cấy 48

3.1.7 Quy trình sản xuất chung 49

3.1.8 Theo dõi mật độ bằng phương pháp đếm tế bào 50

3.1.9 Định nghĩa các công thức tính toán 52

3.1.10 Xử lí số liệu 54

3.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 55

3.2.1 Nghiên cứu các mô hình để chế tạo thiết bị quang hợp sinh học tuần hoàn 55

3.2.2 Thí nghiệm 2: Khảo sát quá trình sinh trưởng phát triển của tảo trong môi trường đạm thấp cải tiến nuôi trên thiết bị quang hợp sinh học tuần hoàn có bổ sung khí CO2 56

3.2.3 Thí nghiệm 3: Khảo sát ảnh hưởng của của yếu tố Fe lên hàm lượng dầu của tảo Chlorella SP nuôi trên bình 5l 57

3.2.4 Thí nghiệm 4: Thí nghiệm phương pháp tinh chế dầu sau khi trích ly từ dầu tảo sử dụng silicagel và bentonite 60

3.2.5 Thí nghiệm 5: Thí nghiệm phản ứng tạo BOD 62

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 64

x

4.1 Thí nghiệm 1: Chế tạo thiết bị quang hợp sinh học tuần hoàn 64

4.2 Thí nghiệm 2: Nuôi tảo trên hệ thống quang hợp sinh học tuần hoàn 66

4.3 Thí nghiệm 3: Khảo sát sự ảnh hưởng của yếu tố Fe đến hàm lượng dầu của tảo Chlorella SP 73

4.4 Thí nghiệm 4: Thí nghiệm phương pháp tinh chế dầu sau khi trích ly từ dầu tảo sử dụng silicagel và bentonite 79

4.4.1 Thí nghiệm 4-1: Phương pháp trích li dầu bằng Soxhlet với dung môi n – hexan 81

4.4.2 Thí nghiệm 4-2: Trích li dầu bằng phương pháp ngâm dầm ethanol 82

4.4.3 Thí nghiệm 4-3, 4-4: Thí nghiệm tinh sạch dầu tảo thô sau chiết tách87 4.5 Thí nghiệm 5: phản ứng tạo sản phẩm BOD 92

4.5.1 Thí nghiệm 5-1: Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất thu hồi BOD 92

4.5.2 Thí nghiệm 5-2: Thí nghiệm phản ứng tạo BOD trên dầu tảo 94

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 97

5.1 Kết luận 97

5.2 Đề Nghị 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

PHỤ LỤC 101

xii

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Một vài hình ảnh Chlorella 4

Hình 2.2: Các pha tăng trưởng trong nuôi vi tảo (Lavens và Sorgeloos, 1996) 7

Hình 2.3: Đồ thị khối lượng chất khô tảo (g/l) và mật độ tế bào (MĐTB) (triệu tb/ml) của tảo Chlorella SP trong môi trường Hannay 10

Hình 2.4: Đồ thị MĐTB (triệu tb/ml) của tảo Chlorella SP trong môi trường đạm thấp 10

Hình 2.5: Đồ thị khối lượng chất khô tảo (g/l) và MĐTB ( tb/ml) của tảo Chlorella SP trong môi trường đạm thấp cải tiến 11

Hình 2.6: Thiết bị nuôi sản xuất sinh khối tảo trong ống xoắn ở Úc (Yusuf Chisti, 2007) 14

Hình 2.7: Sơ đồ sản xuất dùng cho nuôi tảo theo từng mẻ (Lee và Tamaru, 1993) 15

Hình 2.8: Đồ thị MĐTB (triệu tb/ml) của tảo Chlorella SP trong môi trường đạm thấp 21

Hình 2.9: Đồ thị khối lượng chất khô tảo (g/l) và MĐTB (triệu tb/ml) của tảo Chlorella SP nuôi trong môi trường DTm 22

Hình 2.10: Đồ thị khảo sát đỉnh sinh khối giữa các môi trường 23

Hình 2.11: Đồ thị khảo sát đỉnh khối lượng khô của Chlorella SP giữa các môi trường 23

Hình 2.12: Đồ thị biểu diễn sinh khối của mẫu 16 24

Hình 2.13: Cấu tạo chung của các triglyxerit 35

Hình 2.14: Cấu tạo một số acid béo trong dầu thực vật 36

Hình 2.15: Cơ chế phản ứng xúc tác kiềm 38

Hình 2.16: Cơ chế phản ứng xúc tác acid 39

Hình 2.17: Kỹ thuật chiết ngấm kiệt 42

Hình 2.18: Chiết bằng thiết bị Soxhlet 43

Hình 3.1: Sơ đồ quy trình các bước thí nghiệm 49

Hình 3.2: Hình dạng ngoài của buồng đếm hồng cầu 50

Hình 3.3: Kích thước các ô trong buồng đếm 51

xiii

Hình 4.1: Thiết bị quang hợp sinh học tuần hoàn 64

Hình 4.2: Hệ thống được kiểm tra tính kín trước khi nuôi tảo 66

Hình 4.3: Tảo Chlorella SP sinh trưởng trên thiết bị 68

Hình 4.4: Tảo Chlorella SP sinh trưởng trong hệ thống 68

Hình 4.5: Đồ thị thể hiện mối quan hệ của MĐTB với OD mẻ 1 69

Hình 4.6: Biểu đồ tương quan giữa MĐTB và OD của tảo nuôi mẻ 2 71

Hình 4.7: Ảnh vi sinh vật phiêu sinh ở độ phóng đại x40 72

Hình 4.8: Tảo Chlorella SP được nhân giống trong bình 500 ml 74

Hình 4.9: Tảo Chlorella SP được bố trí nuôi theo thí nghiệm xử lí Fe - EDTA 75

Hình 4.10: Biểu đồ so sánh MĐTB đạt đỉnh của các mẫu 76

Hình 4.11: Biểu đồ tương quan giữa khối lượng tảo khô và khối lượng cao thô 77

Hình 4.12: Biểu đồ thể hiện % cao tảo thô sau Soxhlet 77

Hình 4.13: Tảo sau thu hoạch bằng li tâm 79

Hình 4.14: Tảo sau khi sấy khô 80

Hình 4.15: Tảo khô được nghiền mịn chuẩn bị cho trích li dầu 80

Hình 4.16: Hệ thống trích li Soxhlet 81

Hình 4.17: Cao tảo thô trích li bằng n – hexan sau cô qua 82

Hình 4.18: Dịch lọc thu được sau ngâm dầm ethanol (dịch A) 83

Hình 4.19: Dịch B 40% nước/ethanol 84

Hình 4.20: Hỗn hợp dịch B sau thêm n – hexan được tách lớp 85

Hình 4.21: Hỗn hợp dịch B và n – hexan tách ra 2 phần 86

Hình 4.22: Quá trình sắc kí cột bằng silicagel để tách dầu tinh 88

Hình 4.23: Dầu tảo trước và sau làm sạch 89

Hình 4.24: Sắc kí cột bằng đất sét bentonite 91

Hình 4.25: BOD tách lớp sau thời gian lắng 93

Hình 4.26: Hiệu suất phản ứng BOD theo thời gian phản ứng 93

Hình 4.27: BOD từ dầu tảo đang tách lớp 95

xiv

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Thành phần hóa học chứa trong tảo Chlorella (Đặng Đình Kim và Đặng

Hoàng Phước Hiền, 1999) 5

Bảng 2.2: Thành phần sinh hóa của Chlorella vulgaris (Webb 1983; Nguyễn Hữu Đại, 1999) 6

Bảng 2.3: Thành phần aminoacid (%) của Chlorella sp (Webb 1983; Nguyễn Hữu Đại,1999) 6

Bảng 2.4: Tóm tắt ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp nuôi tảo (Theo một tác giả giấu tên, 1991; Lavens và Sorgeloos, 1996) 17

Bảng 2.5: Một số phương pháp sấy sinh khối tảo (Đặng Đình Kim và Đặng Hoàng Phước Hiền, 1999) 19

Bảng 2.6: Các chỉ tiêu chất lượng của diesel sinh học gốc (B100) 32

Bảng 2.7: Các giá trị kiểm tra và Tiêu chuẩn giá trị tối đa của các chất cho phép trong diesel và BOD ở Hoa Kì (Edgar Loreto và ctv, 2005) 33

Bảng 2.8: So sánh lượng phát xạ của B100 và B20 (%) với diesel thông thường (Hoa Kì) (Edgar Loreto và ctv, 2005) 33

Bảng 2.9: Các giá trị kiểm tra cho BOD sinh học gốc (B100) - Bắc Mĩ (Edgar Loreto và ctv, 2005) 34

Bảng 2.10: Thành phần acid béo của một số dầu thực vật (Edgar Loreto và ctv, 2005) 36

Bảng 2.11: Ảnh hưởng của từng loại rượu đến sự chuyển hóa ester và tỉ trọng của ester 41

Bảng 3.1: Thành phần môi trường Hannay cải tiến (Cao Tuấn Kiệt, 2007) 47

Bảng 3.2: Thành phần môi trường đạm thấp (Scragg* H A., Illman M A., Carden A., Shales W A., 2007) 47

Bảng 3.4: Mã hóa các biến theo phương pháp RSM 58

Bảng 3.5: Nghiệm thức thí nghiệm được mã hóa 59

Bảng 4.1 Lưu lượng khí thoát ra của thiết bị 67

Bảng 4.2: Bảng số liệu xử lí trên JMP 4.0 78

Bảng 4.3: Hiệu suất trích dầu của phương pháp Soxhlet 82

xv

Bảng 4.4: Số liệu tính toán tỉ lệ X 83

Bảng 4.5: Hiệu suất tách dầu của phương pháp ngâm dầm ethanol 86

Bảng 4.6: Số liệu của quá trình tinh chế dầu tảo bằng sắc kí silicagel 89

Bảng 4.7: Thành các loại acid béo trong dầu tảo 90

Bảng 4.10: Thành phần các loại Acid béo trong dầu tảo (Phòng thí nghiệm Hóa hữu cơ – Trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên TP Hồ Chí Minh) 96

1

Chương 1

MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Với sự phát triển vượt bậc không ngừng của khoa học kỹ thuật, không những

các nước tiên tiến mà các nước đang phát triển và chậm phát triển cũng rất quan tâm đến vấn đề ô nhiễm không khí và sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu truyền thống Nguồn nhiên liệu dầu mỏ đang cạn kiệt dần Bên cạnh đó, đốt nhiên liệu dầu mỏ sinh ra khí

CO2 gây nên vấn đề môi trường

Một vấn đề đang được nhiều quốc gia đang quan tâm là con người sẽ sử dụng nguồn năng lượng nào khi mà nguồn năng lượng dầu mỏ cạn kiệt Đây không phải là vấn đề mới, mà nó đã được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu từ nhiều năm qua Hiện nay người ta đã biết sử dụng nhiều nguồn năng lượng khác ngoài dầu mỏ như: gió, mặt trời, hạt nhân, biodiesel… Một trong những nguồn năng lượng đó đang được quan tâm là sản xuất biodiesel để đáp ứng nhu cầu năng lượng cho xã hội Nguồn nguyên liệu để sản xuất biodiesel nhìn chung là rất phong phú như: mỡ động vật, dầu các loại thực vật (hướng dương, mè, canola, cọ, dừa, tảo…), từ vi sinh vật Trong các nguồn nguyên liệu này thì dầu thực vật được sử dụng nhiều nhất, tuy nhiên một vấn đề vướng phải khi dùng dầu thực vật là nó ảnh hưởng đến cuộc sống con người như: tiêu hao nguồn lương thực của nhân loại, tốn nhiều diện tích đất để canh tác, năng suất không ổn định Do vậy, trong thời gian gần đây một hướng đi mới trong sản xuất biodiesel là sử dụng dầu từ các loại tảo Có một số loại tảo có khả năng cho sản lượng dầu cao như: Chlorella SP Việc sử dụng dầu tảo trong sản xuất biodiesel sẽ giúp giải quyết được vấn đề năng lượng hiện nay cũng như không ảnh hưởng đến lương thực của con người Do vậy, chúng ta cần tìm hiểu và nghiên cứu về kĩ thuật nuôi trồng tảo

và xử lí dầu từ tảo để đáp ứng nhu cầu sản xuất biodiesel

Được sự phân công của Bộ Môn Công Nghệ Hóa Học, dưới sự hướng dẫn của

2

PGS, TS Trương Vĩnh chúng tôi thực hiện đề tài này “ Khảo Nghiệm Thiết Bị Nuôi Tảo Quang Hợp Sinh Học Tuần Hoàn, Nghiên Cứu Quá Trình Tinh Chế Dầu Tảo Và Ứng Dụng”

1.2 Mục đích của đề tài

• Thử nghiệm nuôi tảo trên thiết bị quang hợp sinh học tuần hoàn

• Tối ưu hóa các thông số của thiết bị quang hợp sinh học để tảo phát triển tốt trong thiết bị

• Nghiên cứu phương pháp để tinh chế dầu từ tảo đạt hiệu quả

• Thử nghiệm ứng dụng các sản phẩm từ dầu tảo

1.3 Nội dung

• Tính toán các thông số của thiết bị quang hợp sinh học dạng tuần hoàn và chế tạo thiết bị để nuôi tảo

• Thí nghiệm nuôi tảo trên thiết bị theo các thông số đã có

• Thí nghiệm bề mặt đáp ứng với hàm lượng Fe ban đầu và ngày bổ sung trên

tảo Chlorella SP

• Thí nghiệm các phương pháp tinh chế dầu sau khi trích li từ tảo

• Thí nghiệm phản ứng biodiesel và định hướng ứng dụng các phụ phẩm từ tảo

1.4 Yêu cầu

• Chế tạo hoàn chỉnh hệ thống quang hợp sinh học dạng tuần hoàn

• Tìm được chế độ nuôi để tảo phát triển tốt nhất trong thiết bị

• Tìm được phương pháp tinh chế dầu thích hợp đem lại hiệu quả

• Xác định hiệu suất phản ứng BOD từ dầu vi tảo

3

Chương 2

TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Tổng quan về tảo lục Chlorella

2.1.1 Lịch sử nghiên cứu về tảo lục Chlorella

2.1.1.2 Hình thái và các đặc điểm sinh học về ngành tảo lục

Tảo lục đơn bào có chứa chlorophyll a và b, xanthophyll, hình thái rất đa dạng có loại đơn bào, có loại thành nhóm, có loại dạng sợi, có loại dạng màng, có loại dạng ống…phần lớn có màu lục như cỏ Sắc lạp có thể có hình phiến, hình lưới, hình trụ, hình sao… Thường có 2 - 6 thylakoid xếp chồng lên nhau Phần lớn có một hay nhiều pyrenoid nằm trong sắc lạp Nhiệm vụ chủ yếu của pyrenoid là tổng hợp tinh bột Trên sắc lạp của tảo lục đơn bào hay tế bào sinh sản di động của tảo lục có sợi lông roi (tiêm mao) dài bằng nhau và trơn nhẵn Có loại trên bề mặt lông roi có một hay vài tầng vẫy nhỏ Lông roi của tế bào di động ở tảo lục thường có hai sợi, một số ít có bốn sợi, 8 sợi hay nhiều hơn Cũng có khi chỉ có một sợi lông roi Phần lớn tế bào tảo lục

có một nhân Một số ít có nhiều nhân Thành tế bào của tảo lục chủ yếu chứa cellulose

Tảo lục có 3 phương thức sinh sản:

• Sinh sản sinh dưỡng: phân cắt tế bào, phân cắt từng đoạn tảo

• Sinh sản vô tính: hình thành các loại bào tử vô tính, như bào tử tĩnh, bào tử động, bào tử tự thân, bào tử màng dày

• Sinh sản hữu tính: có đẳng giao, dị giao và noãn giao

(Nguồn: http://wwwvietsciences.free.fr/khaocuu/Nguyenlandung/vitao01.htm)

5

2.1.1.4 Thành phần hóa học

Thành phần hóa học của tế bào Chlorella tùy thuộc vào tốc độ sử dụng môi

trường dinh dưỡng trong quá trình phát triển

Bảng 2.1: Thành phần hóa học chứa trong tảo Chlorella (Đặng Đình Kim và Đặng

Hoàng Phước Hiền, 1999)

Protein tổng số Gluxit

Lipid Sterol Sterin β-Caroten Xanthophyll Chlorophyll a Chlorophyll b Tro

Vitamin B1

C

K B6 B2 B12 Niacin Acid Nicotinic

40 – 60 %

25 – 35 %

10 – 15 % 0,1- 0,2 % 0,1- 0.5 % 0,16 % 3,6 – 6,6 % 2,2 % 0,58 %

10 – 34 % 18,0 mg/gr 0,3 – 0,6 mg/gr

6 mg/gr 2,3 mg/100gr 3,5 mg/100gr

7 - 9 mg/100gr

25 mg/100gr

145 mg/100gr

6

Bảng 2.2: Thành phần sinh hóa của Chlorella vulgaris (Webb 1983; Nguyễn Hữu

Đại, 1999) Thành phần Đơn vị (% trọng lượng tảo khô) Protein

Lipid Saccharide Vitamin Khoáng

35,30 3,99 4,27 20,39 26,88

Bảng 2.3: Thành phần aminoacid (%) của Chlorella sp (Webb 1983; Nguyễn Hữu

7

Thành phần hóa học của các loài Chlorella phụ thuộc nhiều vào sự có mặt của

nitơ trong môi trường Khi lượng nitơ có trong môi trường thấp thì hàm lượng protein

của Chlorella giảm xuống rõ rệt trong khi lượng cacbohydrat và lipid lại tăng lên

Tảo có khả năng hấp thu CO2 và các muối khoáng cần thiết để tổng hợp protein, glucid, lipid… Có thể thay đổi tùy theo điều kiện môi trường như ánh sáng, nhiệt độ,

độ mặn… (Vũ Thị Tám, 1982) Các nguyên tố vô cơ cũng có chức năng sinh lý quan

trọng đối với thực vật (C, H, O, K, Mg, Fe, Cu,…) Ngoài ra, Chlorella còn chứa

glucid, acid amine thiết yếu, nhiều loại vitamin như: carotene, thiamine, niacine, paridoxine, choline, acid lipoic, acidpentonoid, ….các vitamin nhóm C, A, B1, B2, B6, K… có nhiều trong tế bào tảo tươi

(Nguồn: http://www.tuberosr.com/chlorella.htm)

2.1.2 Tăng trưởng

Tăng trưởng là biểu hiện cho sự gia tăng về số lượng so với số lượng tảo cấy ban đầu (Pelczar và cộng sự, 1977; Pinij Kungvanki, 1988; trích bởi Trần Thị Mỹ Xuyên,

2008) Sự tăng trưởng của các vi tảo nói chung và Chlorella nói riêng nuôi trong điều

kiện vô trùng đều thông qua 5 pha như sau:

Hình 2.2: Các pha tăng trưởng trong nuôi vi tảo (Lavens và Sorgeloos, 1996)

2.1.2.1 Pha lag (pha chậm hoặc cảm ứng)

Sau khi cấy vào môi trường nuôi, quần thể tạm thời không thay đổi Điều này không có nghĩa là các tế bào không hoạt động Việc chậm phát triển là do sự thích nghi sinh lí của chuyển hóa tế bào để phát triển, như mức tăng enzyme và các chất

8

chuyển hóa liên quan đến sự phân chia tế bào và cố định cacbon, ở giai đoạn này các

tế bào cũng gia tăng về kích thước của chúng Ở cuối pha này, mỗi sinh vật bắt đầu phân chia

2.1.2.2 Pha log (pha sinh trưởng theo hàm số mũ)

Ở pha này, mật độ tế bào tăng như là hàm số của thời gian theo hàm logarit:

Ct = Co*emt

Với Co và Ct là các nồng độ tế bào tại thời điểm 0 và t tương ứng với m là tốc độ sinh trưởng đặc thù Tốc độ sinh trưởng đặc thù phụ thuộc chủ yếu vào loài tảo, cường

độ ánh sáng và nhiệt độ Nếu nuôi trong các điều kiện tối ưu, tốc độ tăng trưởng là tối

đa trong suốt giai đọan này

2.1.2.3 Pha giảm tốc độ sinh trưởng (pha ngừng tăng trưởng tương đối)

Sự phân chia tế bào sẽ chậm lại khi các điều kiện về dinh dưỡng, ánh sáng, độ

pH, CO2 hoặc các yếu tố lý hóa khác bắt đầu hạn chế sự sinh trưởng

2.1.2.4 Pha ổn định

Tại đây sự tăng trưởng theo pha hàm số mũ dần bắt đầu ngừng lại sau vài giờ hoặc vài ngày Quần thể duy trì ở mức ít hơn hoặc nhiều hơn ở một giá trị không đổi nào đó trong một thời gian, có thế đó là kết quả của sự ngừng phân chia hoàn toàn hoặc phân chia để bù vào số tế bào bị chết

2.1.2.5 Pha suy tàn

Ở giai đoạn này các nhà nuôi tảo đều không mong muốn tuy nhiên không thể tránh khỏi giai đoạn này Đây là giai đoạn mà các tế bào tảo chết nhanh hơn là tốc độ sản sinh ra tế bào mới Do chất lượng nước bị giảm, nguồn dinh dưỡng bị cạn kiệt đến mức không thể duy trì được sự sinh trưởng và phát triển của tảo Lúc này mật độ tế bào giảm theo cấp số nhân và việc nuôi cũng kết thúc

Sự tăng trưởng ổn định chỉ có thể đạt đến giá trị tối đa khi được nuôi dưới những điều kiện tăng trưởng tối ưu đặc biệt là về nhiệt độ, ánh sáng và dinh dưỡng Nhưng nếu chuyển sang môi trường không thích hợp thì mật độ tảo sẽ giảm đi một cách đáng

kể

Vấn đề cấp thiết trong việc nuôi tảo là phải kiểm soát được điều kiện nuôi Điều kiện này chỉ có thể đạt được khi nuôi trong điều kiện môi trường được vô trùng, kiểm soát không khí và cường độ chiếu sáng, nhiệt độ, pH có thể thay đổi theo ý muốn

9

Vấn để cần quan tâm trong sự suy tàn của tảo có thể do một số nguyên nhân như thiếu nguồn dưỡng chất, thiếu CO2, nhiệt độ cao, pH không ổn định do tình trạng nhiễm bẩn từ không khí Yếu tố then chốt giúp thành công trong nuôi tảo là duy trì tảo nuôi luôn ở pha log, có thể nói đây là pha luôn ổn định về số lượng và chất lượng

2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của tảo

2.1.3.1 Yếu tố hóa học

A pH

Một thông số quan trọng của môi trường là pH vì pH xác định độ hòa tan của

CO2 và muối khoáng ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất ở tảo Thông số này lại phụ thuộc vào thành phần khả năng đệm của môi trường, nhiệt độ cũng như hoạt tính trao đổi chất của tế bào tảo

Hầu hết các giống tảo được nuôi trong môi trường đều có giá trị pH nhất định Thông thường khoảng pH cho phép là 7 - 9 và theo nhiều tài liệu pH tối ưu là 8,2 - 8,7 Bên cạnh đó khi thay đổi pH đột ngột có thể làm cho tảo nhanh chóng bị tàn lụi Trong trường hợp nuôi tảo với mật độ cao thì việc bổ sung CO2 sẽ giúp điều chỉnh pH thích hợp trong quá trình tảo phát triển, độ pH có thể đạt đến giá trị tới hạn là 9 Nhiều trường hợp việc nuôi trồng tảo thất bại có thể do pH không thích hợp Điều này có thể khắc phục bằng cách sục khí môi trường nuôi (Đặng Đình Kim, Đặng Hoàng Phước Hiền, 1999; Cao Tuấn Kiệt, 2007; Trần Thị Mỹ Xuyên, 2008)

B Các chất dinh dưỡng / môi trường nuôi

Các môi trường dinh dưỡng dùng cho nuôi trồng tảo phải dựa theo nhu cầu dinh dưỡng của từng loài tảo Việc xác định chính xác nồng độ của từng yếu tố dinh dưỡng cho một loài nào đó là vô cùng khó khăn Vì môi trường dinh dưỡng tối ưu phụ thuộc rất nhiều vào mật độ quần thể, ánh sáng và pH môi trường Các chất dinh dưỡng đa lượng bao gồm: nitrat, phosphat…Các nguyên tố vi lượng được coi là không thể thay thế đối với sinh trưởng và phát triển của tảo là Fe, Mn, Cu, Zn và Cl Những vi lượng khác có vai trò quan trọng đối với một số nhóm tảo là Co, B, Si,…

Một số biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của môi trường nuôi đến sinh trưởng và phát triển của tảo (Trích khóa luận tốt nghiệp kỹ sư của Nguyễn Vy Hải, Nhữ Thế Dũng [1])

Hình 2.3: Đồ thị khối lượng chất khô tảo (g/l) và mật độ tế bào (MĐTB) (triệu tb/ml)

của tảo Chlorella SP trong môi trường Hannay

Hình 2.5: Đồ thị khối lượng chất khô tảo (g/l) và MĐTB ( tb/ml) của tảo Chlorella SP

trong môi trường đạm thấp cải tiến

2.1.3.2 Các yếu tố vật lí

A Nhiệt độ

Mỗi loài tảo thích hợp với nhiệt độ tối ưu và biên độ nhiệt khác nhau tùy theo loài (Trịnh Trường Giang, 1997) Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng Chính vì vậy, việc chọn các chủng loại tảo chịu nhiệt có ý nghĩa lớn đến năng suất tảo Mặt khác, nhiệt độ thấp cũng ảnh hưởng xấu đến sinh trưởng của tảo

Nhiệt độ tối ưu cho quá trình nuôi tảo trong khoảng từ 18 - 25oC mặc dù chúng

có thể thay đổi tùy theo thành phần môi trường nuôi, loài nuôi và dòng nuôi Nhìn chung các loài tảo nuôi thường chịu đựơc nhiệt độ trong khoảng 16 – 27oC Nhiệt độ thấp hơn 16oC sẽ làm chậm sự tăng trưởng, trong khi đó nhiệt độ tăng cao hơn 35oC sẽ gây thiệt hại cho một số loài (Lavens và Sordeloos,1996; trích bởi Cao Tuấn Kiệt, 2007)

Trong điều kiện tự nhiên nên nuôi cấy Chlorella vào mùa có nhiệt độ ít thay đổi

(khoảng từ tháng 4 - 10, thời gian này nhiệt độ trung bình 25 – 30oC) và chú ý đến

12

nhiệt độ dao động hằng ngày, tạo mọi điều kiện thuận lợi để nhiệt độ không chênh lệch quá nhiều giữa các buổi trong ngày (Võ Thị Bích Duyên và Ngô Thạch Minh Thảo, 2000) Nếu cần thiết ta có thể làm mát môi trường nuôi bằng cách cho dòng nước lạnh chảy trên bề mặt của bình nuôi hoặc kiểm soát nhiệt độ không khí bằng các thiết bị điều hòa nhiệt độ (Trần Thị Mỹ Xuyên, 2008)

B Khuấy sục môi trường nuôi (chế độ sục khuấy)

Trong quá trình nuôi tảo việc khuấy sục có tác dụng: giúp ngăn ngừa hiện tượng phân tầng nhiệt độ trong dịch nuôi, giúp tế bào tảo tiếp xúc đều với ánh sáng, ngăn ngừa tảo lắng xuống bể, cải thiện trao đổi khí giữa môi trường nuôi và không khí, quan trọng hơn là cung cấp CO2 cho quá trình quang hợp Trong trường hợp nuôi với mật

độ cao, CO2 từ không khí (chỉ chứa 0,03 % CO2) sẽ làm hạn chế sinh trưởng của tảo

Vì vậy việc bổ sung CO2 tinh khiết với tỉ lệ 1 % thể tích không khí Việc bổ sung CO2

có tác dụng giúp ổn định pH do cân bằng giữa CO2 và HCO3 Tùy thuộc vào quy mô của hệ thống nuôi mà ta có thể sục khuấy hằng ngày bằng tay (ống nghiệm, các bình tam giác), sục khí (các túi, các bể) hoặc các guồng hay bơm chạy bằng điện (ao) Tuy nhiên không phải tất cả các loài tảo đều có thể chịu đựng được với chế độ sục khuấy mạnh (Lavens và Sorgeloos, 1996; Đặng Đình Kim và Đặng Hoàng Phước Hiền, 1999)

Như vậy, kỹ thuật khuấy sục là vấn đề rất cần được quan tâm nhằm mục tiêu tăng năng suất tảo mà không làm ảnh hưởng tới trạng thái tế bào Về mặt kinh tế, chọn giải pháp khuấy sục sao cho chi phí thấp nhất là yêu cầu đầu tiên (Đặng Đình Kim, Đặng Hoàng Phước Hiền, 1999)

C Ánh sáng

Việc cung cấp ánh sáng cho nuôi tảo là vấn đề thiết yếu và cần thiết không thể thiếu Bởi vì giống như tất cả các loài thực vật, hệ số sử dụng năng lượng ánh sáng ở tảo cao hơn ở thực vật bậc cao, điều này có nghĩa là chúng hấp thụ cacbon vô cơ để chuyển hóa thành cacbon hữu cơ Nhiều loại vi tảo có quang hợp bão hòa ở khoảng 33

% tổng lượng cường độ chiếu sáng Vì vậy, trong điều kiện ánh sáng có cường độ cao

và thời gian chiếu sáng dài, người ta thấy xuất hiện hiện tượng quang ức chế có thể làm tảo chết hoặc làm giảm đáng kể năng suất nuôi trồng

13

Cường độ ánh sáng đóng vai trò quan trọng nhưng yêu cầu về cường độ ánh sáng thay đổi rất lớn theo độ sâu của môi trường nuôi và mật độ tảo nuôi Khi nuôi ở độ sâu lớn và mật độ cao thì cường độ ánh sáng thay đổi từ 1000 - 10000 lux, tối ưu 2500 -

5000 lux tùy vào thể tích Có thể là ánh sáng tự nhiên hoặc ánh sáng của đèn huỳnh quang, chu kỳ chiếu sáng tối thiểu là 18 h/ngày, tối đa là 24 h/ngày tùy vào thể tích Tuy nhiên không phải tất cả các phiêu sinh vật đều chịu được ánh sáng liên tục nhưng phần lớn các giống tảo làm thức ăn đều chịu được ánh sáng liên tục Điều này không

có nghĩa là cứ cung cấp thêm năng lượng ánh sáng cho một dịch nuôi là sinh khối sẽ tăng (Robert, 1971; Trích bởi Đậu Thị Như Quỳnh, 2001)

2.1.3.3 Các yếu tố sinh học

Các nguồn gây nhiễm và xử lí nước:

Lây nhiễm vi khuẩn, nguyên sinh động vật hoặc của các loài tảo khác là vấn đề khó khắc phục đối với việc nuôi cấy tảo thuần chủng cũng như nuôi cấy vô trùng Các nguồn gây nhiễm phổ biến nhất gồm có môi trường nuôi (nước và các chất dinh dưỡng), không khí, bình nuôi và tình trạng giống nuôi cấy ban đầu

Tảo bị nhiễm tạp sẽ ức chế về nhiều mặt trong quá trình phát triển dẫn đến sinh khối đạt được không cao và chất lượng tảo giảm đi rất nhiều, thậm chí không thể sử dụng được Sự cạnh tranh về dinh dưỡng, ánh sáng, CO2 và ảnh hưởng của một số chất độc gây ức chế từ các tác nhân gây nhiễm đối với tảo nuôi là những tác hại chính của

• Sấy khô trước khi sử dụng

Theo cách khác, các ống, bình và bình lớn bằng thủy tinh có thể được khử trùng bằng nồi hấp, có thể sử dụng các bình nuôi dùng một lần rồi vứt bỏ như túi polyetylen

14

2.1.4 Các phương pháp nuôi tảo

Tảo có thể được sản xuất bằng cách áp dụng một loạt các phương pháp khác nhau, từ các phương pháp được áp dụng trong phòng thí nghiệm đến các phương pháp

ít đoán trước trong các bể nuôi ngoài trời Thuật ngữ dùng để mô tả các điều kiện nuôi gồm có:

™ Hệ thống nuôi tảo trong nhà hoặc ngoài trời

Nuôi trong nhà cho phép kiểm soát cường độ chiếu sáng, nhiệt độ, hàm lượng chất dinh dưỡng, tạp nhiễm các sinh vật ăn mồi sống và các tảo cạnh tranh Ngược lại, các hệ thống nuôi ngoài trời làm cho việc nuôi trồng duy trì một loài tảo thuần trong thời gian dài là rất khó khăn

Hình 2.6: Thiết bị nuôi sản xuất sinh khối tảo trong ống xoắn ở Úc

(Yusuf Chisti, 2007)

™ Hệ thống nuôi hở hoặc kín

Nuôi hở như nuôi ở các ao, hồ, bể nuôi không có mái che sẽ dễ bị nhiễm tạp bẩn hơn so với các dụng cụ nuôi kín như các ống nghiệm, bình tam giác, túi…

™ Nuôi sạch (vô trùng) hoặc không vô trùng

Nuôi vô trùng là nuôi không có bất kỳ sinh vật ngoại lai nào và đòi hỏi khử trùng rất cẩn thận tất cả các dụng cụ thủy tinh, môi trường và các bình nuôi để tránh nhiễm tạp Tuy nhiên phương pháp này còn hạn chế đối với quy mô công nghiệp

™ Nuôi từng mẻ, nuôi liên tục và bán liên tục

Dưới đây là ba kiểu nuôi thực vật phù du cơ bản, trong đó có tảo

Hình 2.7: Sơ đồ sản xuất dùng cho nuôi tảo theo từng mẻ (Lee và Tamaru, 1993)

Tùy theo nồng độ tảo, dung tích nguyên liệu cấy thường tương ứng với dung tích của giai đoạn trước trong quá trình tăng khối lượng tảo, bằng 2 – 10 % khối lượng nuôi cuối cùng

Hệ thống nuôi mẻ ngày càng được áp dụng phổ biến do tính đơn giản và linh hoạt của chúng cho phép thay đổi các loài tảo nuôi và khắc phục các sự cố trong hệ thống nhanh chóng Tuy nhiên, nuôi mẻ có hạn chế là chất lượng của các tế bào tảo thu hoạch có thể ít đoán trước được so với chất lượng ở các hệ thống nuôi liên tục và biến động theo lịch thời gian thu hoạch (thời gian của ngày, pha sinh trưởng chính xác)

16

Một hạn chế khác của nuôi từng mẻ là phải ngăn ngừa sự nhiễm bẩn trong lần cấy ban đầu và thời kỳ sinh trưởng lúc đầu Do mật độ của thực vật phù du mong muốn thấp và nồng độ các chất dinh dưỡng cao nên các chất gây ô nhiễm có tốc độ sinh trưởng nhanh sẽ có khả năng phát triển vượt đối tượng nuôi (Cao Tuấn Kiệt, 2007; Trần Thị Mỹ Xuyên, 2008)

2.1.4.2 Nuôi liên tục

Phương pháp nuôi liên tục cho phép duy trì giống nuôi cấy có tốc độ rất gần tốc

độ sinh trưởng tối đa Người ta phân biệt một số dạng nuôi liên tục như sau:

- Turbidostat (nuôi cho lên men liên tục): Trong đó mật độ tảo được duy trì ở mức độ xác định trước bằng cách pha loãng tảo nuôi với môi trường Có thể nói đây là

hệ thống tự động Trong trường hợp này, dinh dưỡng là không hạn chế nhưng ánh sáng

là yếu tố hạn chế trừ khi mật độ tảo quá thấp

- Chemostat (nuôi ở trạng thái hóa tính): Ở đây môi trường nước được đưa vào

hệ thống nuôi với tốc độ chính xác Tuy nhiên một phần dịch mới liên tục được bổ sung để thay đổi dịch môi trường đã dùng Hệ thống này thường đơn giản và ít tốn kém so với turbidostat

Các nhược điểm của hệ thống nuôi liên tục là chi phí tương đối cao và phức tạp

Do yêu cầu phải chiếu sáng liên tục, duy trì nhiệt độ nên đòi hỏi phải bố trí trong nhà

và điều này chỉ có tính khả thi đối với các cơ sở có quy mô sản xuất tương đối nhỏ Tuy nhiên nuôi liên tục có ưu điểm là mật độ tảo thu được từ môi trường luôn ổn định Mặt khác, hệ thống này có thể kiểm soát và dễ dàng điều khiển về mặt công nghệ và

có thể tự động hóa, điều này làm tăng độ tin cậy của hệ thống với người sản xuất và giảm nhu cầu về lao động

2.1.4.3 Nuôi bán liên tục

Kỹ thuật nuôi bán liên tục kéo dài thời gian nuôi tảo, thực chất là một dạng nuôi theo mẻ nhưng sinh khối được kiểm tra định kỳ và giữ ổn định bằng phương pháp pha loãng môi trường Nuôi bán liên tục có thể thực hiện trong nhà hoặc ở ngoài trời, nhưng thời gian nuôi thường không đoán trước được Do tảo nuôi không được thu hoạch toàn bộ mà thu hoạch từng phần nên phương pháp nuôi bán liên tục cho khối lượng tảo nhiều hơn so với phương pháp nuôi từng mẻ với cùng một kích thước bể nuôi

17

Bảng 2.4: Tóm tắt ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp nuôi tảo (Theo một

tác giả giấu tên, 1991; Lavens và Sorgeloos, 1996)

1 Nuôi trong nhà Độ kiểm soát cao (có

thể dự đoán trước)

Tốn kém

2 Nuôi ngoài trời Rẻ hơn Ít kiểm soát (ít đoán

trước được)

3 Nuôi kín Ít bị nhiễm bẩn Đắt tiền

5 Nuôi vô trùng Có thể dự đoán

trước, ít có khả năng sụp đổ

Tốn kém, khó thực hiện

6 Nuôi không vô

trùng

Rẻ và dễ thực hiện hơn

Dễ thất bại

7 Nuôi liên tục Hiệu quả, cung cấp

tảo chất lượng cao và

ổn định, vận hành tự động, khả năng sản xuất trong thời gian dài

Khó thực hiện, chỉ có thể nuôi với số lượng nhỏ, phức tạp, trang thiết bị tốn kém

9 Nuôi theo mẻ Dễ nhất, chắc chắn

nhất

Hiệu quả thấp nhất, chất lượng có thể thay đổi nhiều

2.1.5 Định lượng sinh khối tảo

Định lượng sinh khối tảo: Sinh khối tảo trong môi trường là tổng lượng tảo tươi hay khô có trong một đơn vị thể tích nước đó (Đặng Thị Sy, 2005)

18

Có một số phương pháp xác định khối lượng sinh khối tảo có trong môi trường nuôi hoặc bằng cách đếm số tế bào hoặc thông qua việc xác định dung tích, mật độ quang hoặc trọng lượng nhưng phổ biến nhất vẫn là 2 phương pháp sau:

- Phương pháp đếm tế bào: Có thể đếm các tế bào bằng máy đếm hạt điện tử hoặc dùng buồng đếm hồng cầu để đếm trực tiếp dưới kính hiển vi Khó khăn chủ yếu của việc đếm bằng kính hiển vi là sự tái sinh sản, mà hoạt động này lại biến đổi theo việc lấy mẫu, sự pha loãng và sự chứa đầy của buồng đếm cũng như việc lựa chọn đúng kiểu buồng đếm và thang mật độ tế bào

- Phương pháp cân trọng lượng khô của tảo nuôi là cách tốt nhất để đánh giá sinh khối tảo Phương pháp này gồm các bước : thu mẫu, tách tảo khỏi pha loãng bằng cách ly tâm hoặc bằng các bộ lọc như lọc tiếp tuyến, sấy và cân trọng lượng khô Ngoài ra còn có các phương pháp như: đo độ đục (OD), xác định hàm lượng chlorophyll, phương pháp đo thải O2 quang hợp, xác định huỳnh quang chlorophyll… Đây là những phương pháp tương đối mới với công nghệ vi tảo cần có nhiều kĩ thuật

và chuyên môn để hoàn chỉnh với các phương pháp trên và đây cũng là tiềm năng lớn của công nghệ vi tảo trong tương lai

2.1.6 Tách sinh khối tảo

Cho tới nay nhiều phương pháp thu sinh khối đã được ứng dụng như ly tâm, lắng lọc, kết lắng hóa học, kết lắng bằng điện trường, tự kết lắng, lọc trọng trường, lọc chân không… khâu thu hoạch tảo là khâu có ảnh hưởng lớn đến giá thành sản xuất

2.1.6.1 Phương pháp ly tâm

Phương pháp ly tâm có ưu điểm chính là đơn giản và không phải sử dụng hóa chất bổ sung Trong quá trình ly tâm thì các tế bào sẽ đọng lại ở thành của đầu máy ly tâm ở dạng bột nhão lắng Sau đó bột này được treo lơ lửng trở lại trong một dung dịch nước hạn chế Tuy vậy, chi phí năng lượng cho phương pháp thu hoạch này là khá lớn (khoảng 1 KWh/m3) khiến việc sử dụng nó chỉ khả thi trong những cơ sở sản xuất cho ra các sản phẩm chất lượng cao

2.1.6.2 Phương pháp lọc

Đây là phương pháp khả thi cho thu hoạch nhiều loài tảo nói chung và Chlorella

nói riêng Vật liệu dùng cho lọc cơ học là cát mịn, sợi cellulose… Tốc độ lọc chậm và màng lọc hay bị bít tắc do chính sinh khối tảo và vi sinh vật khiến phương pháp này

19

cần lượng nước khá lớn để rửa thường xuyên Trong các phương pháp lọc thì lọc nén

áp suất thấp có triển vọng hơn cả do tốc độ nhanh và khả thi cho sản xuất lớn vì giá

thành không cao Những tảo đơn bào (Dunaliella, Chlorella, Scenedesmus…) thường

đòi hỏi thu hoạch bằng ly tâm, lọc hoặc bằng phương pháp tạo bông (Đặng Đình Kim, Đặng Hoàng Phước Hiền, 1999)

2.1.6.3 Phương pháp tạo bông

Tự kết lắng

Hiện tượng tự kết lắng xảy ra khi pH tăng Khi tế bào lắng xuống cùng với Ca2+,

Mg2+ và muối photphat hoặc cacbonat Mặt khác đây cũng là hậu quả của sự tương tác giữa tảo và vi khuẩn hoặc giữa tảo và các polymer hữu cơ trong môi trường

2.1.7 Sấy sinh khối tảo

Sau khi tách tảo khỏi môi trường và cô đặc, phải tiến hành ngay việc sấy để giữ sinh khối khỏi bị vi sinh vật hủy hoại Người ta sử dụng nhiều phương pháp sấy tuy nhiên mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm khác nhau như sau:

Bảng 2.5: Một số phương pháp sấy sinh khối tảo (Đặng Đình Kim và Đặng Hoàng

Phước Hiền, 1999)

1.Sấy tiếp xúc Nhanh, hiệu quả nhưng giá

thành cao

Chlorella, Scenedesmus, Spirulina

20

2.Phơi nắng Đầu tư thấp nhưng chậm và

phụ thuộc thời tiết

Chlorella, Scenedesmus, Spirulina

4 Sấy phun khô Nhanh, hiệu quả nhưng tiêu

tốn điện năng

Chlorella, Scenedesmus, Spirulina, Dunaliella

Tính toán cho việc sấy sinh khối tảo chiếm tỉ lệ chi phí khá cao của quá trình sản xuất tảo Các phương pháp sấy được đề xuất phụ thuộc vào nguồn vốn đầu tư, nhu cầu năng lượng và có ảnh hưởng rõ rệt đến chất lượng sản phẩm, đặc biệt đối với tảo lục

có thành tế bào rất chắc (Đặng Đình Kim, Đặng Hoàng Phước Hiền, 1999)

• Phương pháp sấy phun cho sản phẩm bột rất đồng đều nhưng chi phí cao Việc bổ sung một số chất chống oxy hóa vào dịch tảo trước khi sấy phun có thể giữ nguyên chất lượng sắc tố và vitamin của sinh khối Tuy nhiên khả năng tiêu hóa của dịch tảo sấy phun khô chỉ đạt 50 % so với

80 % khi tảo này được sấy tiếp xúc Tuy nhiên phương pháp sấy tiếp xúc làm biến tính protein hơn so với sấy phun

• Sấy mặt trời: đây là phương pháp sấy rẻ nhất Tính toán cho thấy để làm khô lớp sinh khối tảo dày 0,75 cm cần ít nhất 1 ngày Vì tốc độ sấy khô rất chậm

và phụ thuộc thời tiết nên phương pháp tỏ ra không hiệu quả khi áp dụng cho sản xuất quy mô lớn

• Phương pháp sấy đông khô tỏ ra hiệu quả trong việc ổn định thành phần sinh hóa của tảo nhưng không có triển vọng được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ sản xuất đại trà vi tảo

21

2.1.8 Một vài kết quả nuôi tảo ở Bộ Môn Công Nghệ Hóa Học

Tảo sinh trưởng, phát triển có mật độ và khối lượng khô khác nhau đối với môi trường khác nhau Điều này được chứng tỏ từ một số kết quả được thực hiện tại Bộ Môn Công Nghệ Hóa Học

2.1.8.1 Kết quả nuôi tảo Chlorella SP trên môi trường đạm thấp [1]

Chlorella SP được nuôi thể tích 500ml với MĐBĐBT là 106 tb/ml môi trường đạm thấp

1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00

Hình 2.8: Đồ thị MĐTB (triệu tb/ml) của tảo Chlorella SP trong môi trường đạm thấp

Kết quả cho thấy tảo Chlorella SP nuôi trong môi trường đạm thấp sinh trưởng ngắn ngày, đạt đỉnh sinh khối 4,35x106 tb/ml ở ngày thứ 2 Và trong nhiều lần thí nghiệm trước thì tảo bắt đầu tàn sau từ 2-3 ngày

2.1.8.2 Kết quả nuôi tảo Chlorella SP trên môi trường đạm thấp cải tiến (DTm)

Tảo Chlorella SP nuôi trong môi trường DTm với MĐBĐBT là 106 tb/ml thể tích

5 lít (4 bình) Và có bổ sung độ muối nồng độ 1,5%

Hình 2.9: Đồ thị khối lượng chất khô tảo (g/l) và MĐTB (triệu tb/ml) của tảo

Chlorella SP nuôi trong môi trường DTm

Kết quả cho thấy MĐTB đạt đỉnh sinh khối là 14,1x106 tb/ml ở ngày thứ 4 ứng với khối lượng chất khô tảo là 3,98 g/l Đỉnh sinh khối của môi trường đạm thấp là ngày thứ 2 Trong khi đó đỉnh sinh khối môi trường DTm là 4 ngày phù hợp với những giả thiết tính toán cải tiến môi trường đạm thấp MĐTB 14,1x106 tb/ml tăng gấp 3,25 lần so với 4,33x106 tb/ml của môi trường đạm thấp Nhưng so với kết quả ở MĐBĐBT 0,2x106 tb/ml thì ngày đạt đỉnh sinh khối trễ hơn 1 ngày Ta thấy khi nuôi ở MĐBĐBT cao hơn và thể tích lớn hơn thì MĐTB cũng giảm và ngày đạt đỉnh sớm hơn

2.2.8.3 Kết quả thí nghiệm xác định công thức môi trường DTm cho tảo Chlorella SP nuôi trên bình thể tích 500 ml theo thiết kế bề mặt đáp ứng với mục đích gia tăng mật độ và khối lượng khô [2]

Tảo được bố trí nuôi ở thể tích 500ml (18 bình) trong các môi trường khác nhau với MĐBĐBT là 106 tb/ml Có bổ sung độ mặn 15‰ khi thấy xuất hiện sự nhiễm tạp của thực vật phù du hay các phiêu sinh động