Ảnh hưởng của tỉ lệ NP và chu kỳ chiếu sáng lên quá trình sinh trưởng của tảochlorella sp trong mô hình photobioreactor

 Xác định các thông số động học của tảo như: Thời gian nhân đôi tế bào tg, tốc độ sinh trưởng μ, thời gian sinh trưởng tlog, nồng độ sinh khối cực đại Xm, tốc độ cố định carbon mg/L.h K

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỞNG CỦA TẢO CHLORELLA SP TRONG

MÔ HÌNH PHOTOBIOREACTOR

Chuyên ngành: Công nghệ Môi Trường

Mã số: 608506

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2013

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS BÙI XUÂN THÀNH

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS LÊ HOÀNG NGHIÊM

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS NGUYỄN THỊ THANH PHƯỢNG

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 30 tháng 12 năm 2010

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Trương Thanh Cảnh (CT)

2 TS Lê Hoàng Nghiêm (PB1)

3 TS Nguyễn Thị Thanh Phượng (PB2)

4 PGS.TS Bùi Xuân Thành (UV)

5 TS Trần Tiến Khôi (TK)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý

chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

- oOo -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN CAO HỌC

I TÊN ĐỀ TÀI: Ảnh hưởng của tỉ lệ N:P và chu kỳ chiếu sáng lên quá trình

sinh trưởng của tảoChlorella sp trong mô hình photobioreactor

II NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

- Đánh giá ảnh hưởng của Tris lên quá trình sinh trưởng của tảo

- Xác định tỉ lệ N:P tối ưu cho quá trình nuôi cấy tảo

- Đánh giá ảnh hưởng chu kỳ (sáng:tối) lên quá trình nuôi cấy tảo

- Xác định các thông số động học của tảo như: Thời gian nhân đôi tế bào (tg), tốc độ sinh trưởng (μ), thời gian sinh trưởng (tlog), nồng độ sinh khối cực đại (Xm), tốc độ cố định carbon (mg/L.h)

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS BÙI XUÂN THÀNH

Đề cương Luận văn Cao học đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN QL CHUYÊNNGÀNH

TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp, bên cạnh sự nỗ lực của bản thân, tôi

đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, động viên và giúp đỡ từ Thầy Cô, gia đình và bạn bè

Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Bùi Xuân Thành đã hết lòng hướng dẫn và giúp đỡ cho tôi hoàn thành luận văn cao học này

Xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô ở Khoa Môi trường, Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm và những góp ý cho tôi trong quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn Phòng thí nghiệm thuộc Viện Nuôi Trồng Thủy Sản 2, Phòng thí nghiệm - Khoa Môi trường, Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận văn

Xin cám ơn các bạn sinh viên Khoa Môi trường K2008, K2009đã nhiệt tình giúp đỡ

và có những đóng góp lớn trong quá trình thực hiện luận văn

Cuối cùng, tôi xin chia sẻ niềm vinh dự này đến Cha Mẹ, gia đình và những người thân thương của tôi đã luôn bên cạnh, động viên, giúp đỡ tôi trên những chặng đường học tập đã qua

Tp Hồ Chí Minh, Ngày 20 tháng 12 năm 2013

NGUYỄN THÀNH TÍN

TÓM TẮT

Vi tảo hiện nay được đánh giá là khá hiệu quả và kinh tế trong các ứng dụng như sử dụng để loại bỏ các chất ô nhiễm, làm thực phẩm, thuốc, sản xuất nhiên liệu sinh học Đặc biệt, với khá năng tiêu thụ CO2 trong quá trình quang hợp, đồng thời chứa hàm lượng cao lipid, protein và carbohydrate cho phép thúc đẩy rộng rãi các nghiên cứu về các ứng dụng Thực tế, tảo là một trong những loài sinh trưởng nhanh nhất trên thế giới, điều này khiến cho các nhà nghiên cứu quan tâm đến vấn đề nuôi tảo Hầu hết các nghiên cứu hiện hành về vi tảo là quá trình chiết xuất sinh khối tảo cho nhiên liệu sinh học và giảm thiểu ô nhiễm CO2 trong không khí

Vi tảo Chlorella sp đã được xác định đạt hiệu quả cao trong việc xử lý các chất ô

nhiễm, khả năng sản xuất nhiên liệu sinh học và hiệu quả giảm thiểu CO2 cao thông

qua các nghiên cứu trên thế giới Ở Việt Nam, Chlorella sp mới chỉ được nghiên cứu bởi môt số tác giả, cho thấy, Chlorella sp hợp với điều kiện khí hậu-môi

trường của Việt Nam và đạt hiệu quả kinh tế cao

Đề tài luận văn tốt nghiệp: “Ảnh hưởng của tỉ lệ N:P và chu kỳ chiếu sáng lên

quá trình sinh trưởng của tảo Chlorella sp trong mô hình photobioreactor”

tiến hành thực hiện các mục tiêu sau:

 Đánh giá ảnh hưởng của Tris lên quá trình sinh trưởng của tảo

 Xác định tỉ lệ N:P tối ưu cho quá trình nuôi cấy tảo

 Đánh giá ảnh hưởng chu kỳ (sáng:tối) lên quá trình nuôi cấy tảo

 Xác định các thông số động học của tảo như: Thời gian nhân đôi tế bào (tg), tốc độ sinh trưởng (μ), thời gian sinh trưởng (tlog), nồng độ sinh khối cực đại (Xm), tốc độ cố định carbon (mg/L.h)

Kết quả nghiên cứu cho thấy:

 Tại tỉ lệ N:P = 15:1 trong môi trường không Tris là tối ưu nhất cho sự phát

triển của Chlorella sp với nồng độ sinh khối cực đại đạt được là 3568 mg/L

sau 80 h nuôi cấy, trong đó pha thích nghi kéo dài 20 h và pha tăng trưởng kéo dài 60 h

 Trong môi trường không bổ sung Tris, Chlorella sp phát triển tốt hơn khi

nuôi cấy trong môi trường có bổ sung Tris

 Trong môi trường có Tris, Tris giữ vai trò là chất đệm để ổn định pH trong khoảng trung tính (7,0-7,2) Trong môi trường không bổ sung Tris, pH= 5 tại

cuối các mẻ nghiên cứu Đây là khoảng pH bắt đầu giới hạn quá trình sinh

trưởng của Chlorella sp

 Tris được coi là một nhân tố cho sự xuất hiện của Protozoa (Luân trùng)

trong môi trường nuôi cấy tảoChlorella sp

 Sự xuất hiện của các protozoa, làm cho môi trường nuôi cấy có màu vành

xanh, gây hạn chế tốc độ tăng trưởng của tảo Chlorella sp

 DO trong môi trường có Tris luôn ở mức thấp hơn môi trường không có Tris khi có sự xuất hiện của các protozoa

 Pha tối kéo dài thời gian tăng trưởng của tảo Chlorella sp trong qua quá trình

nuôi cấy

 Pha tối hạn chế sự sinh trưởng, năng suất sinh khối của tảo Chlorella sp

 Chu kỳ (sáng:tối) là một yếu tố quyết định đến hoạt động quá trình quang

hóa và sự sinh trưởng của tảo Chlorella sp

 Tảo Chlorella sp cũng không có khả năng tích lũy nguồn năng lượng ánh

sáng để duy trì sự sinh trưởng trong pha tối và đặc biệt là khi pha tối kéo dài quá lâu

 Tốc độ cố định CO2 cao nhất đạt được là RC =68,9 mgCO2/L.h khi nuôi cấy

Chlorella sp trong môi trường không Tris và tỉ lệ N:P tối ưu (15:1)

 Tốc độ sinh trưởng riêng μ cao nhất đạt được 0,064 (1/h) với thời gian nhân đôi tế bào nhanh nhất tg = 10,8 h, đồng thời nồng độ sinh khối cực đại cao nhất Xm = 3568 mg/L khi tỉ lệ dinh dưỡng N:P =15:1, trong môi trường không bổ sung Tris

 Tốc độ sinh trưởng riêng μ thấp nhất đạt được 0,037 (1/h) với thời gian nhân đôi tế bào lâu nhất tg=18,7 h, đồng thời nồng độ sinh khối cực đại thấp nhất

Xm= 583,5 mg/L khi tỉ lệ dinh dưỡng N:P =10:1, trong môi trường có bổ sung Tris

ABSTRACT

In recent years, microalgae industry has been developing rapidly in every country over the world Algae can be used to solve the problems of global warming, to solve the world crisis on depleting fossil fuels, arable land and CO2 emission, microalgae

is one of the crops cultivated that is able to perform efficiently

Chlorella sp was determined highly efficiency in treating pollution components,

biodiesel production, CO2 emission in the world In Vietnam, Chlorella sp was

studied by the previous authors This indicates that Chlorella sp is suitable for

climate condition in Vietnam and highly commercial

The thesis: “Effect of N:P ration and light cycle on microalgae biomass growth

in photobioreactor” was conducted as follow:

 To Access effect of Tris on microalgae biomass growth

 To determine optimum of N:P ratio for microalgae cultivation

 To determine kinetic of microalgae such as: Generation time (tg), specific growth rate (μ), duration of logarithmic growth phase (tlog), Maximum biomass concentration (Xm), Carbon fixation rate (mg/L.h)

The results indicate that:

 At the N:P ratio of 15:1 without Tris was the highest achievement with biomass concentration of 3568 mg/L after cultivation of 80 h, duration of lag growth phase of 20, h, duration of logarithmic growth phase of 60 h

 The growth of Chlorella sp in condition without Tris was better than with

Tris in cultivation process

 Tris is one of the buffers to stabilize pH in the range of 7.0-7.2 in condition with Tris pH was 5 at the end of cultivations in condition without Tris This

is limited value for the growth of Chlorella sp

 Tris is one of factor for competition of Protozoa in the cultivation of

Chlorella sp

 The occurrence of Protozoa causes the environmental cultivation having

green yellow This issue limits the growth rate of Chlorella sp

 DO in condition with Tris was lower than without Tris due to competition of Protozoa

 Dark phase in period extend duration of logarithmic phase of Chlorella sp

 Dark phase in period is limit of the biomass production of Chlorella sp

 Light cycle is one of the important factors to photosynthesis and the growth

of Chlorella sp

 Chlorella sp is not capacity for accumulating light energy to sustain the

growth in during dark phase, especially when dark phase occurs too long

 The highest carbon dioxide fixation rate was 68.9 mgCO2/L.h when

Chlorella sp was cultivated in condition without Tris and N:P ratio of 15:1

 The highest specific growth rate was 0.064 L/h with generation time of 10.8

h The highest biomass concentration was 3568 mg/L in condition without Tris and N:P ratio of 15:1

 The lowest specific growth rate was 0.037 L/h with generation time of 18.7

h The highest biomass concentration was 583.5 mg/L in condition with Tris and N:P ratio of 15:1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

 Luận văn này là sản phẩm nghiên cứu của tôi

 Số liệu trong luận văn được thực hiện trung thực

 Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Học viên

Nguyễn Thành Tín

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

ABSTACT ii

LỜI CAM ĐOAN ii i KÝ HIỆU - VIẾT TẮT x

DANH MỤC HÌNH ẢNH xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii

CHƯƠNG 1 1

MỞ ĐẦU 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2

1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

1.4 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 2

1.4.1 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

1.4.2 Ý nghĩa kinh tế và xã hội 3

CHƯƠNG 2 4

TỔNG QUAN 4

2.1 TỔNG QUAN VỀ VI TẢO 4

2.1.1 Thành phần chính của vi tảo 4

2.1.2 Ứng dụng của vi tảo 5

2.2 TỔNG QUAN VỀ TẢO CHLORELLA SP 9

2.2.1 Tảo Chlorella - nguồn thực phẩm 11

2.2.2 Tiềm năng ứng dụng sản xuất nhiên liệu sinh học 11

2.3 HỆ THỐNG NUÔI CẤY TẢO 12

2.3.1 Hệ hống mở - Open Pond 13

2.3.2 Hệ thống đóng - Closed Photobioreactor 14

2.4 NUÔI CẤY TẢO 20

2.4.1 Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nuôi cấy tảo 20

2.4.2 Sinh khối nuôi cấy của tảo 26

CHƯƠNG 3 29

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

3.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 29

3.2 MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 31

3.2.1 Mô hình photobioreactor tại phòng thí nghiệm 31

3.2.2 Môi trường nuôi cấy 33

3.2.3 Giống tảo 34

3.3 VẬN HÀNH MÔ HÌNH 35

3.3.1 Điều kiện vận hành 35

3.3.2 Quy trình thực hiện thí nghiệm 36

3.4 XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC VÀ TỐC ĐỘ CỐ ĐỊNH CO 2 37

3.4.1.Tốc độ sinh trưởng riêng μ (1/h): Vani Sankar (2011) 37

3.4.2Thời gian nhân đôi tế bào tg (h) 37

3.4.3 Thời gian sinh trưởng pha log tlog (h) 38

3.4.4 Nồng độ sinh khối đạt cực đại Xm (mg/L) 38

3.4.5 Tốc độ cố định CO2 RCO2 (mg/L.h) (Franco, 2007) 38

3.5 XÁC ĐỊNH TỈ LỆ N:P VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CHU KỲ (SÁNG:TỐI) ĐỐI VỚI QUÁ TRÌNH NUÔI TẢO 38

3.6 QUY TRÌNH LẤY VÀ PHÂN TÍCH MẪU 39

3.6.1 Vị trí và tần suất lấy mẫu 39

3.6.2 Phương pháp lấy mẫu, phân tích các chỉ tiêu thí nghiệm 39

CHƯƠNG 4 43

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43

4.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ N:P, Tris và sự biến đổi của pH, DO đến quá trình sinh trưởng của tảo Chlorella sp trong photobioreactor 43

4.1.1 So sánh quá trình sinh trưởng tảo trong môi trường có TRIS và không có TRIS 43

4.1.2 Sự thay đổi pH trong quá trinh sinh trưởng của tảo Chlorella sp trong mô hình photobioreactor ở các tỉ lệ N:P khác nhau 48

4.1.3 Sự thay đổi của DO trong quá trình sinh trưởng của tảo Chlorella sp trong mô hình photobioreactor ở các tỉ lệ N:P khác nhau 52

4.2 Ảnh hưởng của chu kỳ (sáng:tối) và sự biến đổi của pH lên quá trình 56

sinh trưởng của tảo Chlorella sp trong mô hình photobioreactor 56

4.2.1 Ảnh hưởng của chu kỳ (sáng:tối) lên quá trình sinh trưởng của tảo

Chlorella sp 56

4.2.2 Sự biến đổi của pH trong quá trình sinh trưởng của tảo Chlorella sp 59

4.3 Tốc độ cố định CO 2 của tảo Chlorella sp trong photobioreactor ở các tỉ lệ N:P và chu kỳ (sáng:tối) khác nhau 60

4.4 Các thông số động học của quá trình sinh trưởng của tảo Chlorella sp trong photobioreactor ở các tỉ lệ N:P khác nhau 62

4.5 Sự thay đổi hàm lượng N, P trong quá trình sinh trưởng của tảo Chlorella sp trong photobiorector ở các tỉ lệ N:P khác nhau 63

4.6 Sự hiện diện của Protozoa trong môi trường nuôi cấy Chlorella sp 64

CHƯƠNG 5 66

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

5.1 KẾT LUẬN 66

5.2 KIẾN NGHỊ 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

PHỤ LỤC 1 75

PHỤ LỤC 2 85

PHỤ LỤC 3 85

KÝ HIỆU - VIẾT TẮT

𝐌𝐂𝐎𝟐 Khối lượng phân tử của CO2

Rco 2 Tốc độ cố định CO2 (mg/L.h)

t0 Thời gian băt đầu nuôi cấy, t=0 (h)

tlog Thời gian kéo dài của pha log (h)

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Chlorella chụp dưới kính hiển vi 10

Hình 2.2 Hệ thống nuôi tảo dạng mở (Open pond) 14

Hình 2.3 Hệ thống photobioreactor dạng tấm phẳng (Flat-plate) 17

Hình 2.4 Hệ thống photobioreactor dạng ống (tubular) 18

Hình 2.5 Hệ thống photobioreactor dạng cột dọc (Vertical – colum) 19

Hình 2.6 Hệ thống nuôi tảo dạng Internally-Illuminated 20

Hình 3.1 Nội dung nghiên cứu 29

Hình 3.2 Mô hình photobioreactor 31

Hình 3.3 Cấu tạo cột photobioreactor 32

Hình 3.4 Đồ thị tuyến tính thể hiện sinh trường của tảo theo thời gian 37

Hình 3.5 Cách đếm số tế bào theo phương pháp Fuchs-Rosenthal and Burker 41

Hình 4.1 Nồng độ sinh khối của tảo Chlorella sp theo thời gian với 4 tỉ lệ N:P trong môi trường có bổ sung Tris 43

Hình 4.2 Nồng độ sinh khối của tảo Chlorella sp theo thời gian của 4 tỉ lệ N:P trong môi trường không bổ sung Tris 44

Hình 4.3 So sánh nồng độ sinh khối của Chlorella sp theo thời gian của 4 tỉ lệ N:P giữa môi trường có Tris và không Tris 46

Hình 4.4 Giá trị pH theo thời gian trong môi trường có Tris của 4 tỉ lệ N:P 48

Hình 4.5 Giá trị pH theo thời gian trong môi trường không Tris của 4 tỉ lệ N:P 48

Hình 4.6 Giá trị pH theo thời gian giữa môi trường có Tris và không Tris của 4 tỉ lệ N:P 50 Hình 4.7 Nồng độ oxy hòa tan (DO) theo thời gian trong môi trường có bổ Tris của 4 tỉ lệ N:P 52

Hình 4.8 Nồng độ oxy hòa tan (DO) theo thời gian của 4 tỉ lệ N:P trong môi trường có Tris 53

Hình 4.9 Nồng độ oxy hòa tan (DO) theo thời gian của 4 tỉ lệ N:P giữa môi trường có Tris và không Tris 54

Hình 4.10 Nồng độ sinh khối của tảo Chlorella sp theo thời gian với 4 chu kỳ sáng tối khác nhau trong môi trường không Tris 56

Hình 4.11 Nồng độ sinh khối của tảo Chlorella sp theo thời gian với 4 chu kỳ sáng tối khác nhau trong môi trường không Tris 56

Hình 4.12 Giá trị pH theo thời gian trong môi trường không Tris tại 4 chu kỳ (sáng:tối) khác nhau 59 Hình 4.13 Giá trị pH theo thời gian trong môi trường không Tris tại 3 chu kỳ (sáng:tối) khác nhau 59

Hình 4.14 Trùng Đế giày- Paramecium được quan sát ở vật kính 100X trong môi trường

nuôi cấy có bổ sung Tris 65 Hình 4.15 Protozoa được quan sát ở vật kính 40X trong môi trường nuôi cấy không Tris bị nhiễm khuẩn tại chu kỳ (sáng:tối)= 22:2 65

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Lượng dầu sản xuất từ một số loài vi tảo (Chisti, 2007) 5

Bảng 2.2 Năng suất sản xuất nhiên liệu sinh học từ loại cây trồng (Chisti, 2007) 8

Bảng 2.3 Hàm lượng dầu các loài tảo (% khối lượng khô) (Ayhan, 2011) 8

Bảng 2.4 Phân loại khoa học của tảo Chlorella sp (Hổ, 2008) 9

Bảng 2.5 So sánh về các điểm thuận lợi của hệ thống mở và hệ thống đóng (Wang, 2008) 13

Bảng 2.6 Ưu điểm và nhược điểm của các hệ thống nuôi tảo dạng closed photobioreactor (Ugwu, 2008) 15

Bảng 2.7 Năng suất nuôi tảo đối với các loại hệ thống đóng - Closed Photobioreactor khác nhau (Debabrata, 2011) 16

Bảng 2.8 Ảnh hưởng của vận tốc khí bề mặt tới sự sinh trưởng của tế bào tảo (Falinski, 2009) 22

Bảng 2.9 Khả năng hấp thu CO2 và nồng độ sinh khối cựa đại của các loại tảo (Debabrata, 2011) 24

Bảng 2.10 Năng suất nuôi cấy tảo trong các photobioreactor ngoài trời (Ugwu, 2008) 27

Bảng 3.1 Danh mục các thiết bị cho mô hình thí nghiệm 33

Bảng 3.2 Thành phần môi trường nuôi cấy (Ruan, 2011) 33

Bảng 3.3 Thành phần của Trace Elements (Haris, 1989) 34

Bảng 3.4 Hàm lượng N, P trong môi trường có bổ sung Tris theo các tỉ lệ N: P tương ứng 34

Bảng 3.5 Hàm lượng N, P trong môi trường không bổ sung Tris theo các tỉ lệ tương ứng 34

Bảng 3.6 Các thông số vận hành của mô hình cho cột photobioreactor 35

Bảng 3.7 Các thông số vận hành của mô hình cho cột photobioreactor 36

Bảng 3.8 Tần suất và vị trí lấy mẫu 39

Bảng 3.9 Phương pháp phân tích mẫu 42

Bảng 4.1 Tốc độ cố định CO2 trong các mẻ nuôi cấy với tỷ lệ N: P khác nhau với chu kỳ (sáng:tối)= 24:0 60

Bảng 4.2 Tốc độ cố định CO2 trong các mẻ nuôi cấy tại chu kỳ (sáng:tối) khác nhau trong môi trường không Tris 60

Bảng 4.3 Các thông số động học của Chlorella sp ở các tỉ lệ N:P khác nhau 62

Bảng 4.4 Hàm lượng N P ở các thời điểm khác nhau của môi trường nuôi cấy với các tỉ lệ N:P khác nhau 63

do tác động của các khí nhà kính: CO2, CH4, CFC, N2O, H2O… Trong đó ảnh hưởng CO2 gây ra là khá lớn, ảnh hưởng mạnh đến sự tăng nhiệt độ trái đất Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu sẽ gia tăng trong các thập niên sắp tới khi mà các quốc gia phát triển thải nhiều khí CO2 hơn Riêng nhiệt độ dọc theo vùng bán đảo Nam cực đã tăng thêm 2.50C trong vòng 50 năm qua Do đó , muốn giảm thiểu ô nhiễm không khí và giảm thiểu sự ấm lên của toàn cầu cần làm giảm phát thải CO2

Nhiều biện pháp xử lý được đưa ra để giảm thiểu hàm lượng CO2, tuy nhiên hiện nay ưa chuộng ứng dụng lĩnh vực sinh học để xử lý một số chất thải, đặc biệt trong trường hợp này ta sử dụng vi tảo để xử lý khí ô nhiễm, hấp thụ hàm lượng CO2 Mỗi

cá thể tảo là một nhà máy sinh học nhỏ xíu Chúng chuyển hóa CO2 và ánh sáng thành năng lượng bằng quá trình quang hợp Hoạt động chuyển đổi của chúng hiệu quả đến nỗi trọng lượng của chúng có thể tăng gấp nhiều lần trong một ngày Ngoài

ra, trong quá trình quang hợp, tảo còn sản xuất ra dầu Trên cùng một đơn vị diện tích, lượng dầu mà tảo tạo ra nhiều gấp 30 lần đậu nành Các động cơ diesel có thể đốt cháy trực tiếp dầu tảo Việc tiêu thụ CO2 và các khí nhiên liệu khác bởi vi tảo đã nổi lên như một công nghệ đầy hứa hẹn cho việc kiểm soát phát thải từ các nhà máy nhiệt điện Carbon cố định bởi vi tảo thì được chuyển hóa thành carbonhydrate, lipid, và protein, do đó, năng lượng, hóa chất, hoặc thực phẩm cũng có thể được sản xuất từ sinh khối tảo Quá trình chuyển hóa sinh khối tảo thảnh các sản phẩm hữu dụng sẽ chủ động làm giảm sự phụ thuộc vào các nhiên liệu hóa thạch

Giải pháp này vừa tạo ra nhiên liệu sinh học, vừa làm sạch môi trường Hàm lượng protein, carbohydrate, lipid cao của một số loại tảo đã thúc đẩy việc nghiên cứu với

hàng loạt những mục đích thương mại Việc sản xuất nhiên liệu sinh học từ vi tảo vừa cung cấp thêm một loại nhiên liệu mới khi mà trữ lượng dầu mỏ trên thế giới đang dần cạn kiệt, hơn nữa, thực tế cũng cho thấy, nhiên liệu sinh học có thể giảm thiểu được hiệu ứng nhà kính do độ phát thải khí SOx, NOx, HC ít hơn so với xăng truyền thống, đáng kể là CO2 giảm hơn đến 30% Nắm bắt được những lợi thế, tiềm năng đem lại từ vi tảo nhóm đã thực hiện nghiên cứu này

Đề tài nghiên cứu: “Ảnh hưởng của tỉ lệ N:P và chu kỳ chiếu sáng lên quá trình

sinh trưởng của tảo Chlorella sp trong mô hình photobioreactor” giúp tìm ra

các thông số tối ưu cho sự phát triển của vi tảo, làm tăng hiệu quả của các công trình nuôi tảo với mục đích thu hoạch sinh khối,phát triển tiềm năng sản xuất nhiên

liệu sinh học

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài: Xác định tỉ lệ N:P tối ưu, đánh giá ảnh hưởng của Trishydroxymethyl aminomethane (C4H11N03), chu kỳ chiếu sáng tối ưu lên quá

trình sinh trưởng của tảo Chlorella sp trong mô hình photobioreactor

Ngoài ra, kết quả nghiên cứu còn đưa ra phương pháp luận để phục vụ cho các nghiên cứu tiếp theo về ứng dụng vi tảo trong việc sản xuất sinh khối

1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu được tiến hành trong phạm vi phòng thí nghiệm với 2 cột photobioreactor.Cột photobioreactor chứa môi trường nước thải nhân tạo có thành phần dinh dưỡng xác định, nghiên cứu về quá trình sinh trưởng và phát triển của vi tảo khi thay đổi các điều kiện môi trường nuôi cầy, sự ảnh hưởng của Tris cũngnhư chu kì chiếu sáng trong quá trình nuôi tảo

1.4 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

1.4.1 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đề tài đưa ra các thông số tối ưu cho quá trình phát triển của tảo Chlorella sp., qua

đó nâng cao năng suất của tảo trong việc nuôi cấy cho mục đích sản xuất sinh

khốilàm nhiên liệu sinh học Ngoài ra đề tàicòn làm cơ sở cho các nghiên cứu

chuyên sâu tiếp theovề một công nghệ xanh hứa hẹn đầy tiềm năng: công nghệ vi tảo

1.4.2 Ý nghĩa kinh tế và xã hội

Nhiên liệu hóa thạch đang dần bị cạn kiệt, nồng độ CO2 trong không khí ngày một gia tăng,nhiều công nghệ xử lý, nhiều nguồn năng lượng mới đã được đưa ra nhưng tiêu tốn kinh tế khá cao Công nghệ vi tảo vừa giảm thiểu được khí CO2 và một số khí nhà kính khác, vừa tận dụng các nguồn này làm dinh dưỡng cho quá trình phát triển sinh khối Nhiên liệu sinh học từ vi tảo đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới Đây là một công nghệ có chi phí thấp, có nhiều ứng dụng và góp phần làm giảm áp lực cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN

2.1 TỔNG QUAN VỀ VI TẢO

Vi tảo có kích thước rất nhỏ (μm) tế bảo tảo thường sinh trưởng trong nước Tế bảo

vi tảo có thể nhân đôi trong mỗi giờ (vài giờ) trong suốt giai đoạn sinh trưởng Thực

tế thấy rằng nó sinh trưởng rất nhanh con người có thể tận dụng ưu điểm này Vi tảo được biết là chứa một lượng lớn lipid trong cấu trúc tế bào và được dùng làm nguyên liệu dầu sinh học (Chisti, 2007)

Vi tảo là sinh vật đơn bào-quang hợp Vi tảo là một loại sinh vật phù du, là cơ sở của chuỗi thức ăn trong môi trường biển Vì vậy, chúng không thể thiếu trong môi trường biển Chúng sản xuất khoảng một nửa lượng oxy trong khí quyển đồng thời

sử dụng khí carbon dioxide-loại khí gây hiệu ứng nhà kính để tăng trưởng quang hợp tự dưỡng(Wagenigen University, 2011).Vi tảo được biết là có chứa một lượng lớn lipid trong cấu trúc tế bào vì vậy chúng đang ngày càng được quan tâm làm nguyên liệu nhiên liệu sinh học Điều làm cho vi tảo là trở nên đáng quan tâm là việc sinh trưởng gấp đôi sinh khối vài giờ trong giai đoạn tăng trưởng hàm mũ

2.1.1 Thành phần chính của vi tảo

Tế bảo vi tảo là loại tế bào eukaryotic (tế bào nhân thực) chứa những cơ quan như diệp lục, nhân Sinh khối của vi tảo chứa một số hợp chất như protein và lipid là các thành phần cấu thành lên các bào quan Từ thành phần của sinh khối cho ta thấy loại tảo nào là hữu ích nhất cho từng mục đích sử dụng Ví dụ, như ta đã biết dầu sinh học được làm từ dầu vi tảo Do đó nếu vi tảo chứa thành phần protein cao trong khi lipid lại thấp thì cũng không thể sử dụng để sản xuất nguyên liệu sinh học

Sinh khối tảo chứa 3 thành phần chính là: cacbonhydrate, protein và lipid (dầu tự nhiên) Dầu tự nhiên làm từ tảo có dạng triacylglycerides, là loại rất tốt để sản xuất nhiên liệu sinh học, vì thế trong các loại tảo thì vi tảo được tập trung để sản xuất nguyên liệu sinh học (Chisti, 2007) Vi tảo tăng trưởng rất nhanh so với các loại cây trồng trên cạn Nó thường nhân đôi trong 24h, trong giai đoạn tăng trưởng đỉnh điểm, một số vi tảo có thể nhân đôi trong 3,5h (Chisti, 2007) Lượng dầu của vi tảo thường là từ 20 – 50% (khối lượng khô) theo Bảng 2.1 Trong đó một số loài vi tảo khác có thể đạt cao hơn đến 80% (Metting, 1996)

Các loại acid béo thuộc dạng triacylglycerides trong các tế bào tảo có thể là những mạch hydrocarbons ngắn và dài Acid mạch ngắn rất lý tưởng cho việc tạo ra dầu diesel sinh học, còn acid mạch dài có thể có những hữu ích khác Ví dụ, vài loài tảo được phát hiệncó khả năng sản xuất ra axit béo omega-3 cũng như DHA (docosabexanoic acid)

Bảng 2.1 Lƣợng dầu sản xuất từ một số loài vi tảo (Chisti, 2007)

về các ứng dụng Thực tế, tảo là một trong những loài sinh trưởng nhanh nhất trên thế giới, điều này khiến cho các nhà nghiên cứu quan tâm đến vấn đề nuôi tảo Tảo cũng có thể được sử dụng cho các mục đích thương mại Hầu hết các nghiên cứu hiện hành về vi tảo là quá trình chiết xuất sinh khối tảo cho nhiên liệu sinh học (Demibas, 2010)

2.1.2.1 Thực phẩm và các sản phẩm dinh dưỡng

Tảo biển thường sử dụng làm thức ăn cho cả người và vật nuôi Ví dụ như tảo biển thường được dùng trong ngành điều chế thực phẩm tại Châu Á Tảo biển rất giàu vitamin, bao gồm A, B1, B2, B6, C và niacin Tảo cũng rất giàu iot, K, Fe, Mg và Ca (Poulickova, 2008) Một nghiên cứu đã sử dụng vi tảo và macroalgae trong việc sản xuất nuôi trồng hải sản trên đất liền (Shpigel và Neori, 2000) Nhiều loại tảo cũng

giàu acid béo omega-3, và được sử dụng như là thức ăn bổi sung và cũng là 1 thành phần của thức ăn chăn nuôi Sinh khối tảo có thể chứa hàm lượng cao các vitamin như B12 và β-carotene, khoáng chất và protein (Belay, 1992).Nó có thể chứa các axit amin thiết yếu như DHA và EPA (Wen, 2003) Tốc độ tăng trưởng tảo cũng là một điểm đáng lưu ý cho sự lựa chọn làm thực phẩm bổ sung

2.1.2.2 Loại bỏ dinh dưỡng và làm phân bón

Ngoài việc cung cấp dinh dưỡng, tảo cũng được sử dụng cho các ứng dụng khác như làm phân bón và kiễm soát ô nhiễm Một số loài tảo có thể ứng dụng để làm phân bón hữu cơ, hoặc ở dạng thô hoặc ở dạng bán phân hủy (Riesing, 2006) Tảo

có thể nuôi trong hồ để xử lý dòng thải phân bón từcác trang trại; tảo rất giàu dinh dưỡng nên ta có thể tận dụng để tái sử dụng làm phân bón, một cách để giảm chi phí trong nuôi trồng Từ lâu vi tảo đã được sử dụng để xử lí trong ao và đầm bằng việc loại bỏ các chất dinh dưỡng dư thừa như nitơ và photphat từ nước thải động vật, đặc biệt là trong các trang trại chăn nuôi heo và bò sữa, đây là những nơi có nồng độ ô nhiễm nito và photphat cao (Kebede, 2006) Sinh khối tảo có thể sử dụng để xử lí kim loại nặng gây ô nhiễm như uranium Tại các nhà máy xử lí nước thải, vi tảo có thể sử dụng để giảm lượng hóa chất độc hại sử dụng cho việc làm sạch và tăng độ tinh khiết của nước (Ahluwalia, 2007)

2.1.2.3 Xử lí nước thải và độc chất

Vi tảo cũng có nhiều ứng dụng khác Một nghiên cứu sử dụng sự phát triển của tảo làm chỉ thị cho 2 nhà máy; nhà máy mạ nhôm và nhà máy dược phẩm (Sacan, 2006) Phát triển mối tương quan giữa sự sinh trưởng của tảo và độc chất là một cách đơn giản để đo và xác định các chất ô nhiễm trong dòng thải nếu các nhà máy phát thải trong phạm vi cho phép – theo tiêu chuẩn kiểm soát ô nhiễm nước củaThổ Nhĩ Kì (Sacan, 2006) Tương tự như vậy, tảo cũng đã được sử dụng để đánh giá mức độ ổn định của đầu ra của một nhà máy công nghiệp lọc dầu (Joseph, 2001) Tế bào tảo được giữ trong hồ nước thải, nơi mà dòng thải bị phú dưỡng tạo điều kiện

để tảo phát triển tốt nở hoa liên tục

Nitơ và photpho là các nhân tố dinh dưỡng chính, cần thiết cho sự phát triển của tảo Tảo có khả năng xử lý nhiều chất gây ô nhiễm như kim loại nặng, thuốc nhuộm,

và nó đã được chứng minh là có khả năng loại bỏ dinh dưỡng cao Nitơ và photpho trong nước thải quá dư sẽ gây ra các vấn đề sinh thái như hiện tượng phú dưỡng.Phương pháp xử lý nước thải bằng tảo có nhiều lợi thế hơn phương pháp truyền thống như chi phí năng lượng thấp, giảm phát thải khí nhà kính (Christenson, 2011)

Hiệu quả xử lý nước thải của tảo phụ thuộc rất nhiều vào việc sản xuất và thu hoạch tảo Thông thường quá trình xử lý nước thải phải trải qua các quá trình như nitrat hóa và khử nitơ, nhưng tảo giữ lại các hợp chất nitơ trong sinh khối của nó.Điều này giúp cho việc sản xuất ra các sản phẩm nhiên liệu sinh học như ethanol sinh học (Christenson, 2011)

2.1.2.4 Giảm thiểu khí CO 2 phát thải

Tảo có thể được sử dụng để giảm bớt sự phát thải CO2 từ nhà máy (Briggs 2004) Than đá, cho đến nay là nguồn tài nguyên năng lượng hóa thạch lớn nhất trên thế giới Khoảng một phần tư lượng thancủa thế giới được tiêu thụ tại Mỹ Sự tiêu thụ than sẽ tiếp tục tại Mỹ và cả trên thế giới Thông qua quá trình quang hợp, tảo sẽ hấp thụ CO2 và thải ra O2, nếu nơi nươi trồng tảo gần nhà máy điện thì CO2 của nhà máy phát ra sẽ được sử dụng như là nguồn carbon cho sự sinh trưởng của tảo(Danielo 2005)

Như đã nói ở trên, lượng CO2 phát thải có thể được hấp thụ và được sử dụng cho sự

phát triển của tảo Hơn nữa, nhiên liệu sinh học và các chất chuyển hóa thứ cấp

khác có thể được sản xuất với mục đích thương mại Sử dụng vi tảo để giảm CO2 là một công nghệ để giữ nguồn carbon Sự nóng lên toàn cầu đã đạt đến một mức độ đáng báo động do sự thay đổi trong môi trường toàn cầu.Quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu sinh lượng khí thải CO2 lớn nhất trên toàn cầu Nó chứa NOx, SOx, CO2 và nhiều bụi (Das, 2011)

2.1.2.5 Nhiên liệu sinh học

Khai thác vi tảo cho các mức năng lượng sinh học (biodiesel, biomethane, biohydrogen và ethanol sinh học), hoặc kết hợp để sản xuất nhiên liệu sinh học và làm giảm nhẹ CO2 vẫn còn đang được nghiên cứu, nhưng con người đã sử dụng vi tảo cả thiên nhiên kỷ trước Họ sử dụng làm thực phẩm và làm thức ăn sống trong nuôi trồng thủy sản để sản xuất động vật thân mềm, cho các giai đoạn sinh trưởng của bào ngư, giáp xác, một số loài cá và động vật phù du Dinh dưỡng bổ sung từ vi tảo bao gồm các hợp chất như β - carotene, astaxanthin, axit béo không bão hòa (PUFA) như DHA và EPA và polysaccharides như β - glucan (Spolaore, 2006)

Để giải quyết cuộc khủng hoảng nhiên liệu hóa thạch, diện tích đất canh tác trên thế giới (so với Mỹ) (Chisti, 2007) và việc phát thải CO2(Das, 2011) thì việc nuôi trồng

vi tảo để giải quyết hai vấn trên là có hiệu quả Sinh khối vi tảo có thể được trích ra

để sản xuất dầu biodiesel rất cần thiết cho thế giới Vi tảo cho sản lượng dầu cao trên một diện tích đất giới hạn Bảng 2.2 cho thấy vi tảo với 70% dầu tính theo

trọng lượng sinh khối có thể sản xuất gấp 23 lần sản lượng dầu mỗi diện tích đất so

với vụ cây trồng cao nhất, dầu cọ Hàm lượng dầu trong vi tảo, Schizochytrium sp

có thể đạt cao là 77% theo Bảng 2.3

Tùy thuộc vào loài, vi tảo sản xuất nhiều loại chất béo và dầu khác nhau Không phải tất cả các loại dầu chiết xuất từ tảo đều đạt yêu cầu để làm dầu biodiesel Chất béo từ tảo thường bao gồm glycerol, đường, hoặc các chất este hóa của các acid béo

có số carbon trong khoảng C12 - C22 Chúng có thể không bão hòa hoặc bão hòa Các yếu tố dinh dưỡng và môi trường có thể ảnh hưởng đến cả tỷ lệ tương đối của các axit béo cũng như khối lượng tổng (Gouveia, 2008).Tất cả các chất béo từ tảo chủ yếu gồm các axit béo không bão hòa (50-65%) và một tỷ lệ phần trăm đáng kể của acid palmitic (C16: 0) cũng có mặt (17-40%) Trong số các axit béo không bão hòa, đặc biệt chú ý tới acid linolenic (C18:3) và acid polyunsaturated (4 doublebonds)

Bảng 2.2 Năng suất sản xuấtnhiên liệu sinh học từ loại cây trồng(Chisti, 2007)

(L/ha)

Diện tích đất trồng cần thiết (M ha)

a 70% dầu (tính bằng khối lượng) trong sinh khối

b 30% dầu (tính bằng khối lượng) trong sinh khối

Bảng 2.3 Hàm lƣợng dầu các loài tảo (% khối lƣợng khô)(Chisti, 2007)

2.2 TỔNG QUAN VỀ TẢO CHLORELLA SP

Chlorellasp là một chi của tảo xanh đơn bào, thuộc về ngành Chlorophyta

Chlorella có dạng hình cầu, đường kính khoảng 2-10 μm và không có tiên mao.Chlorella có màu xanh lá cây nhờ sắc tố quang hợp chlorophyll -a và b trong lục lạp.Thông qua quang hợp nó phát triển nhanh chóng khi chỉ cần CO2, nước, ánh sáng mặt trời, và một lượng nhỏ các khoáng chất để tái sản xuất Tên Chlorella được lấy từ tiếng Hy Lạp "chloros" có nghĩa là màu xanh lá cây và phần hậu tố lấy

từ tiếng Latin có nghĩa là "nhỏ bé"

Bảng 2.4 Phân loại khoa học của tảo Chlorella sp.(Hổ, 2008)

Hình 2.1.Chlorella chụp dưới kính hiển vi

Nhiều bộ gen của các loại tảo xanh (diệp lục) đã được giải mã (ví dụ như

Chlamydomonas, Micromonas hay Ostreicoccus) trong khi bộ gen của tảo lục Chlorella với tiềm năng kinh tế lớn nhất nhờ các ứng dụng đa dạng và kinh tếđến

nay vẫn chưa được thực hiện

Phân tích bộ gen của tảo lục Chlorella cho thấy có 9791 gen protein, bằng tổng số lượng gen của tảo Micromonas Những thông tin di truyền này giúp hợp lý hóa việc

sử dụng tảo lục Chlorella trong nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau Việc đối

chiếu phân tích với các bộ gen của nhiều loại tảo xanh khác nhau hiện nay cũng giúp phác thảo được chân dung di truyền của loài tảo tổ tiên chung của chúng Ở tảo thủy tổ dường như đã tập trung được phần lớn đặc điểm sinh học tổng hợp các kích thích tố cần thiết cho sinh trưởng và phát triển thực vật trên cạn

Việc giải mã bộ gen tảo Chlorella còn phát hiện một số lượng gen tương đối chi

phối hoạt động tổng hợp protein lông roi Điều này cho thấy trước đó tảo lục

Chlorella có thể đã hình thành một chu kỳ giới tính mà đến nay vẫn chưa được

khám phá ra Ngoài ra, khả năng tổng hợp kitin của tảo lục Chlorella cũng rất có

khả năng được thừa hưởng từ một loài virus - bản thân virus này cũng có enzym kitinaza để đảm bảo độc quyền kí sinh vật chủ của nó so với các loài khác không có khả năng đục xuyên vỏ Cơ chế “độc quyền” này là minh chứng cho một phương thức cùng tiến hóa mới giữa virus và vật chủ

2.2.1 Tảo Chlorella - nguồn thực phẩm

Chlorella có tiềm năng và có thể được sữ dụng như là một nguồn của thực phẩm và

năng lượng vì nó có khả năng quang hợp hiệu quả , trên lý thuyết có thể đạt 8%, có thể cạnh tranh với các cây trồng khác như cây mía Đây cũng là một nguồn thức ăn hấp dẫn bởi vì nó có hàm lượng protein cao và các chất dinh dưỡng thiết yếu khác; khi sấy khô, nó chứa khoảng 45% protein , 20% chất béo , 20% carbohydrate , 5% chất xơ, 10% chất khoáng và vitamin Tuy nhiên, vì nó là một loại tảo đơn bàonên việc sản xuất trên quy mô công nghiệp để làm thực phẩm đặt ra nhiều khó khăn Sau những lo ngại toàn cầu về sự bùng nổ dân số không kiểm soát được, trong thời

gian cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950,Chlorella đã được xem như là

một nguồn thực phẩm chính đầy hứa hẹn, như một giải pháp khả thi đến với thế giới đang khủng hoảng vì nạn đói Nhiều người trong thời kỳ này cho rằng nạn đói trên

thế giới đang gia tăng và Chlorella là một cách để chấm dứt cuộc khủng hoảng này

bằng việc có thể cung cấp số lượng lớn thực phẩm chất lượng cao đối với một chi phí tương đối thấp

Chlorella là một protein hoàn chỉnh Lúc đầu, Chlorella đã được đề xuất như là

một loại protein “rẻ” bổ sung vào chế độ ăn uống của con người Tuy nhiên, sau đó

nghiên cứu đã chứng minh khác Chlorella sẽ mất đi phần lớn giá trị dinh dưỡng

của nó khi bị thay đổi hoặc xử lý bằng những cách khác nhau

2.2.2 Tiềm năng ứng dụng sản xuất nhiên liệu sinh học

Hàm lượng dầu trong tảo Chlorella sp là từ 28 đến 32 % khối lượng khô (Ayhan, 2010) Tổng hợp axit béo trong thành của Chlorella, cũng như trong tất cả các

Chlorophyta, phụ thuộc oxy và sản xuất chủ yếu là axit béo có độ dài chuỗi từ 16

đến 22 nguyên tử carbon Các yếu tố như chất dinh dưỡng tập trung, độ mặn, cường

độ ánh sáng, và nhiệt độ ảnh hưởng đến các đặc tính chất béo hiện diện trong các tế bào Trong tế bào tảo, chất béo trung tính (triglycerides) được sử dụng như một hình thức lưu trữ carbon và năng lượng, trong khi phospholipid và glycolipid trong lớp lipid cực, có chức năng hình thành các màng tế bào và lục lạp Mặc dù lipid có cực

có thể được làm dầu biodiesel, nguyên liệu truyền thống triglycerides Do đó, chất béo không cực là thành phần không mong muốn trong tảo

Otsuka và Morimura (1966)đã nuôi cấy Chlorella ellipsodea để chứng minh sự thay

đổi trong thành phần acid béo qua các giai đoạn sinh trưởng của tế bào Kết quả theo dõi acid béo, sắp xếp theo các giai đoạn tăng trưởng, cho thấy có một sự thay đổi trong mối quan hệ phân phối acid béo có cực và không cực trong quá trình tăng trưởng của tế bào Sự tích tụ của chất béo có cực diễn ra trong giai đoạn phát triển,

nơi mà sự tích tụ acid béo không cực là một sự tích tụ năng lượng dự trữ trước khi phân chia tế bào Guckert và Cooksey (1990) thực hiện các thí nghiệm cho thấy

thành phần acid béo của Chlorellasp thay đổi theo pH Mục đích của thí nghiệm

này là để tìm ra các axit béo thay đổi với sự thiếu hụt nitơ và silicat có thể làm tăng lipid trung tính trong diatoms như thế nào Thay vào đó, nghiên cứu đã tìm thấy rằng các chất béo trung tính đã tích lũy trước khi bất kỳ sự thiếu hụt nitơ nào có thể xảy ra Sự tích tụ lipid thường xảy ra vì sự phát triển của chu kỳ tế bào bị ức chế tại một số điểm và phân chia tế bào bị trì hoãn Trong thời gian này, các tế bào tiếp tục

để thực hiện và lưu trữ chất béo với chức năng của từng bộ phận, do đó hàm lượng lipid trung tính sẽ tăng Các thí nghiệm cho thấy rằng môi trường nuôi cấy có giá trị

pH cao hơn sẽ làm chậm tăng trưởng và nồng độ tế bào thấp hơn

2.3 HỆ THỐNG NUÔI CẤY TẢO

Nuôi cấy tảo trong ao nuôi mở sớm được thực hiện ở Đức trong chiến tranh thế giới lần II Vào lúc đó, tảo được nuôi trồng chủ yếu làm thực phẩm bổ sung Lúc công nghiệp bắt đầu, một số nhóm nhân viên trong Viện Carnegie tại Wasington thực hiện nuôi cấy tảo tạo sinh khối và giảm thiểu khí thải CO2 Giữa những năm 1970

và cuối những năm 1970, sản xuất tảo vì mục đích thương mại được bắt đầu ở Đông

Âu, Israel và Nhật Bản

Mối quan tâm trong vấn đề nuôi tảo cho các mục đích sử dụng ngày càng tăng Tảo

có thể được sử dụng cho mục đích thương mại hoặc công nghiệp, sự quan tâm về khía cạnh như một nhiên liệu sinh học có khả năng tái tạo đã được phát triển nhanh chóng Tuy nhiên, vi tảo cần một vài yếu tố để phát triển Khi quang hợp tảo cần năng lượng ánh sáng, CO2, H2O, muối hữu cơ Nhiệt độ trong khoảng 15 – 300C là tốt nhất cho sự phát triển (Li,2007) Vài loại tảo có thể sinh trưởng trong điều kiện không có ánh sáng, sử dụng nguồn cacbon hữu cơ thay cho việc sử dụng nguồn carbon vô cơ CO2, là loài sinh trưởng dị dưỡng Tuy nhiên để giảm thiểu chi phí, tảo thường sử dụng ánh sáng tự nhiên, mặc dù nó có năng suất thấp trong ngày và cường độ chiếu sáng biến đổi theo mùa vụ Môi trường sinh trưởng cần chứa dưỡng chất như: N, PO43-

, Fe (Grobbelaar, 2004) cho tảo phát triển Với quy mô sản xuất tảo lớn, tế bào tảo được khuấy trộn liên tục để ngăn chặn sinh khối tảo lắng xuống (Molina, 1999) và dưỡng chất được cung cấp trong suốt ngày chiếu sáng khi tảo đang sinh trưởng phát triển Tuy nhiên, 1/4 sinh khối tảo sinh ra trong ngày có thể

bị mất do quá trình hô hấp trong đêm Hiện này tảo thường được nuôi trong hồ mở (Open Pond), hoặc trong hệ thống đóng (Closed Photobioreactors) Mỗi một hệ

thống đều có ưu và nhược điểm riêng của nó Bảng 2.5 cho tháy các điểm thuận lợi của hệ thống mở và hệ thống đóng

Bảng 2.5.So sánh về các điểm thuận lợi của hệ thống mở và hệ thống đóng(Wang,

2009)

Tính đa dạng trog nuôi

Quá trình kiểm soát Khó kiểm soát Có khả năng kiểm soát

được

Sự phụ thuộc khí hậu Dài,thích hợp từ 6-8 tuần Không quan trọng vì sự

điều chỉnh sản phẩm của

hệ thống này có thể trong môi trường xấu

Nồng độ sinh khối Thấp từ 0,1-0,2g/L Cao từ 2-8g/L

Hiệu suất xử lý Thấp, tốn nhiều thời gian Cao, thời gian ngắn

2.3.1 Hệ hống mở - Open Pond

Hồ mở là hệ thống sử dụng lâu nhất và đơn giản nhất để nuôi vi tảo Trong hệ thống này, hồ được thiết kế nông với chiều sâu là 30 cm, tảo được nuôi dưới điều kiện đồng nhất trong môi trường tự nhiên Trồng tảo trong hồ mở đã được nghiên cứu rộng rãi trong vài năm qua (Boussiba, 1988).Hồmở có thể là các vùng nước tự nhiên như: hồ, đầm, ao, hồ nhân tạo hoặc bể chứa Các hệ thống được sử dụng phổ biến nhất bao gồm các ao lớn nông, bể chứa, ao tròn và ao mương

Hồ mở được thiết kế dạng “raceway” hoặc theo cấu hình “track” Với thiết kế

“Raceway” thường được làm từ bê tông, hoặc đơn giản hơn là chỉ cần đào một cái

hồ sau đó phủ lên 1 lớp lót nhựa để ngăn chặn nước thấm vào đất Vách ngăn trong kênh dẫn hướng dòng chảy theo đường zích zắc, để giảm thiểu không gian và chi phí Dụng cụ được thêm vào phía trước guồng thủy lực, và tảo được thu hoạch phía sau guồng, sau khi dòng chảy thực hiện một vòng lặp

Hình 2.2.Hệ thống nuôi tảo dạng mở (Open pond)

Một trong những lợi thế chính của hồ mở là chúng được xây dựng và hoạt động dễ dàng hơn so với hầu hết các hệ thống kín Tuy nhiên, hạn chế lớn trong ao mở bao gồm việc hạn chế sử dụng ánh sáng của các tế bào, tổn thất bay hơi, khuếch tán CO2vào bầu khí quyển, và cần các khu vực đất đai rộng lớn Hơn nữa, sự nhiễm bẩn và

sự phát triển nhanh của các sinh vật dị dưỡng đã hạn chế sản xuất thương mại của tảo trong hệ thống nuôi cấy tảo trong hồ mở Ngoài ra, do cơ chế khuấy trộn không hiệu quả trong các hệ thống hồ mở, hiệu suất truyền khối của chúng rất kém dẫn đến năng suất sinh khối thấp (Ugwu, 2008) Bên cạnh đó, sinh khối bị giới hạn là do sự cạnh tranh của các loại tảo khác cũng như các vi sinh vật ăn tảo Điều kiện nuôi cấy tối ưu khó để duy trì trong ao mở(Molina, 1999)

2.3.2 Hệ thống đóng - Closed Photobioreactor

Với những ưu điểm của các hệ thống đóng, photobioreactor đã được đề xuất và quan tâm nhiều hơn Hệ thống photobioreactor cho phép kiểm soát điều kiện nuôi cấy tốt so với hệ thống mở Với hệ thống photobioreactor, năng suất sinh khối thu được cao hơn và việc nhiễm khuẩn từ các vi sinh vật khác có thể dễ dàng được xử

lý hơn Hiện nay đã có khá nhiều hệ thống photobioreactor được khảo sát, tuy nhiên chỉ có rất ít trong số chúng có thể sử dụng năng lượng mặt trời hiệu quả để sản xuất sinh khối tảo Do đó một trong những thất bại lớn trong sản xuất sinh khối tảo là thiếu hệ thống photobioreactor hoạt động hiệu quả Để có thể cải thiện năng suất tảo,cần phải có một sự hiểu biết cặn kẽvể khía cạnh thủy động lực học và truyền khối trong photobioreactor Hầu hết hệ thống photobioreactor ngoài trời tiếp xúc ánh sáng trực tiếp trên bề mặt hệ thống Do đó, các hệ thống photobioreactor dạng tấm phẳng, cột, nghiêng đã được thiết kế để giải quyết khó khăn trong việc mở rộng

Thu hoạch Thức ăn Cánh khuấy

Vách ngăn chuyển

dòng

quy mô Ngoài ra, các hệ thống photobioreactor với hệ thống sục khí dạng bọt hoặc dùng bộ khuấy có khả năng tồn tại các khu vực không được chiếu sáng tốt Theo nghiên cứu của Ugwu (2008), một số kiểu thiết kế photobioreactor dưới đây thật sự hứa hẹn cho việc sản xuất sinh khối tảo Bảng 2.6 cho thấy những ưu điểm và nhược điểm của các loại Closed Photobioreactor

Bảng 2.6.Ƣu điểm và nhƣợc điểm của các hệ thống nuôi tảo dạng closed photobioreactor(Ugwu, 2008)

Dạng tấm phẳng

(Flat-plate)

Diện tích bề mặt chiếu sáng lớn, thích hợp cho môi trường nuôi cấy ngoài trời, tốt cho cố định của tảo, đường dẫn ánh sáng tốt, năng suất sinh khối tốt, tương đối rẻ,dễ dàng để làm sạch, dễ làm mát, oxy tích tụ thấp

Quy mô rộng yêu cầu nhiều ngăn và hỗ trợ vật liệu, khó khăn trong việc kiểm soát nhiệt độ môi trường, khả năng tăng thủy động lực học cho một số chủng tảo

Ống (Tubular) Diện tích bề mặt chiếu sáng

lớn, thích hợp cho môi trường nuôi cấy ngoài trời , năng suất sinh khối khá tốt , tương đối rẻ

Các gradient pH, oxy hòa tan và CO2 dọc theo ống, ô nhiễm, đòi hỏi không gian đất lớn

Cột dọc

(Vertical-colum)

Truyền khối cao, xáo trộn với áp lực thấp, tiêu thụ năng lượng thấp, khả năng mở rộng cao, dễ dàng để khử trùng, sẵn sàng chịu nhiệt, tốt cho việc cố định của tảo, giảm sự ức chế của ánh sáng

và oxi hóa của ánh sáng

Diện tích chiếu sáng bề mặt nhỏ, thiết kế đòi hỏi thiết bị xáo trộn tinh vi, giảm diện tích bề mặt chiếu sáng khi

mở rộng quy mô

Ngoài ra, theo nghiên cứu của Das(2011) thì chế độ vận hành và các dạng thiết kế trong hệ thống đóng Closed Photobioreactor cũng ảnh hưởng đến năng suất nuôi trồng tảo Bảng 2.7 dưới đây cho thấy năng suất nuôi tảo đối với các hệ thống đóng khác nhau

Bảng 2.7 Năng suất nuôi tảo đối với các loại hệ thống đóng - Closed Photobioreactor khác nhau (Das, 2011)

ứng

Năng suất nuôi tảo (g/L.ngày)

Phaeodactylum tricomutum Liên tục Dạng ống 200 1,9

Phaeodactylum tricomutum Liên tục Dạng ống khí nâng 200 1,2

Phaeodactylum tricomutum Liên tục Dạng ống xoắn 75 1,4

Nanochloropsis Liên tục Dạng bảng phẳng 440 0,27

Haematococcus pluvialis Liên tục Dạng ống 25.000 0,052

Spirulina platenis SP-G Bán liên tục Dạng ống xoắn 21 0,4

Chlorella sorokiniana Liên tục Dạng bảng phẳng 1,6 12,2

Haematococcus

pluvialis Liên tục Dạng khí nâng 50 0,7

2.3.2.1 Hệ thống photobioreactor dạng tấm phẳng (Flat-plate)(Ugwu, 2008)

Photobioreactor dạng tấm phẳng đã nhận được nhiều sự quan tâm cho việc nuôi cấy các vi sinh vật quang hợp do diện tích bề mặt chiếu sáng lớn của chúng Các nghiên cứu của Milner(1953) mở đường cho việc sử dụng dạng tấm phẳng để nuôi tảo Sau nghiên cứu này, Samson và Leduy (1985) đã phát triển thiết bị phản ứng dạng phẳng được trang bị đèn huỳnh quang Một năm sau, Ramos de Ortega và Roux(1986) đã phát triển thiết bị phản ứng dạng phẳng ngoài trời bằng cách sử dụng vật liệu PVC trong suốt dày Dần dần hệ thống photobioreactor dạng tấm phẳng ngày càngứng dụng cho việc nuôi trồng các loại tảo khác nhau theo các nghiên cứu của Tredic(1992); Hu (1996) hay Zhang (2002) Nhìn chung photobioreactor dạng tấm phẳng được làm bằng chất liệu trong suốt để sử dụng tối

đa năng lượng ánh sáng mặt trời Ngoài ra việc tích lũy nồng độ oxy hòa tan trong các photobioreactor dạng tấm phẳng là tương đối thấp so với photobioreactor dạng ống Các nghiên cứu cho thấy photobioreactor dạng tấm phẳng đạt hiệu quả quang hợp cao (Hu, 1996; Richmond, 2000) Photobioreactor dạng tấm phẳng rất phù hợp với phát triển sinh khối tảo Tuy nhiên, nó cũng có một số những nhược điểm như

đã nêu trong Bảng 2.6

Hình 2.3 Hệ thống photobioreactor dạng tấm phẳng (Flat-plate)

2.3.2.2 Hệ thống photobioreactor dạng ống (Tubular) (Ugwu, 2008)

Trong số các dạng photobioreactor được đề xuất, photobioreactor dạng ống là một trong những loại phù hợp nhất cho sản xuất sinh khối tảo ngoài trời Photobioreactor dạng ống ngoài trời thường được làm từ thủy tinh hoặc ống nhựa, môi trường nuôi cấy được tái lưu bằng bơm Chúng có thể là dạng ngang hoặc dạng

xoắn (Chaumont, 1988; Molina, 2001), dọc (Pirt, 1983),nón (Watanabe,1997), nghiêng (Lee, 1991) Đối với hệ thống photobioreactor dạng ống,người ta thường sử dụng máy thổi khí và một hệ thống khí trong ống để cấp khí và xáo trộn môi trường nuôi cấy trong ống Những ưu điểm và nhược điểm của photobioreactor dạng ống được thể hiện trong Bảng 2.6

Photobioreactor dạng ống ngoài trời rất phù hợp sản xuất sinh khối tảo do có diện tích bề mặt chiếu sáng lớn Mặt khác, một trong những hạn chếchủ yếu của photobioreactor dạng ống là khả năng truyền khối kém Cần lưu ý rằng sự truyền khối sẽ là một vấn đề khi ống photobioreactor được làm nhỏ Ví dụ, một số nghiên cứu cho thấy nồng độ oxy hòa tan (DO) rất cao trong các photobioreactor dạng ống (Torzillo, 1986; Richmond, 1993; Molina, 2001) Ngoài ra, sự ức chế của ánh sáng thường gặp đối với photobioreactor dạng ống đặt ngoài trời (Vonshak và Torzillo, 2004) Khi photobioreactor dạng ống được sử với đường kính lớn thì tỷ lệ bề mặt chiếu sáng sẽ giảm Ngoài ra, chiều dài của ống có thể được giữ càng ngắn càng tốt Trong trường hợp này, các tế bào ở phần dưới của ống sẽ không nhận đủ ánh sáng cho sự phát triển của tế bào, trừ khi hệ thống có sự khuấy trộntốt Trong bất kỳ trường hợp nào, hiệu quả phân tán ánh sáng đến các tế bào có thể được cải thiện một cách có hiệu quả bằng hệ thống khuấy trộn trong ống (Ugwu, 2003) Ngoài ra

có một khó khăn nữa, các photobioreactor dạng ống rất khó có thể kiểm soát nhiệt

độ môi trường nuôi trong ống Mặc dù họ có thể gắn thiết bịđiều chỉnh nhiệt để duy trì nhiệt độ môi trường mong muốn, nhưng việc này sẽ rất tốn kém và khó thực hiện Hơn nữa, các photobioreactor dạng ống dài luôn có sự chuyển hóa CO2 dọc theo ống (Camacho và cộng sự, 1999; Ugwu và cộng sự, 2003) Việc tăng pH trong môi trường sẽ dẫn đến bão hòa khí CO2, kết quả sẽ làm tăng chi phí sản xuất tảo

Hình 2.4 Hệ thống photobioreactor dạng ống (tubular)

2.3.2.3 Hệ thống photobioreactor dạng cột dọc (Vertical-Colum) (Ugwu,

2008)

Đã có nhiều những thiết kế photobioreactor dạng cột dọc với những công suất khác nhau đã được thử nghiệm cho việc nuôi cấy tảo (Choiet, 2003; Vega, 2005; Garcia, 2006; Kaewpintong, 2007) Hệ thống photobioreactor dạng cột dọcđược thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và dễ vận hành (Sanchez và cộng sự, 2002) Hơn nữa, hệ thống này có triển vọng trong việc nuôi cấytảo với quy mô lớn Với những thiết kế photobioreactor dạng cột có sục khí dạng bọt và có sục khí dạng airlift (đường kính cột khoảng 0,19 m) thì các giá trị nồng độ sinh khối và tốc độ tăng trưởng là gần giống so với hệ thống photobioreactor dạng cột có đường kính nhỏ (Sanchez và cộng sự, 2002) Những ưu điểm và nhược điểm của hệ thống Photobioreactor dạng cột dọcđược thể hiện trong Bảng 2.6

Hình 2.5 Hệ thống photobioreactor dạng cột dọc (Vertical – colum)

2.3.2.4 Hệ thống photobioreactor có hệ thống chiếu sáng bên trong ống (Internally-illuminated)(Ugwu, 2008)

Như đã đề cập trước đó, một số photobioreactor có thể được chiếu sáng nội bộ bằng đèn huỳnh quang Hình2.6 cho thấy một đặc trưng của photobioreactor có hệ thống chiếu sáng bên trong ống Hệ thống photobioreactor này được trang bị cánh khuấy

để xáo trộn môi trường nuôi cấy tảo Không khí và CO2 được cung cấp cho môi trường nuôi cấy thông qua các vòi phun Đây là loại photobioreactor có thể thể sử dụng cả ánh sáng mặt trời và ánh sáng nhân tạo (Ogbonna và cộng sự, 1999) Trong trường hợp đó, nguồn ánh sáng nhân tạo được bật lên bất cứ khi nào cường độ ánh sáng năng lượng mặt trời giảm xuống dưới giá trị đặt ra (phục thuộc vào thời tiết) Ngoài ra còn có một số nghiên cứu về sử dụng sợi quang học để thu nhận và phân phối ánh sáng mặt trời trong cột photobioreactor hình trụ (Mori, 1985; Matsunagaet

và cộng sự, 1991) Một trong những lợi thế chính của photobioreactor này là có hệ

thống chiếu sáng bên trong ống ngoài việc cấp anh sáng cho tảo con có khả năng tiệt trùng Do đó sự nhiễm khuẩn có thể được giảm thiểu Hơn nữa, việc cung cấp ánh sáng cho photobioreactor có thể được duy trì liên tục (cả ngày và đêm) bằng cách tích hợp thiết bị ánh sáng nhân tạo và năng lượng mặt trời Tuy nhiên, dưới điều kiện ngoài trời thì việc nuôi trồng tảo trong cột photobioreactor sẽ đòi hỏi nhiều kỹ thuật cao hơn

Hình 2.6 Hệ thống nuôi tảo dạng Internally-Illuminated

2.4 NUÔI CẤY TẢO

2.4.1 Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nuôi cấy tảo

2.4.1.1 Nhiệt độ

Vi tảo có thể phát triển mạnh trong khoảng nhiệt độ rộng Vi tảo Chlorella sorokiniana được sử dụng phổ biến nhất trong ngành công nghiệp Nó có thể phát triển ở nhiệt độ không khí xung quanh 25o

C-35oC (Wageningen University, 2011)

Có một số vi tảo có thể phát triển mạnh ở nhiệt độ cao như Cyanidium caldarium

Năng suất tảo tăng với nhiệt độ tăng tuyến tính theo nhiệt độ tối ưu Bất kỳ nhiệt độ nào ngoài khoảng nhiệt độ tối ưu sẽ làm tăng hô hấp tảo do đó làm giảm năng suất tổng

Việc giảm nhiệt độ đột ngột về 10oC dẫn đến giảm 50% chlorophyll-a chỉ trong 15 giờ (Harris, 1978) Nhiệt độ cũng có thể làm thay đổi độ pH, cân bằng nước ion và khí hòa tan Ở nhiệt độ cao, hô hấp sẽ tăng đáng kể, nhưng thông lượng thông qua chu trình Calvin tăng nhẹ Điều này sẽ làm giảm hiệu suất quang hợp (Pulz,

2001).Chlorella sp phát triển tốt nhất ở 27-33oC và hầu như không tăng trưởng dưới 10oC ((Harris, 1978)

2.4.1.2 pH

Hệ thống quay

Hệ thống cấp khí Cánh khuấy Đèn huỳnh quang Thành ống

Đối với việc nuôi cấy vi tảo, pH tối ưu là 8 (Park, 1997) Tuy nhiên theo Weissman

và Goebel (1988) cho thấy năng suất nuôi trồng tảoChaetoceros sp và Chlorella

sp sẽ giảm 22% khi pH tăng từ 8-9 Sự biến đổi pH có thể ảnh hưởng đến sự hòa tan CO2 và làm thay đổi thành phần kim loại và chất dinh dưỡng (Celia, 1994) Tăng pH dẫn đến tăng tốc độ loại bỏ chất dinh dưỡng thông qua bay hơi ammonia

và loại bỏ phospho thông qua kết tủa phosphate với sắt, canxi và magiê (Garcia, 2000) Nồng độ amonia tự do cao tại pH cao có thể ức chế cho sự phát triển của tảo

pH của môi trường nuôi cấy có thể bị ảnh hưởng bởi sự hòa tan khí CO2 vào trong môi trường Với nồng độ CO2 cao, pH giảm xuống 5 (Maeda, 1995) Theo Hirata

(1996) khoảng pH tối ưu cho quá trình sinh trưởng của tảo Chlorella sp là 5,5-6

2.4.1.3 Ánh sáng

Ánh sáng là yếu tố cần thiết cho quang hợp Việc đánh giá hiệu quả quang hợp là một phần quan trọng trong quá trình nuôi cấy tảo Vi tảo không thể hấp thụ ánh sáng hồng ngoại và tia cực tím Cường độ ánh sáng khác nhau tùy thuộc vào độ sâu nuôi cấy và mật độ Độ sâu hơn và mật độ cao hơn đòi hỏi cường độ ánh sáng cao cho sự phân bố đầy đủ thông qua môi trường nuôi cấy Đối với việc nuôi trồng trong bình erlen hoặc lớn hơn, thì cường độ ánh sáng 1 Klux và 5-10 Klux là đủ (Repository, 2012) Giống như nhiệt độ, cũng sẽ có cường độ tối ánh sáng tối ưu cho quá trình quang hợp Tuy nếu cường độ ánh sáng này cao, nó có thể dẫn sự ức chế quang hóa (photoinhibition) (Park, 1997).Sự ức chế này có ở hầu hết tất cả các thực vật quang hợp tiếp xúc với cường độ ánh sáng quá mức Điều này làm giảm hiệu quả quang hợp và năng suất tảo Hầu hết các vi tảo, quang hợp được bão hòa ở

mức khoảng 30% tổng bức xạ năng lượng mặt trời trên mặt đất (Pulz, 2001)

Cường độánh sáng bão hòa là một trong những thông số quan trọng quyết định đến hiệu quả quang hợp Sự hiện diện quá nhiều các sắc tố ánh sánh sẽ dẫn đến việc sinh ra nhiều oxy và gây ra sự ức chế sự quang hóa (Torzillo, 2003) Cường độ ánh sáng bão hòa thay đổi trong khoảng từ 30 đến 45 W/m2

(140-210 μEm-2s-1 ) Theo

Hanagata (1992), cường độ ánh sáng bão của Chlorella sp và Scendesmus sp

khoảng 200 μEm-2s-1 Trong điều kiện ngoài trời, ánh sáng sẵn có là nhân tố chính

để xác định năng suất nuôi trồng tảo Sự bão hòa ánh sáng là một vấn đề nghiêm trọng cho sự phát triển của tảo

2.4.1.4 Xáo trộn – sục khí

Một vấn đề quan trọng trong hệ thống mở (Open pond) làphải có sự xáo trộn đồng nhất trong môi trường nuối cấy, điều này nhằm đảm bảo tất cả các tế bào trong môi trường nuôi cấy đều được tiếp xúc với ánh sáng.Nếu không sự xóa trộn,chỉ 15cm

mặt trên hồ có thể được tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, trong khi 15cm dưới hồ sẽ

bị tối Ngoài ra sự xáo trộn cũng giúp phân phối đều các chất dinh dưỡng giữa các điểm trong môi trường nuôi cấy(Park, 1997).Tuy nhiên, không phải loại tảo nào cũng có thể chịu được sự xáo trộn mạnh (Repository, 2012).Các phương pháp xáo trộn phổ biến nhất trong các photobioreactor là dùng bơm chìm, khuấy cơ khí hoặc sục khí Để giảm áp lực thủy động (một nguyên nhân làm chậm sự phát triển của tảo), sục khí như bọt là cách tốt để xáo trộn Hiệu quả trộn bằng cách sục khí thấp hơn so với khuấy cơ khí Do đó, phương pháp này chỉ có thể được sử dụng cho các môi trường nuôi cấy với mật độ thấp vì lượng bọt cao có thể phá hủy các tế bào vi tảo (Amit, 2010).Vì thế, lưu lượng khí đầu vào thường thấp là để giảm bớt ứng suất cắt làm phá hủy tế bào.Xáo trộn phù hợp không chỉ giúp sựtrộn lẫn các chất dinh dưỡng mà còn giúp cho tế bào tiếp xúc với ánh sáng tốt hơn Điều này giúp giảm thiểu cường độ ánh sáng ban đầu cần cung cấp Việc xáo trộn có thể làm tăng năng suất nuôi tảo trong photobioreactor lên đến 40% (Ugwu, 2002)

Việc xáo trộn như đã nói ở trên là một phần quan trọng của tăng trưởng tảo trong học quang Nó là cần thiết để tối đa hóa chu kì ánh sáng, tác dụng của ánh sáng, chất dinh dưỡng và giải nhiệt mà không gây tổn hại các tế bào Truyền khối là một yếu tố quan trọng trong nuối cấy tảo vì nó quyết định năng suất tảo Sục khí là một trong những cách để pha trộn các môi trường nuôi cấy tảo Sục khí thấp sẽ cho phép hiệu suất phối trộn kém, vì vậy dẫn đến truyền khối kém Theo nghiên cứu của Chisti (1999) lưu lượng khí cao có thể gây ra lực cắt các tế bào tảo và gây suy sảm tốc độ tăng trưởng tế bào, tổn thương tế bào và cuối cùng làm chết các tế bào vi tảo Theo nghiên cứu của Falinski(2009) thì vận tốc khí bề mặt trong cột đứng làm ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của tế bào tảo

Bảng 2.8 Ảnh hưởng của vận tốc khí bề mặt tới sự sinh trưởng của tế bào tảo(Falinski, 2009)

Lưu lượng khí

(Lít/phút)

Vận tốc khí bề mặt (mm/s)

Tốc độ sinh trưởng của tế bào

Trong Bảng 2.8, tại vận tốc khí bề mặt 93 mm/s tốc độ sinh trưởng của tảo

I.galbana cao nhất và tại vận tốc khí bề mặt 7 mm/s có tốc độ tăng trưởng thấp nhất

Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc kiểm soát vận tốc khí bề mặt

2.4.1.5 Nồng độ CO 2

CO2là yếu tố rất quan trọng cho quá trình quang hợp Trong môi trường nuôi cấy,

CO2 hòa tan luôn luôn tồn tại ở trạng thái cân bằng với H2CO3, HCO3-và CO32- Mặc dù HCO3-là một nguồn nghèo carbon, tuy nhiên tế bào vi tảo ưu tiên hấp thụ HCO3- hơn CO2 Các loài tảo khác nhau có khả năng phát triển ở nồng độ CO2 tối

đa khác nhau Ví dụ, Chlorella sp có khả năng sinh trưởng ở nồng độ CO2 40% Với môi trường nồng độ CO2 cao sẽ gây giảm khả năng sinh học của các tế bào.Bên cạnh đó ở nồng độ CO2 cao sẽ làm giảm pH của môi trường do sự hình thành của số lượng cao của bộ đệm bicarbonate.Việc bổ sung CO2 đã trở thành một thực tế trong ngành công nghiệp để tối ưu hóa sản xuất tảo.Người ta đã chứng minh rằng với việc bổ sung CO2vào trong các hệ thống nuôi mở sẽ giúp tăng gấp đôi năng suất nuôi trồng tảo(Azov, 1982).Bảng 2.9 dưới đây cho thấy khả năng hấp thu CO2của từng loài tảo cũng như nồng độ sinh khối cực đại tương ứng đạt được trong quá trình nuôi cấy tảo