Tổng quan nghiên cứu

Từ năm 1990, lượng khí nhà kính đã tăng 41% tổng bức xạ, trong đó khí CO2 chiếm 82% lượng bức xạ gia tăng trong thập niên vừa qua. Nồng độ CO2 trung bình toàn cầu năm 2021 đạt 415 ppm, cao hơn gần 50% so với thời kỳ tiền công nghiệp, gây ra nhiều hệ quả nghiêm trọng như biến đổi khí hậu, thời tiết cực đoan, mực nước biển dâng và suy giảm hệ sinh thái. Việt Nam là một trong những quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề nhất, đặc biệt trong lĩnh vực nông nghiệp và sức khỏe cộng đồng. Do đó, việc nghiên cứu các công nghệ xử lý CO2 là cấp thiết nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực này.

Trong các phương pháp xử lý CO2, công nghệ sử dụng vi tảo để cố định CO2 được đánh giá là tiềm năng do vi tảo có tốc độ xử lý CO2 cao gấp 10-50 lần so với thực vật. Vi tảo Chlorella sorokiniana TH02, phân lập từ nước thải nhà máy nhiệt điện Cẩm Phả, có khả năng sinh trưởng nhanh và sử dụng hiệu quả CO2 để tạo sinh khối. Luận văn tập trung nghiên cứu xử lý CO2 nhằm thu sinh khối vi tảo Chlorella sorokiniana TH02 trên hệ phản ứng panel phẳng, với mục tiêu xác định điều kiện tối ưu về nồng độ CO2, cường độ ánh sáng và tốc độ sục khí để nâng cao năng suất sinh khối và hiệu suất cố định CO2. Nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm và ngoài trời tại Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, trong khoảng thời gian năm 2020-2021. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong phát triển công nghệ sinh học bền vững, góp phần giảm phát thải khí nhà kính và tạo nguồn nguyên liệu sinh khối giá trị cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết về quang hợp và chuyển hóa cacbon trong vi tảo, trong đó CO2 được hấp thụ và chuyển hóa thành các hợp chất hữu cơ qua quá trình quang hợp. Mô hình nghiên cứu sử dụng hệ phản ứng panel phẳng (flat-panel photobioreactor) nhằm tối ưu hóa điều kiện môi trường cho vi tảo phát triển. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Hiệu suất cố định CO2 (Carbon dioxide fixation efficiency): Tỷ lệ CO2 được vi tảo hấp thụ và chuyển hóa thành sinh khối.
  • Năng suất sinh khối (Biomass productivity): Lượng sinh khối vi tảo thu được trên đơn vị thể tích và thời gian.
  • Tốc độ sinh trưởng đặc trưng (Specific growth rate, µ): Tốc độ tăng trưởng của vi tảo tính theo ngày.
  • Nồng độ cacbon vô cơ hòa tan bão hòa (Saturated dissolved inorganic carbon, SDIC): Nồng độ cacbon vô cơ trong môi trường nuôi tảo, bao gồm HCO3-, CO32- và CO2 hòa tan.

Hai lý thuyết chính được áp dụng là cơ chế quang hợp trong vi tảo và mô hình thiết kế hệ thống phản ứng panel phẳng nhằm tối ưu hóa ánh sáng và trao đổi khí.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm nuôi cấy vi tảo Chlorella sorokiniana TH02 trong hệ thống panel phẳng tại phòng thí nghiệm và ngoài trời. Cỡ mẫu gồm các lô nuôi cấy với các điều kiện biến đổi về nồng độ CO2 (0,04% đến 20%), cường độ ánh sáng (60 đến 400 µmol/m2/s) và tốc độ sục khí (0,5 đến 4 L/phút). Mẫu được lấy hàng ngày trong vòng 7-10 ngày để đo các chỉ số sinh trưởng và hiệu suất cố định CO2.

Phương pháp phân tích bao gồm đo mật độ quang (OD750), pH, nồng độ sinh khối khô, thành phần cacbon trong sinh khối bằng máy phân tích nguyên tố CHNSO, và nồng độ cacbon vô cơ hòa tan bằng thiết bị TOC/TN. Tính toán các chỉ số sinh trưởng, năng suất sinh khối, tốc độ và hiệu suất cố định CO2 dựa trên công thức chuẩn. Thí nghiệm được lặp lại 4 lần để đảm bảo độ tin cậy số liệu. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 8/2020 đến 10/2021.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nồng độ CO2 đến sinh trưởng và cố định CO2:

    • Nồng độ CO2 tối ưu cho sinh trưởng C. sorokiniana TH02 là 5-10%, với năng suất sinh khối đạt 361,3 mg/L∙ngày và hiệu suất cố định CO2 đạt 53% tại 5% CO2.
    • Khi tăng nồng độ CO2 lên 20%, pH môi trường giảm sâu xuống 5,36, gây ức chế sinh trưởng và giảm năng suất sinh khối còn 121,7 mg/L∙ngày.
    • Nồng độ cacbon vô cơ hòa tan (SDIC) tăng từ 2 mM đến 275 mM khi CO2 tăng từ 0,04% đến 20%, ảnh hưởng đến tỷ lệ đồng hóa cacbon và nitơ trong sinh khối.

  2. Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng:

    • Cường độ ánh sáng tối ưu nằm trong khoảng 150-200 µmol/m2/s, đạt tốc độ sinh trưởng đặc trưng 1,05-1,17 ngày–1 và nồng độ sinh khối 2,84-3,25 g/L.
    • Cường độ ánh sáng thấp hơn hoặc cao hơn phạm vi này làm giảm tốc độ sinh trưởng do thiếu ánh sáng hoặc quang ức chế.

  3. Ảnh hưởng của tốc độ sục khí:

    • Tốc độ sục khí 1-2 L/phút cho hiệu quả sinh trưởng và cố định CO2 tốt nhất, cân bằng giữa cung cấp CO2 và khuấy trộn môi trường.
    • Tốc độ sục khí quá cao gây stress cơ học và giảm hiệu suất sinh trưởng.

  4. So sánh với các nghiên cứu khác:

    • C. sorokiniana TH02 có tốc độ sinh trưởng đặc trưng 0,59-1,26 ngày–1, cao hơn nhiều chủng Scenedesmus obtusiusculus (0,18-0,38 ngày–1).
    • Năng suất sinh khối của TH02 tương đương hoặc cao hơn nhiều chủng vi tảo khác trong điều kiện tương tự.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy vi tảo C. sorokiniana TH02 có khả năng thích nghi tốt với nồng độ CO2 từ 5-10%, phù hợp với nồng độ CO2 trong khí thải công nghiệp, đồng thời duy trì pH môi trường trong khoảng 6-9 để tối ưu sinh trưởng. Việc tăng nồng độ CO2 vượt quá mức này làm giảm pH môi trường, ảnh hưởng tiêu cực đến tế bào vi tảo. Cường độ ánh sáng và tốc độ sục khí cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình quang hợp và trao đổi khí, từ đó nâng cao năng suất sinh khối và hiệu suất cố định CO2.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hiệu suất cố định CO2 và năng suất sinh khối của chủng TH02 đạt mức cạnh tranh, chứng minh tiềm năng ứng dụng trong xử lý khí thải và sản xuất sinh khối giá trị cao. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biến đổi pH và sinh khối theo nồng độ CO2, bảng so sánh năng suất sinh khối và tốc độ sinh trưởng với các chủng vi tảo khác, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của chủng nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy:

    • Điều chỉnh nồng độ CO2 trong khí thải công nghiệp về mức 5-10% để đạt hiệu suất cố định CO2 và năng suất sinh khối tối đa.
    • Kiểm soát pH môi trường nuôi trong khoảng 6-9 để duy trì sự phát triển ổn định của vi tảo.

  2. Cải tiến hệ thống phản ứng panel phẳng:

    • Thiết kế hệ thống chiếu sáng LED với cường độ 150-200 µmol/m2/s và chu kỳ chiếu sáng 16 giờ/8 giờ để tối ưu quang hợp.
    • Điều chỉnh tốc độ sục khí trong khoảng 1-2 L/phút để cân bằng cung cấp CO2 và tránh stress cơ học.

  3. Mở rộng quy mô và ứng dụng thực tế:

    • Triển khai thí điểm hệ thống nuôi vi tảo xử lý CO2 tại các nhà máy nhiệt điện, xi măng với khí thải có nồng độ CO2 phù hợp.
    • Kết hợp thu sinh khối vi tảo làm nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học, phân bón sinh học hoặc thức ăn chăn nuôi.

  4. Nghiên cứu bổ sung:

    • Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố môi trường khác như nhiệt độ, dinh dưỡng bổ sung để nâng cao hiệu quả cố định CO2.
    • Phát triển quy trình thu hoạch và xử lý sinh khối vi tảo hiệu quả, giảm chi phí vận hành.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-3 năm, phối hợp giữa viện nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý môi trường nhằm thúc đẩy ứng dụng công nghệ xanh, giảm phát thải khí nhà kính và phát triển kinh tế tuần hoàn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường, công nghệ sinh học:

    • Nắm bắt kiến thức về công nghệ xử lý CO2 bằng vi tảo, phương pháp nuôi cấy và phân tích sinh trưởng vi tảo.
    • Áp dụng làm cơ sở cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo hoặc phát triển công nghệ mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và xử lý khí thải công nghiệp:

    • Tìm hiểu giải pháp sinh học bền vững để giảm phát thải CO2, đồng thời tận dụng sinh khối vi tảo làm nguyên liệu sản xuất.
    • Đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ panel phẳng trong quy mô công nghiệp.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách:

    • Tham khảo dữ liệu khoa học để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ xanh, giảm thiểu khí nhà kính.
    • Định hướng phát triển ngành công nghiệp sinh học và năng lượng tái tạo.

  4. Ngành công nghiệp sản xuất nhiên liệu sinh học, phân bón sinh học, dược phẩm:

    • Khai thác nguồn sinh khối vi tảo giàu dinh dưỡng, lipid và các hợp chất hoạt tính sinh học.
    • Phát triển sản phẩm mới từ nguyên liệu vi tảo, nâng cao giá trị kinh tế và bền vững môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vi tảo Chlorella sorokiniana TH02 có ưu điểm gì trong xử lý CO2?
    Chủng TH02 có tốc độ sinh trưởng nhanh, khả năng chịu được nồng độ CO2 cao (5-10%), hiệu suất cố định CO2 đạt trên 50%, phù hợp với điều kiện khí thải công nghiệp, giúp tăng năng suất sinh khối hiệu quả.

  2. Tại sao nồng độ CO2 quá cao lại làm giảm sinh trưởng vi tảo?
    Nồng độ CO2 cao làm giảm pH môi trường nuôi do tạo axit cacbonic, gây stress và ức chế enzyme quang hợp, làm giảm tốc độ sinh trưởng và năng suất sinh khối.

  3. Hệ phản ứng panel phẳng có ưu điểm gì so với hệ mở?
    Hệ panel phẳng có tỷ lệ diện tích bề mặt/thể tích lớn, kiểm soát tốt điều kiện môi trường, giảm nhiễm bẩn, tăng hiệu quả sử dụng ánh sáng và năng suất sinh khối cao hơn so với hệ mở.

  4. Cường độ ánh sáng ảnh hưởng thế nào đến sinh trưởng vi tảo?
    Cường độ ánh sáng tối ưu (150-200 µmol/m2/s) kích thích quang hợp hiệu quả, tăng tốc độ sinh trưởng. Ánh sáng quá thấp hoặc quá cao gây thiếu năng lượng hoặc quang ức chế, làm giảm sinh trưởng.

  5. Làm thế nào để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
    Có thể triển khai hệ thống nuôi vi tảo panel phẳng tại các nhà máy có khí thải CO2 phù hợp, đồng thời thu hoạch sinh khối để sản xuất nhiên liệu sinh học, phân bón hoặc thức ăn, góp phần giảm phát thải và tạo giá trị kinh tế.

Kết luận

  • Vi tảo Chlorella sorokiniana TH02 có khả năng sinh trưởng tốt và cố định CO2 hiệu quả trong dải nồng độ CO2 5-10%, phù hợp với khí thải công nghiệp.
  • Cường độ ánh sáng tối ưu cho sinh trưởng là 150-200 µmol/m2/s, tốc độ sục khí hiệu quả là 1-2 L/phút.
  • Năng suất sinh khối đạt tối đa 361,3 mg/L∙ngày, hiệu suất cố định CO2 đạt 53% tại điều kiện tối ưu.
  • Hệ phản ứng panel phẳng là thiết bị phù hợp để nuôi cấy vi tảo xử lý CO2 với khả năng kiểm soát môi trường tốt và năng suất cao.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu và ứng dụng công nghệ trong quy mô công nghiệp nhằm giảm phát thải khí nhà kính và phát triển nguồn sinh khối giá trị cao.

Tiếp theo, cần triển khai thí điểm quy mô lớn và nghiên cứu tối ưu hóa quy trình thu hoạch, xử lý sinh khối. Mời các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý cùng hợp tác phát triển công nghệ xanh này để góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.