CHƯƠNG I. Giới thiệu về vi tảo 1. Chlorella vulgaris Theo Bold và Wynner (1978), Chlorella là giống tảo thuộc nhóm Eukaryota, giới Flora (thực vật), ngành Chlorophyta (tảo lục). Chlorella có kích thước nhỏ, đơn bào, tế bào dạng trứng không di chuyển, màng tế bào mỏng, lục lạp hình chén.
Chlorellasinh sản bằng cách hình thành các tế bào con hoặc hình thành bào tử có hình dạng tương tự như tế bào mẹ. Chlorella cóthể phát triển trong điều kiện tự dưỡng, dị dưỡng và hỗn hợp. Một số loài của giốngChlorella là: C. Chlorella là một nguồn nguyên liệu sản xuất có giá trị cao được sử dụng trong sản xuất nhiên liệu sinh học (biodiesel) và công nghiệp thực phẩm do thànhphần dinh dưỡng trong tế bào tảo rất đa dạng: lipid (10.2%),các sắc tố và thành phần vitamin….
Chlorellađược tiêu thụ chủ yếu theo dạng thực phẩm chức năng (Richmond, 1990). Trong giốngChlorella thì C. 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). Nó có khả năng cho thu hoạch rất nhanh chỉ từ 7-10 ngày (Martins và cộng sự, 2010) với hàm lượng sinh khối, lượng chất béo tích lũy khá cao.
vulgaris có kích thước rất nhỏ(từ 5 đến 10 micromet), C. vulgaris được sử dụng làm nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu hóa thạch, giúp xử lý nước thải và làm thức ăn cho thủy hải sản. Thành phần hóa học của C. vulgaris được trình bày trong các bảng dưới đây.
1: Thành phần hóa học của tảo Chlorella vulgaris(Hagiwara,1997) Thành phần % chất khô Protein 55 Lipid 10.8 3 do an Bảng 1. 2: Hàm lượng Amino acid có trong tảo Chlorella vulgaris (Hagiwara,1997) Amino acid % tổng Amino acid % tổng Isoleucine 4. 3:Hàm lượng Acid béo có trongtảo Chlorella vulgaris(Hagiwara,1997) Acid béo % tổng acid béo Palmitic acid 13. 4:Hàm lượng khoáng chất trong tảo Chlorella vulgaris (Hagiwara,1997) Khoáng chất Hàm lượng (mg.
g-1 chất khô) Ca 1.3 Fe 2 4 do an Bảng 1. 5:Hàm lượng vitamin trong tảo Chlorella vulgaris(Hagiwara,1997) Vitamin Hàm lượng (µg. g-1chất khô) Vitamin B1 24 Vitamin B2 60 Vitamin B6 10 Vitamin C 1000 Vitamin E 200 1. Động học sinh trưởng của tảo Trong quá trình nuôi cấy mẻ tảo phát triển theo một đường cong sinh trưởng với 4 pha chính là pha lag, pha log, pha ổn định và pha suy vong(Stanbury và cộng sự, 1995).
Đường cong sinh trưởng của tảo sẽ phản ánh lên những thay đổi trong sinh khối và môi trường nuôi cấy của chúng (Richmon, 2004).1 biểu diễn đường cong sinh trưởng của vi sinh vật nói chung trong nuôi cấy mẻ. 1: Đường cong sinh trưởng (Singh và Dwivedi, 2004) Pha lag là giai đoạn đầu của đường cong sinh trưởng, là thời gian để tảo thích nghi với sự thay đổi của điều kiện nuôi cấy.Các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chiều dài của pha lag là thành phần dinh dưỡng của môi trường nhân giống, thành phần dinh dưỡng có trong môi trường mới, tuổi của giống tảo, lượng tảo bỏ vào, thiết bị nuôi cấy và các yếu tố vật lý như nhiệt độ, pH,… (Sikyta, 1995) 5 do an Pha loglà pha sinh trưởng nhanh của tảo, 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) Pha ổn định là pha có tốc độ sinh trưởng của tảo bằng 0 và có số tế bào vi sinh vật cao nhất (Bull, 1974). 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 (Richmon, 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). Các kiểu trao đổi chất của vi tảo Các đặc điểm sinh trưởng và và thành phần hóa học của vi tảo phụ thuộc rất nhiều vào các kiểu trao đổi chất của tảo.Có 4 kiểu trao đổi chất chính để nuôi cấy vi tảo: quang tự dưỡng, dị dưỡng, hỗn hợp (mixotrophic) và quang dị dưỡng (Chojnacka và Rocha, 2004). Quang tự dưỡng (phototrophic cultivation) Trao đổi chất theo kiểu quang tự dưỡng là tảo sẽ sử dụng nguồn ánh sáng (như ánh sáng mặt trời) làm nguồn năng lượng và nguồn carbon vô cơ (như: CO2, NaHCO3, NaCO3…) như là nguồn carbon để tạo thành năng lượng hóa học thông qua quang hợp (Huang và cộng sự, 2010). Đây là kiểu nuôi cấy được sử dụng phổ biến nhất cho sự phát triển của vi tảo (Gouveia và cộng sự, 2009; Illman và cộng sự, 2000; Mandal, 2009; Yoo và cộng sự, 2010).
Ưu điểm chính của việc sử dụng kiểu nuôi cấy quang tự dưỡng là có thể sử dụng nguồn carbon duy nhất là CO2 cho sự tăng trưởng tế bào và sản xuất nhiên liệu sinh học nên các vấn đề lây nhiễm sẽ ít hơn các hình thức nuôi cấy khác. Khi sử dụng CO2 là nguồn carbon duy nhất, các địa điểm nuôi trồng vi tảo phải gần nhà máy công nghiệp, nhà máy điện để có thể tận dụng một lượng lớn khí CO2thải từ các nhà máy này cho sự phát triển của vi tảo. Do các ưu điểm trên nên các hệ thống nuôi cấy ngoài trời thường sử dụng điều kiện nuôi cấy quang tự dưỡng (Mata và cộng sự, 2010). Dị dưỡng (heterotrophic cultivation) Một số loài vi tảo không chỉ phát triển trong điều kiện quang tự dưỡng mà còn có thể phát triển được cả trong điều kiện không có ánh sáng và sử dụng nguồn carbon hữa cơ để phát triển.
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 trao đổi chất theo kiểu dị dưỡng (Chojnacka và cộng sự, 2004). Đây là kiểu trao đổi chất có thể tránh được những vấn đề liên quan đến sự hạn chế ánh sáng khi môi trường chứa mật độ tế bào tảo cao (Huang và cộng sự, 2010). Vi tảo trong điều kiện trao đổi chất theo kiểu dị dưỡng có thể đồng hóa nhiều nguồn carbon hữu cơ khác nhau như: glucose, acetate, glycerol, fructose, sucrose, lactose, galactose và mannose cho sự tăng trưởng (Liang và cộng sự, 2009). Tuy nhiên nuôi cấy dị dưỡng bằng các nguồn carbon hữu cơ dễ dẫn đến các vấn đề lây nhiễm cao.
Hỗn hợp (mixotrophic cultivation) Trao đổi chất theo kiểu hỗn hợp là khi vi tảo vừa quang hợp vừa sử dụng cả các hợp chất carbon vô cơ và hữu cơ là nguồn carbon cho sự tăng trưởng. Như vậy vi tảo có khả năng phát triển theo một trong hai điều kiện tự dưỡng, dị dưỡng hoặc cả hai. Vi tảo hấp thụ các hợp chất hữu cơ và CO2 như một nguồn carbon và cả CO2 được sinh ra trong quá trình hô hấp sẽ được tảo tái sử dụng (Mata và cộng sự, 2010). Quang dị dưỡng (photoheterotrophic cultivation) Quang dị dưỡnglà kiểu trao đổi chất đòi hỏi ánh sáng như là nguồn năng lượng để sử dụng các hợp chất hữu cơ như chất dinh dưỡng.
Sự khác biệt chính giữa nuôi trồng theo kiểu hỗn hợp và quang dị dưỡng là trao đổi chất theo kiểu quang dị dưỡng đòi hỏi ánh sáng như một nguồn năng lượng, trong khi nuôi theo kiểu hỗn hợp có thể sử dụng các hợp chất hữu cơ để phục vụ cho mục đích này. Do đó trao đổi chất theo kiểu quang dị dưỡng cần cả đường và ánh sáng tại cùng một lúc (Chojnacka và Marquez-Rocha, 2004). Kiểu nuôi trồng này rất hiếm khi được sử dụng trong nuôi cấy vi tảo.6 trình bày so sánh đặc điểm của các kiểu trao đổi chất trong nuôi cấy vi tảo như sau. 7 do an Bảng 1.
6: So sánh đặc điểm của các kiểu trao đổi chất khác nhau (Chen,2011) Điều kiện Nguồn Nguồn Hàm Hệ thống nuôi Gía cả Những vấn đề liên nuôi cấy năng carbon lượng cấy quan lượng tế bào Tự dưỡng Ánh sáng Vô cơ Thấp Ao mở (open Thấp Sinh khối thấp pond) hay thiết Giá cả khi thu hồi bị phản ứng sinh khối cao sinh học Dị dưỡng Hữu cơ Hữu cơ Cao Bình lên men Trung Có nguy cơ nhiễm truyền thống bình các loại vi sinh vật khác. Gía cả cơ chất cao Hỗn hợp Ánh sáng Vô cơ hay Trung Thiết bị phản Cao Có nguy cơ nhiễm và hợp hữu cơ bình ứng quang sinh các loại vi sinh vật chất hữu học kín. cơ Giá cả thiết bị cao Gía cả cơ chất cao Quang dị Ánh sáng Hữu cơ Trung Thiết bị phản Cao Sự nhiễm bẩn dưỡng bình ứng quang sinh Gía cả thiết bị cao học kín. Gía cả cơ chất cao 1.
Hệ thống nuôi cấy Vi tảo thường được nuôi cấy trong các hệ thống là nuôi trong bịch nhựa, các bể hoặc ao ngoài trời(Lee và Tamaru, 1993; Liao và cộng sự, 1993). Tuy nhiên năng suất tảo trong các hệ thống này rất thấp và không ổn định (Sato, 1991). Nhiều nhà nghiên cứu đã ứng dụng kỹ thuật nuôi vi tảo không những trong hệ thống hở mà còn trong hệ thống kín (closed bioreactor) (Tredici và Materassi 1992; Chaumont, 1993; Borowitzka, 1996). Hệ thống mở Nuôi tảo trong hệ thống ao mở (open ponds) đã được sử dụng kể từ năm 1950 (Borowitzka,1999).
Các hệ thống này có thể được phân loại thành các vùng nước tự nhiên (hồ, đầm, ao) và các hồ nhân tạo hoặc các bình chứa. Raceway là hệ thống nhân tạo phổ biến nhất được sử dụng (Jime´nez và cộng sự, 2003).Raceway thường được xây dựng thành một ao hình oval khép kín, và có độ sâu khoảng 0. Raceway với một bánh guồng để đảm bảo sự lưu thông của tảo, các chất dinh dưỡng và ngăn chặn sự lắng đọng trầm tích, nhờ đó ổn định 8 do an năng suất và sự phát triển của tảo. Nhu cầu CO2 cho tảo được đáp ứng từ không khí tiếp xúc với bề mặt ao, nhưng để tăng cường sự hấp thụ CO2 có thể lắp đặt thiết bị sục khí chìm (Brennan và cộng sự, 2009).
So với hệ thống kín, thì hệ thống mở là phương pháp rẻ hơn trong sản xuất sinh khối tảo ở quy mô lớn. Nguyên nhân do yêu cầu về năng lượng đầu vào thấp(Rodolfi và cộng sự, 2008), bảo trì và làm sạch dễ dàng hơn (Ugwu,2008)nên có thể quay vòng sản xuất lớn hơn (Rodolfi và cộng sự, 2008) Hệ thống ao mở cho khả năng thu hồi sinh khối kém hiệu quả hơn so với hệ thống nuôi kín. Nguyên nhân có thể dodễ nhiễm vi sinh vật, nhiệt độ cao dẫn đến sự bốc hơi nước, sự phối trộn hiệu suất thấp, ánh sáng và CO2 kém (Brennan và cộng sự, 2009). Ngoài ra tốc độ bay hơi nước cao của ao mở cũng là một hạn chế lớn làm ảnh hưởng tới thành phần các chất dinh dưỡng trong ao(Pulz,2001).