MỤC LỤC
Trang

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 1
1.1 Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................... 2
1.2. Mục tiêu của đề tài ................................................................................................................. 2
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................................... 2
1.3.1. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................................ 2
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu............................................................................................................ 2
CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................ 3
2.1. Vật liệu, hóa chất và trang thiết bị dùng nghiên cứu ................................................... 3
2.1.1. Vật liệu, hóa chất ....................................................................................................... 3
2.1.1.1. Tảo giống Spirulina platensis ............................................................................... 3
2.1.1.2. Nước thải chăn ni heo sau biogas ...................................................................... 3
2.1.1.3. Hóa chất sử dụng ................................................................................................... 3
2.1.2. Dụng cụ và thiết bị .................................................................................................... 4
2.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm ..................................................................................... 4
2.2.1. Nội dung 1: Tối ưu hóa điều kiện thích hợp cho q trình nuôi tảo sử dụng vật liệu hỗ
trợ ở điều kiện phịng thí nghiệm ........................................................................................ 6
2.2.2. Nội dung 2: Thử nghiệm ni Spirulina platensis ở quy mơ ngồi trời ................... 7
2.3. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 7
2.3.1. Phương pháp thu và ác định sinh khối của vi tảo S. platensis ................................ 7
2.3.1.1. Phương pháp thu sinh khối vi tảo S. platensis ....................................................... 7
2.3.1.2. Phương pháp ác định sinh khối khô của vi tảo S. platensis ................................ 8
2.3.2. Phương pháp tính năng suất sinh khối và tốc độ sinh trưởng của S. platensis ......... 8
2.3.3. Xây dựng đường cong chu n tương quan giữa mật độ quang và sinh khối vi tảo S.
platensis ............................................................................................................................... 8
2.3.3.1. Phương pháp đo mật độ quang ............................................................................... 8
2.3.3.2. Xây dựng đường cong chu n tương quan giữa mật độ quang và sinh khối vi tảo S.
platensis ............................................................................................................................... 9

-i-


2.3.4. Phương pháp ph n tích và ác định các ch tiêu sinh hóa của vi tảo S. platensis ..... 9
2.3.5. Phương pháp ác định hiệu quả ử l N và P trước và sau nuôi vi tảo S. platensis 12
2.3.5.1. Phương pháp thu thập m u nước trước và sau nuôi vi tảo S. platensis ............... 12
2.3.5.2. Phương pháp ph n tích các ch tiêu trong nước trước và sau nuôi vi tảo S. platensis
(APHA, 2000) .................................................................................................................. 12.
2.3.5.3. Phương pháp đánh giá hiệu suất xử l N và P của vi tảo S. platensis ................. 12
2.3.6. Phương pháp ử lý số liệu và ph n tích thơng kê ................................................... 13
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................. 14
3.1. Thí nghiệm 1: Kết quả ác định thành phần sinh hóa của nước thải sau biogas trước khi
nuôi vi tảo ......................................................................................................................... 14.
3.2. Thí nghiệm 2: Khảo sát t lệ nước thải nước thải chăn nuôi heo sau biogas phù hợp cho
nuôi vi tảo S. platensis...................................................................................................... 15
3.3. Thí nghiệm 3: Khảo sát t lệ giống ban đầu phù hợp cho nuôi vi tảo S. platensis .... 17
3.4. Thí nghiệm 4: Khảo sát cường độ ánh sáng phù hợp cho nuôi vi tảo S. platensis ... 20
3.5. Thí nghiệm 5: Đánh giá hiệu quả giữa 2 phương pháp nuôi vi tảo S. platensis: phương
pháp TCTT và VLHT ........................................................................................................ 23
3.6. Thí nghiệm 6: Đánh giá thành phần sinh hóa của sinh khối vi tảo S. platensis thu được
từ phương pháp sử dụng vật liệu hỗ trợ ............................................................................ 24
3.7. Thí nghiệm 7: Thử nghiệm ni vi tảo Spirulina platensis ở quy mơ ngồi trời ...... 25
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................ 27
4.1 Kết luận ...................................................................................................................... 27
4.2 Kiến nghị .................................................................................................................... 27
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 28

- ii -



MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay chất thải từ hoạt động chăn nuôi heo được xem là nguồn gây ơ nhiễm lớn
đến mơi trường, ước tính trong phân heo có chứa khoảng 5,4-6,3 kg N/tấn phân và 2,23
kg P/tấn phân (O gu n v ctv,

v

Nước thải s u iog s ch oại

ớn c c hợp chất h u c , nhưng hông oại
Hồng v Phạm Khắc Liệu,

;

được nit

nh ôn v ctv,

được ph n

N v ph t pho P Nguyễn Thị
8

ã có rất nhiều nghiên cứu

tập trung vào việc loại b N và P từ nước thải n y trước khi thải r môi trường tự nhiên.
Trong khi việc sử dụng công nghệ xử

truyền th ng để loại b các chất ô nhiễm n y đ i


h i chi ph v vận h nh phức tạp c ng như tạo ra sản phẩm phụ không mong mu n
(Christenson và Sims, 2011; Ruiz và ctv, 2012). Phư ng ph p sử dụng vi tảo để xử lý c c
chất ô nhiễm từ nước thải chăn nuôi, đ ng được p ụng rộng rải tr n thế giới, đạt hiệu
quả cao, chi phí thấp nhưng ại an tồn với mơi trường (Christenson và Sims, 2011;
Hoffmann, 1998 M c

sự ô nhiễm N v P trong nước thải chăn nuôi g y r sự ph

ư ng cho c c hệ sinh th i thu sinh, nhưng ch ng đều là các nguồn inh ư ng quan
trọng cung cấp inh ư ng cho công nghệ vi tảo (De la Noue và De Pauw, 1988; TiowSuan và Anthony, 1988; Sevrin-Reyssac, 1998

rong c c công nghệ vi tảo, tảo sử dụng

năng ượng ánh sáng m t trời, đồng thời hấp thụ các chất inh ư ng từ nước thải để c
định nguồn cacbon tạo ra sinh kh i, điều này không ch làm giảm được sự g y r ô nhiễm
N v P trong nước thải mà còn tạo r được một nguồn sinh kh i có giá trị, giảm phát thải
khí gây hiệu ứng nhà kính giúp cho việc ch ng biến đổi khí hậu toàn c u.
Spirulina platensis thường gọi
algae, cyanobacteria).

vi tảo trước c n được gọi

tảo

m,

ue- green

i tảo S. platensis được xem là nguồn inh ư ng của thiên nhiên


với đ y đủ các thành ph n thiết yếu như protein, ipi , c r ohy r te c ng nhiều loại
ho ng đ v vi ượng, vitamin và nhiều loại acid amin không thể thay thế như: ysine,
methionine, tryptophan (Enzing và ctv, 2014) Nó đã được chứng minh
phẩm ổ sung phổ iến tr n to n thế giới v

nguồn thực

ổ ư ng nhất cho con người Sajilata và ctv,

2008; Ogbonda và ctv, 2007; Konstantinos, 2008). Hiện n y, vi tảo S. platensis cịn làm
nguồn nguy n iệu tiềm năng hơng ch cho qu tr nh tr ch y c c hợp chất có gi trị sinh
học như β-c roten v phycocy nin, nguồn thức ăn cho ng nh chăn nuôi m c n
nguy n iệu cho qu tr nh sản xuất nhi n iệu sinh học Konst ntinos,
1

nguồn

08). rước nh ng


giá trị mà vi tảo S. platensis mang lại thì c c nghi n cứu về x y ựng nh ng mô h nh nuôi
trồng, chế iến v chiết xuất c c chất có hoạt t nh sinh học từ vi tảo n y nhằm phục vụ cho
con người ng y c ng được qu n t m H u hết nh ng mô h nh nuôi trồng tảo hiện n y đều
sử ụng phư ng ph p thủy c nh truyền th ng. uy nhi n, nhược điểm củ c c hệ th ng
n y

năng suất sinh h i thấp v để thu hoạch vi tảo từ c c hệ th ng n y th chi ph cho

qu tr nh oại nước h c o chiếm từ


- % tr n tổng chi ph sản phẩm v t n nhiều thời

gian (Davis và ctv, 2011).
Xuất phát từ thực tế nêu trên mà nghiên cứu “Ảnh hưởng của kỹ thuật sử dụng vật
liệu hỗ trợ đến hiệu quả nuôi tảo Spirulina platensis sử dụng nước thải chăn nuôi heo s u
biogas” được thực hiện. Mơ hình ni này được xem là một lựa chọn hợp lý, một hướng
mới khắc phục được nh ng hạn chế củ phư ng ph p thủy canh truyền th ng hứa hẹn
mang lại hiệu quả cao.
2. Mục tiêu đề tài
- X c định c c thông s t i ưu củ điều iện nuôi cấy hi sử ụng vật iệu hỗ trợ
-

nh gi năng suất và th nh ph n sinh hó củ sinh h i tảo gi

nuôi vi tảo: sử ụng vật iệu hỗ trợ v theo phư ng ph p thủy c nh
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu
- Vi tảo Spirulina platensis
- Nước thải chăn nuôi heo s u iog s
3.2. Phạm vi nghiên cứu
ề t i được nghiên cứu tại trường ại học Thủ D u Một

2

hệ th ng


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Giới thiệu chung về vi tảo Spirulina platensis

1.1.1. Cấu tạo, hình thái và phân loại học
Vi tảo S. platensis là vi khuẩn
cy no cteri , đ

m trước c n được gọi là tảo lam, blue- green algae,

o v có ạng sợi, gồm nhiều tế bào hình trụ xếp khơng phân nhánh.

ường kính tế bào từ 1 - 12µm, chiều dài tế bào có thể đến 10µm và chiều dài chuỗi có
thể đến 110µm. Các sợi tảo có t nh i động trượt dọc trục của chúng. Vi tảo S. platensis
có dạng xoắn trong mơi trường chất l ng và có hình xoắn trơn c thật sự trong môi
trường đ c

ộ xoắn của tảo

đ c điểm để phân loại của loài. Vi tảo S. platensis thuộc:

Ngành: Cyanophyta
Lớp: Cyanophyceae
Bộ: Oscillatoriales
Họ: Oscillatoriaceae
Chi: Arthrospira (Spirulina)
Spirulina

n đ u ti n được ph n ập từ một mẫu nước ngọt ởi Turpin v năm

8 7 Nhưng mãi đến năm 85 , việc ph n oại học đ u ti n củ
Stizenberger cơng
ngăn, đ


Ơng đư r t n o i mới

Arthrospira ự v o cấu tr c chứ v ch

o, ạng xoắn Gomont đã hẳng định nh ng nghi n cứu củ Stizen erger v o

năm 89 , đồng thời ổ sung th m o i hơng có v ch ngăn
ngăn

o i n y đã được

Spirulina và lồi có vách

Arthrospira Nhưng trong nh ng nghi n cứu Arthrospira thường được gọi

Spirulina. Do đó t n Spirulina được sử

ụng phổ

iến cho đến n y th y cho t n

Arthrospira.
1.1.2. Đặc điểm sinh sản và phát triển
Spirulina phân b rất rộng, có thể tìm thấy ch ng trong đất, đ m l y, nước ngọt,
nước lợ, nước biển và su i nước nóng
(>30 g/l), pH cao (8,5S. platensis, đ c biệt

được xem

rong môi trường nước m n với nồng độ mu i

môi trường

tưởng cho sự phát triển của vi tảo

n i có cường độ ánh sáng m t trời cao. Spirulina là sinh vật

quang tự ư ng bắt buộc nên chúng c n phải có ánh sáng và nguồn c r on để sinh
trưởng. Nhiệt độ t i ưu cho qu tr nh tăng trưởng của Spirulina từ 5 đến 37°C (trong
3


điều kiện phịng thí nghiệm) và có thể n đến 39oC (khi ni ở điều kiện ngồi trời

i

với nh ng chủng Spirulina ư nhiệt ho c chịu nhiệt chúng có thể phát triển được ở nhiệt
độ từ 5 đến 4 °C Ngư ng nhiệt độ thấp nhất mà Spirulina sinh trưởng được vào
khoảng 5°C v o

n ng y v

n đ m thì Spirulina c ng có thể chịu được nhiệt độ

tư ng đ i thấp. Khả năng ch ng chịu của Spirulina với tia cực tím là khá cao (Richmond,
1986).
Vi tảo S. platensis có phư ng thức sinh sản vơ tính (phân chia từ một sợi tảo mẹ
trưởng thành). Từ một sợi tảo mẹ, hình thành nên nh ng đoạn Necridia (gồm các tế bào
chuyên biệt cho sự sinh sản

rong c c Necri i h nh th nh c c đĩ


tách rời tạo các Hormogonia bị chia cắt tại vị tr c c đĩ n y
d n d n ph n đ u gắn tiêu giảm,

õm ở hai m t và sự

rong qu tr nh ph t triển,

đ u hormogonia trở n n tr n nhưng v ch tế bào vẫn có

chiều

y hơng đổi. Các hormogonia phát triển, trưởng thành và chu kì sinh sản được

l p đi

p lại một cách ngẫu nhiên, tạo n n v ng đời của tảo (Hình 1.1). Trong thời kì

sinh sản tảo Spirulina nhạt màu ít sắc t x nh

mh n

nh thường

rong điều kiện t i

ưu nuôi trong ph ng th nghiệm), thời gi n nh n đôi thế hệ của tảo Spirulina là nh h n
4 h trong hi đó trong điều kiện tự nhiên là khoảng 3-5 ngày (Ali và Saleh, 2012).

oạn sinh sản

oạn hoại bào

và Saleh (2012)
Hình 1.1. Chu kỳ sống của Spirulina
1.1.3. Thành phần sinh h a của vi tảo S. platensis
Thành ph n sinh hó c

ản của vi tảo Spirulina bao gồm:

 Protein: Vi tảo Spirulina đ c biệt giàu protein chiếm từ 55 đến 70% sinh kh i khô
của Spirulina v h m ượng protein này phụ thuộc vào nguồn g c chủng tảo
4


(Phang và ctv, 2000). Protein từ Spirulina là protein hoàn ch nh chứ đ y đủ các
amino acid thiết yếu, m c dù một s

mino ci như methionine, cystine, v

ysine

có h m ượng thấp h n so với protein từ thịt, trứng, s a; tuy nhiên, nó lại c o h n
so với protein có trong thực vật như từ các loại đậu (Habib và ctv, 2008). Bảng 1
tổng hợp h m ượng protein trong c c nguồn thực phẩm h c nh u
Bảng 1.1. Hàm lƣợng protein trong Spirulina và một số thực phẩm khác
Loại thực phẩm

Protein thô trong sinh khối khô (%)

Bột Spirulina


65

Trứng sấy khô

47

Men bia

45

S a bột tách kem

37

Bột đậu tư ng

36

Pho mai khơ

36

M m lúa mì

27

ậu phộng

26


Gà

24

Cá

22

Thịt bò

2
012)

 Acid béo thiết yếu và lipid: Các chất béo thiết yếu h y c n gọi xit
hông ão h

o

đ n i đôi po yuns tur te f tty ci - PUFA) trong Spirulina

chiếm khoảng 1,3-15% so với lipid tổng s , chủ yếu cấu th nh xit γ-linolenic (3035% so với axit béo tổng s ) (Li và Qi, 1997). Thành ph n lipid trong Spirulina
chiếm từ 5-6%, trong đó c c PUFA chiếm 1,5-2 % so với tổng s lipid. Trong
Spirulina đ c biệt rất gi u ci γ-linolenic (chiếm 36 % so với tổng s PUFA) và
acid linoleic (chiếm 36 % so với
cấp một s

ci

h c như: ci


tổng s PUFA). Ngồi ra, Spirulina cịn cung
γ-linolenic (ALA), acid stearidonic (SDA), acid

eicosapentaenoic (EPA), acid docosahexaenoic (DHA) và acid arachidonic (AA).
5


 Vitamin: Spirulina có h m ượng cao của cyanocobalamin (vitamin B12).
Ngồi ra cịn có chứ c c vit min h c như: vit min B1 (thiamin), B2 (riboflavin),
B3 (nicotinamide), B6 (pyridoxine), B9 (acid folic), vitamin C, vitamin D, vitamin
E và nhiều sắc t

h c như ch orophy

, x nthophy , et c roten, echinenone,

myxoxanthophyll, zeaxanthin, canthaxanthin, diatoxanthin, 3-hydroxyechinenone,
beta-cryptoxanthin, oscillaxanthin và allophycocyanin (Bảng 1.2).
Bảng 1.2. Hàm lƣợng vitamin có trong Spirulina dạng bột

Vitamins

100mg/g
2.330x103 IU/kg

Provitamin A
β-carotene

140

α-tocopherol equivelant

Vitamin E
Thiamin B1

3,5

Riboflavin B2

4,0

Niacin B3

14,0

Vitamin B6

0,8

Vitamin B12

0,32

Biotin

0,005

Folic acid

0,01


Pantothenic acid

0,1

Vitamin K

2,2
và ctv (2012)

 Khoáng chất: Các khoáng chất thiết yếu trong Spirulina chiếm từ 2,8-3%
của sinh kh i hơ trong điều kiện phịng thí nghiệm và khoảng 7% trong sản xuất
Spirulina thư ng mại. Spirulina là một nguồn gi u

i, c nxi, crom, đồng, sắt,

magiê, mangan, ph t pho, selen, natri và kẽm (Bảng 1.3). H m ượng nh ng
khoáng chất trong Spirulina th y đổi phụ thuộc v o điều kiện nuôi như nhiệt độ,
pH, nồng độ mu i (Habib và ctv, 2008).
6


Bảng 1.3. Khoáng chất trong bột Spirulina
Khoáng chất

100mg/g

Calcium

700


Chromium

0,28

Copper

1,2

Iron

100

Magnesium

400

Manganese

5,0

Phosphorus

800

Potassium

1400

Sodium


900

Zinc

3,0
và ctv (2012)

1.2. C c

thu t nu i trồng vi tảo

1.2.1. Nu i trồng vi tảo

ng hệ thống hở

Vi tảo s ng trong mơi trường inh ư ng đựng trong bình, chậu, bể, o… được khuấy
trộn inh ư ng theo kiểu tịnh tiến 2 chiều và tảo hấp thu ánh sáng m t trời để phát triển.
Kiểu nuôi này phụ thuộc vào thời tiết c n có giải pháp khắc phục. Các hệ th ng hở phổ
biến nhất cho sản xuất vi tảo là bể nuôi. Nh ng bể được thiết kế đ n giản, dễ làm với diện
tích bề m t lớn v có độ sâu khoảng 50 cm. Sự ưu thơng củ nước với các chất inh ư ng
và vi tảo được thực hiện bởi một cánh khuấy, CO2, khí ho c các chất khí thải chứa CO2 có
thể được phun vào hệ th ng nuôi tảo (Enzing và ctv, 2014).
Ưu điểm của hệ th ng hở

đ n giản, dễ làm và chi phí thấp Nhược điểm lớn của

các hệ th ng hở là vấn đề khó kiểm sốt nhiệt độ, dễ bị nhiễm bởi nh ng vi sinh vật và
các loài tảo khác ho c chủng tảo khác phát triển nh nh h n n n sẽ cạnh tranh và lấn át
với vi tảo đ ch c n nuôi H n n a, nồng độ sinh kh i v năng suất rất thấp do sự hạn chế

việc tiếp nhận ánh sáng của tế bào, sự thất thoát do sự

y h i nước hay khuếch tán CO2

vào khí quyển. Hệ th ng loại n y được áp dụng thành công ở nh ng vùng có nhiều ánh
nắng và khơng giới hạn nguồn nước Do đó, mơ h nh ni vi tảo bằng hệ th ng hở rất
7


thích hợp tại các khu vực ven biển như ở c c nước châu Á, Mexico, Mỹ, Ý, Tây Ban Nha
và thậm chí cả H L n n i m mơ hình ni tảo chủ yếu tập trung ở 2 chi Spirulina và
Chlorella (Demirbas và Fatih, 2011).
1.2.2. Nu i vi tảo

ng hệ thống bể phản ứng quang sinh học kín (closed

photobioreactor- PBRs)
Vi tảo được nuôi trong hệ th ng bể phản ứng quang sinh kín photobiore ctor
PB s được vận hành bằng máy khuấy trộn theo 3 chiều, tảo hấp thu ánh sáng nhân tạo
hay tự nhiên. Hệ th ng này có thể được đ t ở ngồi trời nhưng trong một s trường hợp
ch ng được đ t

n trong nh

nh để có thể kiểm sốt ch t chẽ h n c c điều kiện nuôi

cấy (Enzing và ctv, 2014; Kawietniewska và ctv, 2012). Vì vậy, chi ph đ u tư cho qu
trình sản xuất ni tảo sẽ c o h n PB s được xem là có nhiều ưu điểm h n so với hệ
th ng nuôi hở và khắc phục được nhược điểm của hệ th ng nuôi hở Bảng


4):

 Ngăn ch n ho c giảm thiểu sự lây nhiễm của nh ng sinh vật có hại cho hệ th ng ni
tảo, cho phép ni các lồi tảo mà không thể nuôi được bằng hệ th ng hở;
 Hệ th ng không chịu t c động bởi thời tiết. Việc quản lý các yếu t vật lý (ánh sáng,
nhiệt độ… , hóa học (hóa chất dùng ni trồng tảo), sinh học (kiểm soát diệt nh ng
sinh vật gây hại cho tảo được chủ động;
 Ngăn ch n sự b c h i n n giảm được ượng nước sử dụng và sự tổn thất CO2 thấp;


ạt nồng độ tế

o c o n n cho năng suất c o h n
Bảng 1.4. So sánh hệ thống nuôi tảo hở và kín

Thơng số

Hệ thống ni tảo kín

Hệ thống ni tảo hở (ao,
hồ)

(Photobioreactor)

Diện tích

Diện tích ni trồng lớn

Sự mất nước


Rất cao, có thể là nguyên
Thấp
nhân gây ra kết tủa mu i

Tổn thất CO2

Cao, phụ thuộc v o độ sâu

Nồng độ oxy

Diện tích ni trồng lớn nh

Thấp
ch y của O2 trong hệ th ng yêu
c u các thiết bị chuyên dụng để đảm
bảo sự tr o đổi khí

hường thấp

8


Nhiệt độ

Biến đổi rất cao, kiểm soát
Nhiệt độ được làm mát nhờ nh ng
nhiệt độ có thể thơng qua việc
thiết bị ấn định tự động
điều ch nh độ sâu của hồ nuôi


Cao do t c độ khuấy trộn lớn để đảm
Stress trên tế hường thấp do quá trình
bảo t c độ dịng chảy được duy trì và
bào
khuấy trộn nhẹ nhàng
sự tr o đổi khí

Vệ sinh

Nguy
c
nhiễm bẩn

Phức tạp: o ẫn tạp chất, sự phát triển
của tảo sẽ bám trên thành hệ th ng
nuôi m hạn chế khả năng tiếp xúc
với ánh sáng của tế bào tảo; quá trình
làm sạch sẽ m i m n hệ th ng nuôi.

n giản, không phức tạp

Cao

Thấp

Nồng độ sinh
Thấp: từ , đến 0,5 g/l
kh i

Cao: từ ,5 đến 8 g/l


Sự phụ thuộc Chịu t c động bởi yếu t Hệ th ng không chịu t c động bởi
v o điều kiện ngoại cảnh, o đó việc quản lý thời tiết. Việc quản lý các yếu t vật
thời tiết
các yếu t hó
ị thụ động. lý chủ động.
Sự inh động Ch ni được vài lồi, vấn đề Có khả năng inh động nuôi được
nuôi
các nếu th y đổi ni lồi khác thì nhiều chủng tảo khác nhau mà không
chủng tảo
bị nhiễm.
dễ dẫn đến bị nhiễm.
Chu kỳ nuôi

6-8 tu n

2-4 tu n

Chi ph đ u
tư

Cao: khoảng $100.000/ ha

Rất cao: $250.000-$1.000.000/ha

Chi phí vận
hành

Thấp


C oh n

Cao, tùy thuộc vào lồi ni
cấy

Thấp h n o nồng độ cao của sinh
kh i và kiểm sốt t t h n điều kiện
ni của các lồi ni cấy

Chi phí q
trình ni
trồng

Hiện nay nh ng thách thức lớn trong việc nuôi vi tảo để ứng dụng làm thực phẩm
và thức ăn chăn ni

: giảm chi phí sản xuất thức ăn chăn nuôi; cải thiện công nghệ sản
9


xuất để đảm bảo tính an tồn của sản phẩm thực phẩm từ vi tảo; v t nh ổn định/độ tin
cậy của môi trường nuôi cấy c ng như ựa chọn chủng phù hợp tránh bị lây nhiễm nh ng
sinh vật h c Do vậy, việc x y ựng hệ th ng PB s c n ch

đến mục đ ch đạt được

hiệu quả cao trong việc sử dụng ánh sáng và cung cấp nh ng điều kiện c n thiết, ổn định
cho q trình ni tảo

ồng thời giải quyết các vấn đề chính g p phải trong hệ th ng


ni PB s như qu nóng, sự tăng

n của nồng độ oxy và sự gi tăng c c c thể vi sinh

vật không mong mu n.
Các tiêu chuẩn thiết kế c

ản cho PBRs bao gồm cấu hình của hệ th ng đ i với

cường độ ánh sáng và chu kỳ ánh sáng/t i, t lệ gi a bề m t được chiếu sáng của các bể
lên men sinh kh i và thể tích của nó (surface-to-volume S/V), thiết bị khuấy - sục khí và
khử khí. T lệ S/V quyết định ượng nh s ng đi v o hệ th ng trên một đ n vị thể tích và
sự tiếp xúc của các tế bào tảo đ i với ánh sáng. T lệ S/
h n

vậy đ y

c o h n th cho năng suất cao

một trong nh ng tiêu chuẩn quan trọng trong thiết kế PB s

i với

thiết bị khuấy - sục khí thì hệ th ng ni tảo với qui mơ lớn có kết hợp hợp hệ th ng
khuấy - sục khí nhằm thu ượng sinh kh i nhiều nhất B
đã được mô tả như H nh

10


ạng c

ản củ hệ th ng PB s


A) PBR dạng tấm:
1 - bể môi trường inh ư ng;
2 - m môi trường inh ư ng;
3 - m hông h ;
4 - ánh sáng;
5 - van xả thu hồi sinh kh i

B) PBR dạng Biocoil:
1 - bể môi trường inh ư ng;
2-

m môi trường inh ư ng;

3 - van xả thu hồi sinh kh i;
4-

m tu n hoàn;

5 - ánh sáng;
6-

m hông h

C) PBR dạng cột:
1 - bể môi trường inh ư ng;

2-

m môi trường inh ư ng;

3-

m hông h ;

4 - ánh sáng;
5 - van xả thu hồi sinh kh i;
6 - van xả khí

Dębo
H nh 1.2. Hệ thống Photo ior actor A) dạng tấm; B) dạng iocoil và C
Lưu

ạng cột

ể nuôi tảo c n được khuấy liên tục. Tuy nhiên, khi khuấy - sục khí quá

mạnh thì sẽ làm tổn thư ng tế bào và có thể dẫn đến gây chết tế bào tảo. Vì vậy, cường
độ khuấy trộn phải được lựa chọn để phù hợp với đ c tính của chủng tảo đ ch c n ni
cấy. Theo Enzing và ctv (2014), sục khí nhằm mục đ ch:
11


 Tạo sự tiếp xúc t t h n của tế bào tảo với inh ư ng, ánh sáng, CO2;
 Gi ổn định nhiệt độ, pH trong nước giúp tảo phát triển t t;
 Loại b được ượng oxy tạo ra. Khi mà oxy tạo ra ở một giá trị nhất định thì sẽ ức
chế quá trình quang hợp của tảo;

 Tạo ra t c độ nước chảy Do đó, tạo điều kiện t i ưu cho sự phát triển vì tảo sẽ khơng
bị lắng nhất là tại các góc của bể.
1.2.3. Hệ thống nu i vi tảo ết hợp với màng sinh học
Hệ th ng nuôi trồng vi tảo kết hợp với màng sinh học là một hệ th ng h độc đ o
và rất khác so với các hệ th ng nuôi trồng vi tảo hiện nay. H u hết các hệ th ng nuôi
trồng vi tảo hiện n y như hệ th ng nuôi hở trong các ao hay hệ th ng kín PBRs thì hệ
th ng uôn được thiết kế sao cho gi các tế bào vi tảo khơng dính vào nhau ho c khơng
lắng trên bề m t đảm bảo cho các tế bào vi tảo uôn

ửng trong môi trường inh ư ng.

Các hệ th ng nuôi cấy vi tảo kết hợp với màng sinh học thì hồn to n ngược lại, nh ng
hệ th ng này khuyến khích vi tảo lắng ho c bám trên bề m t mong mu n bằng cách cho
phép các tế bào gắn vào màng sinh học, vi tảo sẽ được cô đ c một cách tự nhiên và dễ
dàng thu hoạch. Sinh kh i vi tảo thu được từ bề m t của màng sinh học có h m ượng
nước tư ng tự như vi tảo thu được từ hệ th ng nuôi hở h y

n s u hi y t m Do đó,

thời gian và chi phí cho việc thu hoạch sẽ rút ngắn và tiết kiệm (Johnson và Wen, 2010).
Gi ng như m ng sinh học vi khuẩn, màng sinh học vi tảo c ng có khả năng th ch nghi
với nh ng th y đổi củ môi trường, uy tr được các khuẩn lạc đ n h y từng cụm trên bề
m t màng và dễ dàng tách sinh kh i ra kh i bề m t màng. G n đ y nh ng nghiên cứu về
hệ th ng nuôi vi tảo kết hợp với màng sinh học ng y c ng được quan tâm bởi chi phí cho
q trình thu hoạch sinh kh i thấp, giải quyết được vấn đề ô nhiễm nước và nguồn sinh
kh i thu được là một trong nh ng nguồn nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học
(Christenson và Sims, 2011; Posadas và ctv, 2013).
Qúa trình ni vi tảo S. platensis c ng như một s vi tảo khác hiện nay chủ yếu nuôi
bằng phư ng ph p thủy canh truyền th ng ni trong nước), vì vậy c n q trình sục khí
liên tục nên dễ ảnh hưởng đến cấu trúc vi tảo (Tomaselli và ctv, 1981). Bên cạnh việc

nuôi tảo bằng phư ng ph p thủy canh thì một s vi tảo có khả năng ph t triển trên các vật
liệu hỗ trợ tạo thành các màng sinh học hiệu quả (Wuertz và ctv, 2003). G n đ y có rất
nhiều nghiên cứu sử dụng các vật liệu hỗ trợ để vi tảo bám vào phát triển tạo thành nh ng
12


màng biofilm (Shen và ctv, 2014; Blanken và ctv, 2014). Với kỹ thuật ni vi tảo này thì
nâng cao hiệu suất sinh kh i tảo, giảm chi phí sản xuất (Liu và ctv, 2013; Ozkan và ctv,
2012). Mulbry và Wilkie (2001 đã sử dụng công nghệ ATS (algal turf scrubber để đ nh
giá khả năng xử

nước thải c ng như sinh h i của nhóm tảo

m thu được khi sử dụng

nước thải chăn nuôi thô chư được phân hủy kỵ h v nước thải s u iog s để nuôi tảo.
Kết quả cho thấy với thành ph n N củ nước thải

n đ u từ 0,6 - 0,96 g N/ngày thì cho

năng suất sinh kh i tảo đạt 5 g/m2/ngày. Thành ph n sinh hóa của tảo thu được có chứa
1,5 - 2% P, 5 - 7% N. Hiệu quả loại b N, P l n ượt là 34,3 và 100 %.
Johnson và Wen (2010 đã sử dụng nước thải chăn nuôi

s

để nuôi thu sinh kh i

Chlorella. Nghiên cứu đã đ nh gi sự ảnh hưởng của 6 loại vật liệu hỗ trợ đến năng suất
thu sinh kh i của tảo c ng như hiệu quả loại b N v P Kết quả cho thấy sau 10 ngày ni

thì vật liệu po ystyrene fo m cho năng suất tảo cao nhất (2,56 g/m2/ngày, trọng ượng khô);
hiệu quả loại b N, P l n ượt là 61-79% và 62-93% . Kết quả thí nghiệm c ng ch ra rằng
sinh kh i tảo thu được sau khi thu hoạch có độ ẩm 9 ,8%, độ ẩm n y tư ng đư ng với độ
ẩm của sinh kh i tảo thu được sau khi ly tâm khi nuôi trong môi trường thủy canh truyền
th ng. Với hệ th ng nuôi tảo sử dụng vật liệu hỗ trợ polystyrene foam thì thu hoạch dễ
ng h n v có thể tái sử dụng vật liệu này nhiều l n trong một thời gian dài. Ngoài ra việc
sử dụng lại vật liệu s u hi đã thu hoạch vi tảo cho l n nuôi vi tảo tiếp theo thì mang lại
năng suất cao và rút ngắn được thời gi n h n so với việc sử dụng vật liệu

n đ u.

Liu và ctv (2013) đã nghi n cứu nuôi tảo Aucutodesmus obliquus ằng c ch sử ụng
giấy ọc như một vật iệu hỗ trợ cho tảo
80g/m2/ng y, gấp 7

m Kết quả năng suất củ A. obliquus đạt được

n so với hi nuôi thủy c nh ở c ng điều iện nuôi Lanlan và ctv

(2015) đã sử ụng vải như một vật iệu hỗ trợ để nghi n cứu nuôi vi tảo S. platensis Kết
quả s u

ng y nuôi th năng suất đạt được h c o với 6 g/m2/ngày và sinh h i thu

được có gi trị inh ư ng c o, nhưng h m ượng ipi , c r ohy r te, protein trong sinh
h i h c iệt hông đ ng ể so với hi nuôi ằng phư ng ph p thủy c nh

rong một

nghi n cứu h c, Johnson và ctv (2015) đã nghi n cứu hiệu quả nuôi vi tảo hi sử ụng

m ng sinh học có th nh ph n 5 % cotton v 5 % po yester để
tảo

m vật iệu hỗ trợ cho vi

m v o Nghi n cứu cho thấy năng suất sinh h i vi tảo thu được c o gấp ,8

với phư ng ph p thủy c nh truyền th ng

ảo thu được c ng có h m ượng ci

iệt hông đ ng ể so với hi nuôi ằng phư ng ph p thủy c nh
13

n so
o h c

ới mô h nh nuôi n y th


cho ph p vi tảo ph t triển h
nh ng gi thể được

ễ tr n nh ng gi thể để tạo th nh nh ng iofi m, hi m

o phủ đ y tảo th

c đó

thời điểm ắt đ u thu sinh h i được


1.2.4. Hệ thống nuôi trồng dị ƣỡng - nuôi trong tối (heterotrophic)
Hệ th ng n y đã

n đ u ti n được áp dụng để nuôi Chlorella, được mô tả bởi

(Kawaguchi, 1980). Theo báo cáo của Lee (1997), trong năm 996 có hoảng 550 tấn tảo
n y được sản xuất tại Nhật Bản. Các công ty Martek Inc (Mỹ c ng đã nuôi cấy
Crypthecodinium cohnii để sử dụng cho việc sản xuất các chuỗi dài acid béo không no
(Kyle và ctv, 1998). C c điều kiện đ c trưng cho hệ th ng nuôi cấy dị ư ng bao gồm:
nhiệt độ từ 6 đến 8oC; khơng có ánh sáng; t c độ khuấy trôn 200 - 480 vịng/phút; pH
từ 6, to 6,5; mơi trường ni cấy có chứ

g g ucose h y

bổ sung N v P để đảm bảo t lệ C:N:P l n ượt

cet te/L môi trường; v

9: , 5: , 5 Nhược điểm chính của hệ

th ng này là nó khơng thể được áp dụng cho tất cả các lồi tảo v

hó hăn trong vấn đề

về kỹ thuật, công nghệ.
1.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến q trình ni vi tảo
1.3.1. Nhiệt độ
Nhiệt độ là một trong nh ng yếu t môi trường quan trọng nhất ảnh hưởng tới t c
độ tăng trưởng,


ch thước tế bào và thành ph n sinh hóa của tảo. Nhiệt độ thích hợp cho
đến 40oC (Goldman và Carpenter, 1974).

sự phát triển của h u hết các loài tảo là từ

Mỗi lồi tảo c n ni ở một khoảng nhiệt độ thích hợp, ngo i ngư ng nhiệt độ tảo sẽ
khơng phát triển và có thể bị chết. Nó ảnh hưởng lớn đến thành ph n hóa học, sự hấp thu
các chất inh ư ng, sự đồng hóa CO2 và sự tăng trưởng của vi tảo. T c độ tăng trưởng
của tảo sẽ tăng đến mức t i ưu hi nhiệt độ tăng đến một mức nhất định, nếu nhiệt tiếp
tục tăng n a thì t c độ tăng trưởng của tảo sẽ giảm đ ng ể. Nhiệt độ t i ưu đ i với
Chlorella vulgaris nằm trong khoảng 25-30°C (Cassidy và Keelin, 2011), đ i với vi tảo
S. platensis thì nằm trong khoảng 35-40°C (Zarrouk, 1996).
Christov và ctv (2001) đã đ nh gi ảnh hưởng của nhiệt độ đến thành ph n hóa học
của Scenedesmus sp. Kết quả cho thấy khi nhiệt độ thấp h n 5°C th h m ượng chất
diệp lục v protein đều giảm trong khi các thành ph n carotenoids, saccarit và lipid lại
tăng

n, v có sự gi tăng

% của các loại đường và chất béo ở mức nhiệt độ 36°C.

Ngồi ra nhiệt độ cịn ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ kim loại của tảo
14

heo ết quả


củ Demon và ctv (1989) th nhiệt độ đã ảnh hưởng đến sự hấp thụ kim loại của
Scenedesmus sp., nhiệt độ tăng th


hả năng hấp thụ As, Zn v C c ng tăng theo

1.3.2. Ánh sáng
Thời gi n v cường độ nh s ng có ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển và
quang hợp của vi tảo. Vi tảo c n có một chu kỳ sáng/t i thích hợp cho quá trình quang
hợp được hiệu quả. Ánh sáng c n cho qu tr nh qu ng hó để sản xuất Adenosine
triphosphate (ATP) và bóng t i c n cho gi i đoạn tổng hợp các thành ph n sinh hóa và
đ c biệt tổng hợp protein c n thiết cho sự tăng trưởng. Nếu thời gian chiếu sáng dài,
cường độ ánh sáng cao sẽ làm giảm sinh kh i tảo (Hình 1.3). Các thí nghiệm khảo sát
c ng cho thấy sự gi tăng thời gian ánh sáng sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến t lệ gi tăng về
s

ượng của các lồi vi tảo được ni trồng (Al-Qasmi và ctv, 2012).

ể cho tảo phát

triển c n một cường độ ánh sáng nhất định, tuy nhi n, hi cường độ ánh sáng quá cao thì
làm tổn thư ng ộ máy quang hợp dẫn đến hiện tượng quang ức chế ‘photoinhi ition’

Chisti (2007)
Hình 1.3. Ảnh hƣởng của cƣờng độ ánh sáng lên tốc độ tăng trƣởng của vi tảo
Carvalho (2010) đã nghi n cứu ảnh hưởng của ánh sáng tới sự phát triển của vi tảo
trong hệ th ng PBRs. Tác giả thấy rằng nuôi vi tảo trong PB s n n được cung cấp thời
gian chiếu sáng, cường độ v

ước sóng thích hợp. Nếu nh s ng hơng đủ có thể dẫn

đến hạn chế sự tăng trưởng của vi tảo. Jacob-Lopes và ctv (2008) c ng đã đ nh gi ảnh
hưởng củ c c chu ỳ sáng/t i khác nhau: 0:24, 2:22, 4:20, 6:18, 8:16, 10:14, 12:12,

15


14:10, 16:8, 18:6, 20:4, 22:2 và 24:0 h (t i: sáng), tại nhiệt độ 350C đến sự phát triển của
Aphanothece microscopica Nageli. Kết quả thu được thời gian chiếu sáng giảm sẽ dẫn
đến ượng sinh kh i tảo thu được giảm ngoại trừ trường hợp chu kỳ chiếu sáng 12:12 (t i:
sáng).
Khi nghiên cứu trên vi tảo S. platensis việc sử dụng cường độ ánh sáng cao quá trong
quá trình ni có thể dẫn đến nh ng tác hại chính sau: ức chế quá trình quang hợp, giảm
t c độ tăng trưởng của tế bào, gây tổn thư ng tế bào nghiêm trọng v trong trường hợp
n ng làm giảm hiệu suất nuôi (Vonshak và ctv, 1994). Theo Pandey và ctv (2010), khi
khảo sát ảnh hưởng các mức độ khác nhau củ cường độ ánh sáng: 3; 3,5; 4; 4,5 và 5 Klux
đến sự phát triển của vi tảo S. platensis, thì tại cường độ ánh sáng 5 klux thì t i ưu nhất cho
sự phát triển của tảo với tảo đạt 1,7 g/L sinh kh i hô v h m ượng protein 64,3%.
Ngo i r cường độ ánh sáng còn ảnh hưởng đến sự tổng polysaccharide trong tảo.
Friedman và ctv (1991) báo cáo rằng hi cường độ nh s ng tăng từ 75 tới 300 µmol m-2
s-1 th h m ượng po ys cch ri e tăng ,6

n đ i với Porphyridium sp. và 3 l n đ i với

Porphyridium aerugineum B n cạnh đó, Tredici và ctv (1991) c ng đã chứng minh rằng
thành ph n c r ohy r te được tổng hợp trong vi tảo S. platensis trồng ngồi trời vào
nh ng ngày có nắng c o h n đ ng ể so với vào nh ng ngày có mây.
1.3.3. Dinh ƣỡng
Trong việc lựa chọn và thành ph n của một môi trường inh ư ng để ni tảo thì
ch

đến các yếu t s u đ y Grobbelaar, 2004):
 Nồng độ mu i độ m n) và áp suất thẩm thấu;
 Thành ph n sinh hóa của tế bào;

 Nguồn g c củ nit

nitr t, moni c, ur ;

 Nguồn g c của carbon (h u c – HCO3- h y vô c – CO2);
 pH, nhiệt độ, nh s ng
 Yếu t vi ượng, EDTA và vitamin.
H u hết sinh kh i tảo được cấu thành bởi sáu yếu t chính: carbon (C), oxy (O),
hy ro H , nit

N , ưu huỳnh (S) và ph t pho (P). Ngồi ra cịn có canxi (Ca), kali (K),

natri (Na), Clo (Cl), magiê (Mg), sắt Fe v si icon Si nhưng với h m ượng t h n B n
cạnh đó c n có c c yếu t khác với thành ph n rất ít chúng có vai trò trong các phản ứng
16


xúc tác. Thành ph n môi trường inh ư ng nuôi tảo c ng tư ng tự như thực vật bậc cao.
Yêu c u thành ph n inh ư ng ni tảo thì sử dụng khoảng 30 ngun t và hợp chất,
nhưng h u hết các thành ph n inh ư ng trong môi trường nuôi tảo hiện nay ch chứa là
một ph n trong s trên.
Tùy thuộc vào từng lồi tảo, phư ng ph p ni cấy hay mục đ ch

ng sinh h i tảo

thu được để sản xuất mà thành ph n chất inh ư ng trong môi trường ni cấy sẽ khác
nh u

iều này có thể được thấy rõ trong việc trồng Dunaliella salina với mục tiêu là dùng


để chiết xuất β-c roten đã được áp dụng công nghệ nuôi cấy h i ph Ph đ u tiên của q
trình ni tảo là nhân nhanh sinh kh i vì vậy, mơi trường ni tảo c n có h m ượng cao
của nit v độ m n thấp. Trong pha thứ hai yêu c u môi trường inh ư ng có h m ượng
thấp củ nit v độ m n c o, điều này sẽ th c đẩy Dunaliella salina tạo ra nhiều β-caroten
h n Gro e

r,

4

i tảo tạo ra một ượng lớn các hợp chất chuyển hóa thứ cấp đ c

biệt trong nh ng điều kiện khắc nghiệt như hạn chế về h m ượng nit , độ m n c o, cường
độ ánh sáng cao hay nhiệt độ thấp Ngo i r đôi hi tảo c ng tiết ra nhiều chất có nh ng
đ c tính ch ng oxy hó như po yuns tur te , protein Pulz và Gross, 2004).
 Carbon
Carbon là yếu t quan trọng nhất được hấp thụ bởi tảo. Nó chiếm 46- 50% sinh kh i
khô của tảo (Grobbelaar, 2004). Tùy thuộc vào hình thức inh ư ng của tảo mà nguồn
cung cấp carbon ở dạng khí ho c h u c

i với sinh vật quang tự ư ng hấp thu CO2 để

tạo ra hợp chất h u c thông qu qu tr nh qu ng hợp, với hình thức dị ư ng thay vì hấp
thụ CO2 thì tảo sử dụng các chất h u c như c c oại đường đ n giản như g ucose, ci
h uc

xit xetic, xit ctic , rượu ho c các axit amin (Kawietniewska và ctv, 2012).

 Nitrogen
Nitrogen được tảo sử dụng để tạo ra các amino acid, acid nucleic, chlorophyll và các

hợp chất h u c chứ nit

h c Nit chiếm 1 -10% sinh kh i khơ của tế bào tảo. Tùy

thuộc vào lồi tảo v điều kiện nuôi cấy hi m h m ượng nit bị thiếu th nó thường được
biểu hiện thơng qua sự th y đổi màu sắc củ môi trường nuôi cấy chuyển sang màu vàng
cam. Nguyên nhân là do sự sụt giảm chlorophyll và sự gi tăng về h m ượng carotenoids
thứ cấp và bởi sự t ch
4

y c c hợp chất h u c như c r ohydrate hay chất béo (Grobbelaar,

i với vi tảo S. platensis trong điều kiện thiếu N thì sẽ làm giảm khả năng c định

cacbon ngay cả hi được sục với khí CO2 cao (Juneja và ctv, 2013).
17


Nitrogen được tảo hấp thụ ưới nh ng dạng sau:
 Nitrates (NO3-), nitrites (NO2-): Khi 2 nguồn nit n y được tảo hấp thụ thì pH của mơi
trường inh ư ng sẽ tăng;
 Ammonium (NH4+): Khi ion NH4+ được tảo hấp thụ thì pH củ mơi trường sẽ giảm do
sự tăng nồng độ ion H+. C n chú ý ở đ y

ion NH4+ có thể biến đổi thành NH3 dạng

khí và dễ dàng thốt kh i mơi trường inh ư ng.
 Urea: Các loài tảo phát triển t t h n trong mơi trường có sự hiện diện của nitrogen
ưới dạng ure h n


nitrogen ưới hình thức nitrat hay ammonium. Một trong nh ng

giả thuyết giải th ch cho cho điều đó

tảo khơng ch hấp thu nit m c n hấp thu

carbon chứa trong phân tử urê.
 Các chất h u c

h c như mino ci s

Tảo ch hấp thụ được N khi nó tồn tại một trong các dạng tr n để sản xuất các thành ph n
của tế

o như ci

min v protein

rong đó, ạng NH4+ được xem là nguồn t t nhất để

sử dụng trực tiếp làm nguồn đạm cho tảo (Kawietniewska và ctv, 2012).
 Phosphorus
Ph t pho P chiếm 1 - 1,2% sinh kh i khô của tế bào tảo (Reynolds, 2006). Nó là
thành ph n chủ yếu của acid nucleic, ATP và màng tế b o ưới dạng là phospholipid.
Tảo sử dụng phosphor ở 2 dạng ion H2PO4- và HPO42-. Nh ng ảnh hưởng khi thiếu P thì
c ng tư ng tự như thiếu N, bên cạnh đó hi thiếu P cịn xuất hiện thêm sự ức chế tổng
inh ư ng như nit

hợp phycobilisomes (Hu, 2004). Các yếu t


N v ph t pho (P)

cung cấp cho q trình ni cấy tảo có thể được lấy từ phân bón nơng nghiệp, đ y được
xem là một c ch đ n giản đ n giản, dễ kiếm nhưng có thể
tảo. Có nhiều lựa chọn nguồn cung cấp nit

m tăng chi ph nuôi trồng

N v ph t pho (P) rẻ h n đó

việc sử dụng

nước thải ao ni cá (Aresta và ctv, 2005) h y nước thải từ chuồng ni heo (Olgn và
ctv, 2003) hay là các chất inh ư ng có được từ sự thu hồi ư ượng chất thải của các
quy trình cơng nghệ ví dụ lên men kỵ khí ho c q

trình khí hóa.

 C c ho ng đa và vi lƣợng
Kho ng vi ượng có trong tế bào tảo với s

ượng rất nh (<4 ppm). Sắt (Fe),

mangan (Mn), coban (Co), kẽm Zn , đồng (Cu) và nickel (Ni) là sáu kim loại vi ượng
quan trọng nhất để đảm bảo cho tảo thực hiện chức năng chuyển hóa (Bruland và ctv,
1991). Sự thiếu hụt các kim loại vi ượng dẫn đến hạn chế sự phát triển của tảo, trong
18


trường hợp khi nồng độ kim loại qu c o tr n ngư ng độc tính) có thể ức chế sự tăng

trưởng, giảm quang hợp, phá hủy chất ch ng oxy hóa và làm tổn thư ng m ng tế bào. Sắt
là một kim loại quan trọng cho sự phát triển

nh thường, hoạt động của quang hợp và hô

hấp trong tảo Nó đóng v i tr như chất xúc tác oxy hóa khử trong q trình quang hợp,
đồng hó nit v

m trung gi n phản ứng vận chuyển điện tử trong các sinh vật quang

ư ng (Terry và Abadía, 1986). rong điều kiện giới hạn nồng độ sắt gây ức quá trình
vận chuyển điện tử, kết quả là giảm sự hình thành NADPH. Nồng độ cao của sắt trong
mơi trường nuôi Chlorella vulgaris sẽ

m tăng h m ượng lipid, giảm h m ượng sắt thì

sẽ giảm h m ượng carotenoid tạo thành. Trong khi có một s kim loại khơng c n thiết
như C , P v Cr có thể ức chế nhiều qu tr nh tr o đổi chất thậm chí với s
một s kim loại như Zn v Cu m

ượng nh

hi nồng độ q cao thì có thể gây ngộ độc (Juneja và

ctv, 2013).
 Nồng độ CO2/O2
M c dù CO2 hòa tan t t trong nước nhưng với h m ượng CO2 thấp trong khí quyển
,

%


hơng đảm bảo tảo tăng trưởng t i ưu Gro

e

r,

nuôi tảo, CO2 sẽ được b m ổ sung ở c c nồng độ h c nh u

4

vậy, trong mơ hình

rong qu tr nh ni cấy,

cacbon ở dạng khí được hấp thụ bởi tảo theo phản ứng sau:
2HCO3- 
HCO3- 

CO32- + H2O + CO2
CO2 + OH-

CO32- + H2O 

CO2 + OH-

Theo phản ứng trên chúng ta có thể thấy, thơng thường tảo Spirulina sử dụng các bon
ở dạng HCO-3 và hình thành các ion OH-, CO32- dẫn tới việc pH trong dịch huyền phù ln
có xu hướng tăng lên và có thể n đến giá trị pH =


Phư ng ph p t t nhất điều ch nh pH

là cung cấp liên tục CO2 hay bổ sung acid acetic vào dịch tảo thì pH sẽ giảm xu ng
(Grobbelaar, 2004). Việc

m CO2 không ch là giải pháp t t để điều ch nh pH mà nó còn

ngăn ngừa sự lắng đọng của các tế bào tảo v o đ y ể nuôi thông qua hiệu ứng khuấy đảo
trong bể nuôi. Aresta và ctv (2005 đ nh giá ảnh hưởng của 5 mức nhiệt độ (25, 27, 29 và
˚C ,

mức nồng độ CO2 (2, 4, 6%), 5 mức nồng độ O2 (10, 20, 30, 40, 50%) và 6 mức

cường độ chiếu sáng (từ 20 - 200 µmol/m2/s đến sự phát triển của Euglena gracilis. Kết
quả ở nhiệt độ từ 27-31°C, nồng độ CO2 (4%), nồng độ O2 (20%) và cường độ chiếu sáng
19


(100 μmo /m2/s) thì tảo phát triển t t nhất. Một nghiên cứu khác trên vi tảo S. platensis đã
đ nh gi được khi nồng độ CO2 cao dẫn đến làm giảm h m ượng protein và các sắc t
o nhưng tăng h m ượng carbohydrate. Sự th y đổi n y

trong tế

o theo năng suất sinh

kh i giảm (Gordillo và ctv, 1998).
 pH
M c dù có một s lồi tảo có khả năng chịu được phạm vi pH rất rộng (pH 6 - 11).
Tuy nhiên, phạm vi pH thích hợp cho sự phát triển của h u hết các loài tảo là 7 - 9, t i ưu

là 8,2 - 8,7

i với vi tảo S. platensis có thể s ng và phát triển nh nh trong môi trường

gi u ic r onic v độ kiềm c o độ pH từ 8,5 - 11). Nếu pH tăng c o th nó sẽ đóng v i
trị hoạt động như một chất ức chế sự tăng trưởng của tế bào, vì vậy việc kiểm so t độ pH
củ môi trường nuôi cấy là rất c n thiết (Richmond, 2000). Theo Pandey và ctv (2010) thì
tại giá trị pH 9, vi tảo S. platensis có h m ượng sinh kh i khơ 1,82 g/l và protein cao
nhất 64,3%. Ở pH = 12 thì vi tảo S. platensis

hông sinh trưởng phát triển được m c dù

tảo có thể thích nghi với mơi trường th y đổi pH, tuy nhiên sự th y đổi này xảy r đột
ngột sẽ dẫn đến sự phá hủy tế

o, điều này xảy r đ i với mơi trường có dung dịch đệm

không t t. Dung dịch đệm được sử dụng là 0,2 M NaHCO3 (Zarrouk, 1996). Sự hấp thu
ion NO-3 sẽ dẫn đến sự tăng pH củ môi trường v ngược lại sự hấp thu NH4+ sẽ làm
giảm pH. Trong q trình ni cấy mật độ tảo càng cao thì sự th y đổi pH trong ngày
càng lớn, thấp nhất vào sáng sớm và cao nhất vào lúc xế chiều.
 Khuấy trộn
Thời gian khuấy trộn được định nghĩ

thời gian c n thiết để đảm bảo hỗn hợp

đồng nhất. Khuấy trộn có vai trị quan trọng giúp tảo
đ y,

ửng trong nước tránh lắng xu ng


m tảo có c hội tiếp x c đều với ánh sáng và chất dinh ư ng, loại b oxy được

tạo ra trong quá trình quang hợp, hạn chế hiện tượng ức chế quang hợp

ồng thời, sục

khí hạn chế sự phân t ng nhiệt độ, sự kết tủa của kim loại c ng như sự lắng xu ng đ y
của các kim loại n ng (Janvanmardian và Palsson, 1991). Hiện nay có nhiều nghiên cứu
đã chứng minh được ở cùng một điều kiện ni cấy thì t c độ tăng trưởng của tảo ở điều
kiện nuôi có khuấy trộn sẽ phát triển nh nh h n so với điều kiện ni khơng có khuấy
trộn. Tùy thuộc vào chủng tảo và hệ th ng nuôi cấy tảo mà chọn thiết bị khuấy trộn phù
hợp

i với các hệ th ng nuôi hở như c c ể nuôi tảo ngoài trời th thường sử dụng hệ

20


th ng cánh khuấy để khuấy trộn (Hase và ctv, 2000), còn với các PBRs sử dụng nh ng
động c để khuấy trộn.
 M t độ nuôi cấy an đầu
Mật độ b n đ u là một trong nh ng yếu t có liên quan mật thiết đến sinh kh i và
thời gian tảo đạt cực đại. Tuỳ loài tảo khác nhau mà mật độ gieo cấy

n đ u c ng h c

nhau. Theo Nguyễn Thanh Mai và ctv (2009) th c c o i tảo đều phát triển theo qui luật:
Khi mật độ gieo cấy


n đ u cao, t c độ sinh trưởng của tảo nhanh, sinh kh i cao và thời

gi n đạt cực đại càng ngắn. Tuy nhiên, khi mật độ

n đ u quá cao thì mật độ đạt cực đại

lại hông c o h n Sự khác nhau về mật độ gieo cấy
ượng tế bào tham gia phân chia bởi vậy s

s

c ng h c nh u S

n đ u ảnh hư ng quyết định đến

ượng tế bào sinh ra trong từng thời điểm

ượng tế bào tham gia phân chia càng nhiều, mật độ tăng c ng nh nh

v ngược lại. Song cùng với sự tăng nh nh về s

ượng tế bào tảo, các yếu t mơi trường

h c c ng nh nh chóng th y đổi theo: Lượng mu i inh ư ng giảm nh nh, pH tăng, hả
năng nhận ánh sáng của tế bào giảm
1.4. Đặc tính và

iều này rất có nghĩ trong thực tế sản xuất.

l nƣớc thải chăn nu i h o


1.4.1. Đặc tính của nƣớc thải chăn nu i h o
Nước thải chăn nuôi

hỗn hợp bao gồm nước thải gi s c, nước vệ sinh gia súc,

chuồng trại, nước ăn u ng và phân l ng hòa tan. Nhiều loại ph n động vật có thành ph n
inh ư ng tư ng tự như th nh ph n củ môi trường ni cấy vi tảo và nó hỗ trợ t t cho
sự tăng trưởng của một s chủng vi tảo (Zhou và ctv, 2014). Thành ph n củ nước thải
chăn nuôi heo gi u nguồn carbon h u c , đường và các chất inh ư ng h c như nit
(N) và ph t pho P , đ y được xem là một nguồn phân bón tuyệt vời trong nơng nghiệp.
Dạng chính củ nit h

t n trong ph n heo

moni (NH+4 -N), đ y

nguồn dinh

ư ng phù hợp cho tảo đồng hó để xây dựng tế bào. Theo Hu và ctv (2013), ngoài
ượng lớn N v P, th trong nước thải chăn ni heo có chứ h m ượng acid béo dễ bay
h i với h m ượng 677 mg/ ,
5

o gồm ci

xetic, ci propionic v

y được coi là nguồn cacbon h u c h


ci

utyric Bảng

t n tiềm năng trong nuôi trồng vi tảo.

Bảng 1.5. Đặc tính của nƣớc thải chăn nu i h o trƣớc và sau quá trình ủ kỵ khí
Thơng s

Nước thải chăn ni heo trước
21

Nước thải chăn nuôi heo s u


khi ủ kỵ khí
pH

khi ủ kỵ khí

7,45 ± 0,31

8,31 ± 0,29

20.820 ± 45,1

7.752 ± 24,1

NH3-N (mg/ L)


5.190 ± 9,2

1.576 ± 6,0

N tổng s

mg N/L

6.880 ± 6,1

2.140 ± 4,2

P tổng s

mg/L

367 ± 1,5

604 ± 2,4

COD (mg/L)

Hu và ctv (2012)
Tuy nhiên, do trong thành ph n nước thải chứa nồng độ cao của tổng s chất rắn
lửng c ng như h m ượng nit , điều này sẽ hạn chế sự phát triển của tảo c ng như ngăn
cản sự tiếp xúc với ánh sáng của vi tảo. Vì vậy mẫu nước thải thường được pha loãng với
nước cất trước hi được sử dụng để nuôi tảo
nhiều ho ng đ

rong nước thải chăn nuôi heo c n t m thấy


ượng bao gồm ưu huỳnh, m gie,

i v vi ượng như ẽm, mangan,

đồng, oron để hỗ trợ cho sự tăng trưởng của tảo (Hu và ctv, 2012). Nhiều nghiên cứu
trước đ y đã sử dụng nước thải chăn nuôi heo để nuôi vi tảo (Ji và ctv, 2014; Luo và ctv,
2016; Nam và ctv, 2017). Tuy nhiên, nh ng vấn đề đ t ra khi sử dụng trực tiếp nước thải
chăn nuôi heo chư qua xử lý bao gổm: độ đục cao do sự có m t của các hạt rắn; hàm
ượng nit c o; nguồn cacbon chủ yếu ở dạng hợp chất h u c

hông h

t n h y thiếu

các chủng vi tảo có khả năng th ch nghi c o với mơi trường ph n động vật (Zhou và ctv,
2014). Vì vậy nước thải thường được tiền xử
ph

trước hi được sử dụng để ni tảo như

ỗng nước thải với nước, y t m để loại b chất rắn h y nước thải được được xử lý

bằng h m phân hủy yếm khí (h m biogas). Qúa trình ủ kỵ h th c đẩy q trình chuyển
hóa nh ng chất h u c th nh nguồn cacbon mà tảo có thể sử dụng được.
1.4.2. Một số nghiên cứu

l nƣớc thải chăn nu i h o cứu s

dụng vi tảo S.


platensis
Sử dụng nước thải để nuôi vi tảo là một

tưởng đ c biệt hấp dẫn vì khả năng qu ng

hợp củ ch ng để chuyển đổi năng ượng m t trời thành sinh kh i kết hợp với việc sử
dụng các chất inh ư ng như nit v ph t pho trong nước thải, là nguyên nhân gây ra
hiện tượng ph

ư ng (De laNoue và De Pauw, 1988). Ý tưởng hấp dẫn n y đã được đề

22


xuất ởi Osw

v Got s

957 v đã được thử nghiệm ở nhiều nước trong nhiều năm

qua (Oswald và Gotaas, 1957; Goldman, 1979; Shelef và ctv, 1980).
Nh ng nghiên cứu sâu về nguồn cacbon cho quang hợp của Spirulina và công nghệ
sử dụng CO2 trực tiếp (không qua ph i trộn h đã được thử nghiệm có kết quả tại h i c
sở nuôi trồng mới là Bến re v

ồng N i C c nghi n cứu đã tiến hành hàng loạt cơng

trình nghiên cứu nhằm đ nh gi tổng qu t h m ượng các chất trong sinh kh i Spirulina,
nhấn mạnh tới các chất có hoạt tính sinh học. Khả năng ch ng chịu mu i NaCl của

Spirulina ước đ u được nghiên cứu nhằm tận dụng nguồn nước biển, nước lợ cho khả
năng sản xuất Spirulina trong tư ng

i Nh ng nghiên cứu tận dụng nguồn nước thải

ư m t tằm; nước thải củ nh m y ph n đạm; nước thải từ h m biogas; phế thải CO2 của
công nghiệp sản xuất i , rượu và kể cả r đường củ nh m y đường

để nuôi trồng và

tăng sinh h i Spirulina c ng đã được thực hiện Tr n ăn ự v

ăn ụ, 1994).

Xử lý chất thải chăn nuôi heo ằng hệ th ng biogas

nh ôn và ctv, 2008) cho

thấy nồng độ chất ô nhiễm trong chất thải chăn nuôi giảm đ ng ể, đ c biệt là các ch tiêu
BOD5 v COD trong nước thải. Cụ thể, BOD5 trong nước thải ở chuồng heo nái giảm 75,0
- 80,8%, ở chuồng heo thịt giảm 75,89 - 80,36%; COD ở chuồng heo nái giảm 66,85%, ở
chuồng heo thịt giảm 64,94 - 69,73%. Hồ Bích Liên và ctv (2016) xây dựng hệ th ng đất
ngập nước kiến tạo để giảm thiểu ô nhiễm môi trường o nước thải chăn nuôi s u iog s
gây ra, hệ th ng xây dựng tại một hộ chăn nuôi heo ở thị xã Tân Uyên (t nh B nh Dư ng
dựa trên các thông s kỹ thuật và bản thiết kế. Hệ th ng được vận hành với ưu ượng đ u
vào là 1m3/ngày cho hiệu suất xử lý nhu c u oxy hóa học (COD), nhu c u oxy sinh học
(BOD5), chất rắn

ửng (SS), tổng nit , tổng photpho, Coliforms l n ượt


89, ; 88, ; 99,6; v 99,9% Nước thải sau xử

99, ; 97,8;

đ p ứng cột A QCVN 40:2011/BTNMT.

Theo Lê Hoàng Việt và ctv (2017), nghiên cứu trên hai mơ hình ao thâm canh
Spirulina sp xử

nước thải heo từ h m ủ iog s Nước thải từ h m ủ iog s được lắng 30

phút, pha loãng với nước máy ở t lệ : để giảm bớt nồng độ chất ô nhiễm v độ màu
trước hi đư v o o tảo. Ở thời gi n ưu 5 ng y, ết quả phân tích cho thấy nồng độ
BOD5, COD, Nts, Pts, N-NH4 và tổng Co iform trong nước thải đ u ra sau khi thu sinh kh i
tảo giảm l n ượt là 73,8; 74,1; 95,7; 83,1; 99,4 và 

%

rong hi đó ở thời gi n ưu

ngày thì BOD5, COD, Nts, Pts, NH4 và tổng Coliform giảm 61,7; 61,8; 95,1; 67,4; 98,4 và
 100%. Gi a hai thời gi n ưu nước, nồng độ các ch tiêu BOD5, COD và Pts trong nước
23