CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tổng quan về tảo và phương pháp nuôi cấy. Tổng quan về tảo Vi tảo (microalgae) là một trong những loài vi sinh vật lâu đời có thành phần sắc tố chính tham gia vào quá trình quang hợp là chlorophyll a (Falkowski và cộng sự, 1997; Lee và cộng sự, 1980). Cơ chế quang hợp của vi tảo tương tự như các thực vật bậc cao, nó chuyển hóa năng lượng mặt trời thành năng lượng hóa học để cung cấp cho các hoạt động sống bên trong tế bào.
Ngoài ra, các tế bào tảo còn có thể hấp thu các chất dinh dưỡng có trong môi trường như nitrogen, phosphorus, sắt… để phát triển (Chisti, 2007). Vi tảo có mặt khắp mọi nơi trên thế giới. Nó không chỉ có trong các môi trường nước mà còn được tìm thấy trên các loại đất (Richmond, 2004). Vi tảo có thể phân loại thông qua màu sắc, các thành phần của thành tế bào hay hình thái học (Tomaselli, 2004).
Tảo được chia làm 2 loại là tảo nhân nguyên thủy (prokaryotic algae) và tảo nhân thật (eukaryotic algae). Các tế bào prokaryote thiếu các cơ quan liên kết thành tế bào như plastid, mitochondria, nuclei, thể Golgi, và flagella. Nhóm còn lại là eukaryote thì có các cơ quan trên (Lee, 2008). Những loài tảo thông thường bao gồm: Spirulina, Chlorella, Dunaliella, Nostoc và Aphanizomenon (Carlsson và cộng sự, 2007; Pulz và cộng sự, 2004).
Vi tảo có thể được sử dụng để sản xuất các sản phẩm dinh dưỡng, các chất chống oxy hóa, mỹ phẩm, các acid béo không bão hòa dưới dạng viên nén, viên bao hay dung dịch để con người sử dụng (Carlsson và cộng sự, 2007 ). Ngoài ra, vi tảo còn là một ứng viên tiêu biểu cho công nghệ nhiên liệu sinh học; sinh khối vi tảo được sử dụng để tạo ra xăng sinh học, dầu sinh học, hydrogen, acetone, butanol, methane, điện… (Dragone và cộng sự, 2010). Chlorella là giống quan trọng nhất trong công nghiệp sản xuất sinh khối vi tảo vì nó chứa nhiều thành phần có giá trị dinh dưỡng với hàm lượng cao như protein, lipid,… (Chisti, 2007). Vì vậy Chlorella được nuôi cấy và sử dụng như một thực phẩm tốt cho sức khỏe con người (Richmond, 1990).
Chlorella là một giống tảo xanh nhỏ, đơn bào, tế bào hình cầu, và không di chuyển được. Chlorella sống trong nước ngọt, thuộc ngành Chlorophyta; các chuỗi Chlorella thông dụng bao gồm C. Chlorella có thể phát triển trong điều kiện tự dưỡng (autotrophic), dị dưỡng (mixotrophic), và hỗn hợp (mixotrophic) (Richmond, 1990). Trong giống Chlorella thì loài tảo Chlorella vulgaris được nghiên cứu và khảo sát nhiều nhất do nó là loài vi sinh vật lâu đời, dễ nuôi và phát triển nhanh (Ming và cộng sự, 2010).
3 do an Chlorella vulgaris có kích thước rất nhỏ từ 5 đến 10 micromet, chúng có thể được sử dụng làm nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu hóa thạch, là một nguồn nguyên liệu chứa các chất hóa học có gía trị như protein, lipid, vitamin…, giúp xử lý nước thải và làm thức ăn cho môi trường biển.Thành phần dinh dưỡng trong tế bào tảo cung cấp dưỡng chất và năng lượng cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của ấu trùng và các sinh vật biển nhỏ (Pulz và cộng sự, 2004). Để nuôi cấy Chlorella vulgaris, nhiệt độ tối ưu khoảng 25 0C, pH trong khoảng 6. Môi trường nuôi cấy thường sử dụng là Bolds basal (Borowitzka, 1988). Phương pháp nuôi cấy Nuôi cấy mẻ (batch culture) là một trong các phương pháp nuôi cấy vi sinh vật phổ biến.
Nuôi cấy mẻ là nuôi cấy trong một hệ thống kín với một lượng cơ chất ban đầu giới hạn và vi sinh vật sẽ phát triển theo một đường cong sinh trưởng với 4 pha chính là pha lag, pha log, pha ổn định và pha chết (Stanbury và cộng sự, 1995). Đường cong sinh trưởng của vi sinh vật sẽ phản ánh lên những thay đổi trong sinh khối và môi trường nuôi cấy của chúng (Richmond, 2004). Pha lag: là giai đoạn đầu của đường cong sinh trưởng, là thời gian để vi sinh vật thích nghi với sự thay đổi của điều kiện nuôi cấy, vì vậy không có sự sinh trưởng của vi sinh vật mà có thể có sự hiện hiện của các tế bào chết trong giai đoạn này. Các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chiều dài của pha lag là thành phần dinh dưỡng của môi trưởng giống, thành phần dinh dưỡng có trong môi trường mới, loại vi sinh vật, tuổi của vi sinh vật, lượng vi sinh vật bỏ vào, thiết bị nuôi cấy và các yếu tố vật lý như nhiệt độ, pH,… (Sikyta, 1995).
Pha log (pha exponential) là pha sinh trưởng của vi sinh vật, là giai đoạn sau pha lag. Ở giai đoạn này tế bào đã thích nghi với môi trường mới, bắt đầu phát triển nhân đôi và có tốc độ sinh trưởng là một hằng số (Stanbury và cộng sự, 1995). Ở pha ổn định nguồn dinh dưỡng trong môi trường bị cạn kiệt (Stanbury và cộng sự, 1995) và nguồn ánh sáng được tế bào hấp thu hoàn toàn (Richmond, 2004). Tuy nhiên, vi sinh vật vẫn tiếp tục các hoạt động trao đổi chất để tạo ra các sản phẩm bậc 2 (sản phẩm này không được tạo ra trong pha log) (Borrow và cộng sự, 1961 và Bu’Lock và cộng sự ,1965) Pha death (pha chết): là pha cuối cùng trong đường cong sinh trưởng.
Tốc độ sinh trưởng giảm và số lượng tế bào chết tăng lên. Các kiểu trao đổi chất của vi tảo Nuôi cấy tự dưỡng (phototrophic cultivation) Nuôi cấy tự dưỡng là vi tảo sử dụng ánh sáng (như ánh sáng tự nhiên từ mặt trời, hoặc ánh sáng nhân tạo từ đèn huỳnh quang, đèn LED…) làm nguồn năng lượng và carbon vô cơ (như CO2, NaHCO3, Na2CO3…) làm nguồn carbon để chuyển hóa thành năng lượng hóa học thông qua quá trình quang hợp (Huang và cộng sự 2010). Lợi thế chính của kiểu nuôi cấy này là có thể sử dụng nguồn ánh sáng mặt trời và CO2 từ tự nhiên hay từ các nhà máy thải ra để nuôi vi tảo phát triển, vì thế chi phí tiêu tốn sẽ giảm đi đáng kể. Ngoài ra, so với các kiểu nuôi cấy khác thì nuôi cấy tự dưỡng giảm nguy cơ nhiễm các vi sinh vật khác hơn.
Do đó, người ta hay sử dụng kiểu nuôi cấy này cho hệ thống nuôi cấy mở (Mata và cộng sự, 2010). Nuôi cấy dị dưỡng (heterotrophic cultivation) Khi vi tảo sử dụng nguồn carbon hữu cơ vừa là nguồn năng lượng vừa là nguồn carbon cho sự phát triển thì được gọi là nuôi cấy dị dưỡng (Chojnacka và cộng sự, 2004). Loại hình nuôi cấy này sẽ tránh những hạn chế về việc hấp thu ánh sáng của tế bào trong quá trình nuôi cấy tự dưỡng (Huang và cộng sự, 2010).Vi tảo có thể sử dụng các nguồn carbon hữu cơ đa dạng như glucose, acetate, glycerol, fructose, sucrose, lactose, galactose and mannose cho sự phát triển (Liang và cộng sự, 2009). Sự sinh trưởng của vi tảo và hàm lượng lipid thu được ở nuôi cấy dị dưỡng cao hơn nhiều so với nuôi cấy tự dưỡng (Ming và cộng sự, 2010).
Tuy nhiên, khó khăn lớn nhất của nuôi cấy dị dưỡng là dễ gặp các vấn đề về nhiễm vi sinh vật khác. Nuôi cấy hỗn hợp (mixotrophic cultivation) Nuôi cấy hỗn hợp là khi vi tảo trải qua quá trình quang hợp và sử dụng cả những hợp chất hữu cơ và carbon vô cơ (CO2) để phát triển. Điều này có nghĩa là vi tảo có thể sống dưới điều kiện tự dưỡng và dị dưỡng. Nuôi cấy quang dị dưỡng (photoheterotrophic cultivation).
Nuôi cấy quang dị dưỡng là vi tảo yêu cầu ánh sáng khi sử dụng các hợp chất hữu cơ làm nguồn carbon. Khác nhau chính của nuôi cấy hỗn hợp và nuôi cấy quang dị dưỡng là nuôi cấy quang dị dưỡng yêu cầu ánh sáng như một nguồn năng lượng, trong khi đó nuôi cấy hỗn hợp có thể sử dụng những hợp chất hữu cơ để phục vụ cho mục đích này. Vì vậy, nuôi cấy quang dị dưỡng cần cả đường và ánh sáng cùng một lúc (Chojnacka và cộng sự, 2004). Các hệ thống nuôi cấy Trong nuôi cấy sinh khối tảo có hai hệ thống nuôi cấy chính là nuôi cấy mở (open pond) và nuôi cấy kín (closed photobioreactor) 5 do an 1.
Hệ thống nuôi cấy mở (open pond) Hệ thống nuôi cấy mở thường được thiết kế để nuôi tảo trong các vùng nước tự nhiên (hồ, đầm, ao), các hồ nhân tạo hoặc các bình chứa mở. Năng suất nuôi cấy cao nhất trong các hệ thống mở đạt được ở hệ thống raceway. Raceway là hệ thống hồ nuôi tảo được thiết kế thành một vòng khép kín có các kênh tuần hoàn hình oval, độ sâu hồ ở khoảng từ 0. Raceway thường có một bánh guồng (paddle wheel) để pha trộn và đảm bảo sự luân chuyển đồng đều của tảo và các chất dinh dưỡng, nhờ đó ổn định năng suất và sự phát triển của tảo.
Raceway thường được xây dựng bằng bê tông, nhưng đáy ao làm bằng nhựa màu trắng. Trong một chu kỳ sản xuất liên tục, môi trường và chất dinh dưỡng được đưa vào ở phía trước của bánh guồng và luân chuyển qua các vòng lặp để thu hoạch sinh khối tại cuối bánh guồng. Các bánh guồng hoạt động liên tục để ngăn chặn sự lắng đọng trầm tích sinh khối. Vi tảo thường sử dụng CO2 từ không khí bề mặt, nhưng thiết bị sục khí chìm có thể được cài đặt để tăng cường sự hấp thụ CO2 (Brennan và cộng sự, 2009).
Raceway là hệ thống nuôi cấy có chi phí thiết kế và vận hành rẻ nhưng năng suất thu hồi sinh khối thấp do dễ nhiễm các vi sinh vật khác, bị ảnh hưởng bởi sự biến đổi nhiệt độ của môi trường, hiệu quả trộn lẫn,sự hấp thu CO2 và ánh sáng kém (Brennan và cộng sự, 2009). Hệ thống nuôi cấy kín (closed photobioreactor) Để khắc phục những nhược điểm của hệ thống nuôi cấy mở như…, hệ thống nuôi cấy kín (closed photobioreactor) là một giải pháp khả thi. Các hệ thống nuôi cấy kín chủ yếu bao gồm: hệ thống nuôi cấy kín dạng ống (tubular), hệ thống nuôi cấy kín dạng bản phẳng (flat plate) và hệ thống nuôi cấy kín dạng cột (column). Hệ thống nuôi cấy dạng bản phẳng (flat plate photobioreactor, hình 2.1b) là dạng được biết sớm nhất trong hệ thống nuôi cấy kín (Samson, 1985).
Hệ thống này có bề mặt tiếp xúc lớn cho việc hấp thu ánh sáng (Ugwu và cộng sự, 2008) và thu được sinh khối cao (>80 g L-1) (Kurano và cộng sự, 1998). Các vật liệu trong hệ thống đều trong suốt và bề dày của bản phẳng phải mỏng để có thể hấp thu ánh sáng tốt nhất (Kurano và cộng sự, 1998). Hệ thống nuôi cấy dạng bản phẳng phù hợp cho sản xuất tảo với mật độ cao bởi khả năng tích tụ oxy hòa tan thấp và hiệu quả quang hợp cao hơn so với dạng ống (Richmond, 2000).