Bài viết Tiềm năng của hệ thống nuôi trồng vi tảo cố định trên màng sinh học (biofilm) so với các phương pháp truyền thống giới thiệu mô hình nuôi vi tảo bằng phương pháp nuôi cố định trên màng sinh học được xem một hướng mới và có nhiều ưu điểm so với phương pháp thủy canh truyền thống. Mời các bạn cùng tham khảo!
TIỀM NĂNG CỦA HỆ THỐNG NUÔI TRỒNG VI TẢO CỐ ĐỊNH TRÊN MÀNG SINH HỌC (BIOFILM) SO VỚI CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG Nguyễn Thị Liên1 Viện phát triển ứng dụng Email: liennt@tdmu.edu.vn TÓM TẮT Hầu hết hệ thống nuôi trồng vi tảo hệ thống ni hở ao hay hệ thống kín photobioreactor (PBRs) hệ thống ln thiết kế cho giữ tế bào vi tảo khơng dính vào không lắng bề mặt đảm bảo cho tế bào vi tảo lơ lửng môi trường dinh dưỡng Các hệ thống nuôi cấy vi tảo kết hợp với màng sinh học hồn tồn ngược lại, hệ thống khuyến khích vi tảo lắng bám bề mặt mong muốn cách cho phép tế bào gắn vào màng sinh học, vi tảo cô đặc cách tự nhiên dễ dàng thu hoạch Trong phương pháp môi trường nước sinh khối phần lớn tách việc thu hoạch sinh khối dễ dàng, tiết kiệm nước, suất sinh khối hiệu thu hoạch cao Sinh khối vi tảo thu từ bề mặt màng sinh học có độ ẩm tương tự vi tảo thu từ hệ thống ni hở hay kín sau ly tâm Do đó, thời gian chi phí cho việc thu hoạch rút ngắn tiết kiệm Từ khóa: Hệ thống ni vi tảo cố định màng sinh học, hệ thống nuôi trồng vi tảo hở kín GIỚI THIỆU Hầu hết mơ hình ni trồng tảo sử dụng phương pháp thủy canh truyền thống thông qua hai hệ thống ni hở kín Tuy nhiên, hai hệ thống ni trồng tảo nêu có ưu, nhược điểm định khơng phải hệ thống sản xuất sinh khối tảo cho suất tối ưu Ngoài sử dụng hai hệ thống để ni tảo mơi trường liên tục khuấy trộn, điều ảnh hưởng xấu đến cấu trúc hình thái tảo Hơn nữa, để thu hoạch tảo từ hệ thống chi phí cho trình loại nước cao chiếm từ 21-30% tổng chi phí sản phẩm tốn nhiều thời gian (Davis nnk., 2011) Hệ thống nuôi trồng vi tảo kết hợp với màng sinh học hệ thống độc đáo khác so với hệ thống nuôi trồng vi tảo Dựa theo vị trí đặt vật liệu sử dụng để làm màng sinh học mơi trường ni hệ thống chia làm loại: hệ thống bán chìm hệ thống có màng sinh học nằm chìm mơi trường Mơ hình ni vi tảo phương pháp nuôi cố định màng sinh học xem hướng có nhiều ưu điểm so với phương pháp thủy canh truyền thống ƯU ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG NUÔI VI TẢO KẾT HỢP VỚI MÀNG SINH HỌC SO VỚI PHƯƠNG PHÁP THỦY CANH TRUYỀN THỐNG (BÀNG 1) 2.1 Thu hoạch dễ dàng, đơn giản chi phí lượng thấp Chi phí lượng thấp trình thu sinh khối đơn giản dễ dàng lợi bật hệ thống nuôi (Zhuang nnk., 2014) Trong hệ thống nuôi cấy vi tảo theo phương 216 pháp thủy canh truyền thống nồng độ sinh khối vi tảo thường 1% Vì vậy, chi phí cho thu hoạch/ loại nước khỏi sinh khối chiếm 21 - 30% tổng chi phí Vi tảo thu hồi từ môi trường nuôi cấy thường cách lọc, ly tâm tuyển (Hình 1) Sau đó, sinh khối phải loại nước để cô đặc nồng độ (Barlow nnk., 2016) Hình Một số thiết bị sử dụng cho trình tách sinh khối vi tảo từ môi trường nuôi (Davis nnk., 2011) Ngược lại, hệ thống nuôi kết hợp với màng sinh học trình thu hoạch lại dễ dàng, đơn giản cần lực học nhỏ tác động lên bề mặt màng thu lấy sinh khối (Hình 2) Ngồi ra, sinh khối vi tảo thu có nồng độ 10-20% (trọng lượng khô), với nồng độ sinh khối thu phương pháp thủy canh truyền thống sau ly tâm (Gross nnk., 2013; Johnson Wen 2010) Như vậy, chi phí lượng cho trình loại nước theo phương pháp nuôi kết hợp với màng sinh học giảm đáng kể 99,7% so với phương pháp thủy canh truyền thống (Huang nnk., 2016) Hình Qúa trình thu sinh khối vi tảo từ màng sinh học (Johnson Wen, 2010; Lanlan nnk., 2015) 217 2.2 Linh hoạt, dễ dàng cho mục tiêu tăng hàm lượng lipid sinh khối vi tảo Trong phương pháp thủy canh truyền thống thường để tăng tích lũy lipid tế bào tế bào vi tảo thu hoạch trước tiên sau đó chuyển tế bào sang môi trường bị giới hạn nồng độ chất dinh dưỡng Tuy nhiên, trình thu sinh khối vi tảo từ mơi trường pha lỗng nhiều khó khăn chi phí cao Trong đó, hệ thống ni sử dụng màng sinh học với mật độ cao vi tảo bề mặt màng để thúc đẩy q trình tích lũy lipid tế bào cần thay môi trường nuôi cấy giàu nitơ môi trường nuôi cấy bị giới hạn nguồn nitơ Như với cách thức trình thực dễ dàng, linh hoạt chi phí thấp (Cheng nnk., 2013) 2.3 Sự tiêu thụ nước ít Hệ thống nuôi cấy vi tảo kết hợp với màng sinh học làm giảm đáng kể lượng nước yêu cầu lượng đầu vào (Yin nnk., 2015) Theo nghiên cứu Yin nnk (2015) thể tích nước giảm đáng kể sử dụng hệ thống Yin nnk cải tiến hệ thống nuôi Zhang nnk (2014) cách thu nhỏ lại khoang hẹp kín kết hợp với tốc độ sục khí chậm ni Haematococcus pluvialis Kết thu lượng nước sử dụng giảm 90% Trong hệ thống nuôi Chlorella vulgaris Haematococcus pluvialis gắn màng Wan (2014) Huang (2016) kết cho thấy nhu cầu nước sử dụng 30% 55% so với hệ thống nuôi thủy canh ao hở truyền thống không gắn màng (Wan nnk., 2014; Huang nnk., 2016) 2.4 Năng suất cao tiết kiệm khơng gian, diện tích Trong hệ thống nuôi gắn màng mật độ tế bào bề mặt màng lớn Vì suất sinh khối thu trực tiếp từ màng sinh học cao đạt 96,4 kg/m3, kết cao gấp 300 lần so với hệ thống nuôi ao hồ - hình thức ni thủy canh truyền thống khơng gắn màng (Ozkan nnk., 2012) Do đó, bên cạnh lợi khía cạnh thu hoạch dễ dàng việc sử dụng hệ thống để ni vi tảo tiết kiệm nhiều khơng gian mật độ sinh khối cao nhiều so với hệ thống nuôi thủy canh truyền thống Vi tảo hệ thống ni có gắn màng sinh học cho suất cao khả truyền ánh sáng truyền CO2 (Huang nnk., 2016; Cheng nnk., 2017) hiệu Theo Lee nnk (2014) hệ thống nuôi cấy vi tảo mà màng sinh học đặt theo hướng dọc chìm mơi trường, độ xun thấu ánh sáng xuống đáy cao nhiều so với hệ thống thủy canh truyền thống không gắn màng Kết cho thấy sau ngày nuôi, tỷ lệ ánh sáng xuyên xuống đáy hệ thống gắn màng hệ thống không gắn màng gần 5% 12% Đối với hệ thống nuôi cấy vi tảo khơng chìm bán chìm mơi trường ni tế bào vi tảo màng dễ dàng sử dụng CO2 từ pha khí giàu CO2 thơng qua màng chất lỏng mỏng, trong hệ thống ni trồng vi tảo thủy canh truyền thống CO2 cần khuếch tán qua pha khí, pha lỏng trước chuyển hồn tồn vào mơi trường ni để vi tảo sử dụng Do đó, vi tảo hệ thống ni kết hợp với màng có tăng trưởng nhanh Theo nghiên cứu Lee (2014), sinh khối vi tảo hệ thống gắn màng cho suất 1,9 g/m2/ngày, kết cao gấp 2,8 lần so với hệ thống nuôi thủy canh không gắn màng Trong nghiên cứu khác, Liu nnk (2013) nuôi Botryococcus braunii hệ thống gắn màng đặt theo chiều dọc (khơng chìm mơi trường ni), kết thu suất sinh khối đạt 5,7 g/m2/ngày, tăng 150% so với hệ thống nuôi cấy không gắn màng điều kiện 218 Vi tảo hệ thống có gắn màng sinh học tế bào gắn cố định màng thay lơ lửng phân tán khắp môi trường nuôi hệ thống không gắn màng (Lee nnk., 2014) Vi tảo hệ thống ni có gắn màng nhận đủ ánh sáng (191 -354 μmol/m2/s) cho trình quang hợp tăng trưởng chúng chí lớp đáy hệ thống nuôi Trong hệ thống nuôi lượng ánh sáng mà mọi tế bào vi tảo nhận cân Điều tránh tình trạng thường thấy hệ thống nuôi thủy canh không gắn màng đó tế bào vi tảo lớp bị bão hòa ánh sáng lớp thường bị thiếu ánh sáng Vì vậy, hệ thống ni có gắn màng sinh học cho suất cao nhiều so với hệ thống thủy canh khơng gắn màng Tuy nhiên có ý kiến khác vấn đề này, theo Lutzu nnk (2017) màng sinh học dày với phát triển vi tảo cường độ ánh sáng giảm dần màng, nguyên nhân tế bào vi tảo cố định lớp bề mặt màng dày lên nên vi tảo lớp màng khơng thể nhận đủ ánh sáng 2.5 Hiệu xử lý nước cao Công nghệ sản xuất sinh khối vi tảo kết hợp với xử lý nước thải ngày phổ biến nghiên cứu nhiều nhờ khả sử dụng nitơ phốt nước vi tảo (Choudhary nnk., 2017; Lee nnk., 2014) So với nuôi cấy vi tảo hệ thống thủy canh khơng gắn màng hệ thống gắn màng khơng bị theo nước chảy khỏi hệ thống với nước xử lý Do đó, thời gian lưu nước không lâu thời gian lưu bùn nó có thể ngắn cho hiệu suất xử lý nước cao, thời gian lưu bùn có thể lâu để trì nồng độ sinh khối vi tảo cao hệ thống nhằm đạt hiệu xử lý tối ưu Bảng So sánh hệ thống nuôi vi tảo kết hợp với màng sinh học so với phương pháp thủy canh truyền thống Phương pháp thủy canh truyền thống Hệ thống nuôi vi tảo kết hợp với màng sinh học Diện tích ni trồng lớn Diện tích ni trồng lớn nhỏ Rất cao, nguyên nhân gây kết Sự nước Thấp tủa muối Tổn thất CO2 Cao, phụ thuộc vào độ sâu Thấp Tích lũy O2 hệ thống yêu cầu thiết bị Nồng độ oxy Thường thấp chuyên dụng để đảm bảo trao đổi khí Biến đổi cao, kiểm sốt nhiệt độ có Nhiệt độ làm mát nhờ thiết bị ấn định Nhiệt độ thể thông qua việc điều chỉnh độ sâu tự động hồ ni Xuất q trình khuấy trộn nhẹ Stress tế bào Không phát không quá trình khuấy trộn nhàng Vệ sinh Đơn giản, không phức tạp Phức tạp Nguy nhiễm bẩn Cao Thấp Chịu tác động yếu tố ngoại cảnh, Sự phụ thuộc vào Hệ thống không chịu tác động thời tiết Việc đó việc quản lý yếu tố hóa lý bị thụ điều kiện thời tiết quản lý yếu tố vật lý chủ động động Sự linh động ni Chỉ ni vài lồi, vấn đề thay đổi Có khả linh động ni nhiều chủng tảo chủng tảo ni lồi khác dễ dẫn đến bị nhiễm khác mà không bị nhiễm Chi phí vận hành Thấp Cao Cao, tùy thuộc vào lồi ni cấy Thấp nồng độ cao sinh khối, thu hoạch Chi phí q trình dễ dàng kiểm sốt tốt điều kiện ni ni trồng lồi ni cấy Thơng số Diện tích 219 Hiệu xử lý nước cao so với hệ thống thủy canh không gắn màng (Iman nnk., 2016) Theo nghiên cứu Choudhary nnk (2017) sử dụng nước thải chăn nuôi để làm nguồn dinh dưỡng nuôi vi tảo Kết hệ thống có gắn màng cho hiệu loại bỏ COD, NO3-, TDP, TAN 87%, 91%, 93% 98% với thời gian lưu nước ngày Trong đó hệ thống thủy canh khơng gắn màng có hiệu suất loại bỏ COD, NO3-, TDP, TAN 80%, 87%, 83% 99% với thời gian lưu nước 12 ngày KẾT LUẬN Mơ hình ni vi tảo phương pháp nuôi cố định màng sinh học xem lựa chọn hợp lý, hướng khắc phục hạn chế phương pháp thủy canh truyền thống hứa hẹn mang lại hiệu cao TÀI LIỆU THAM KHẢO Barlow J., Sims R and Quinn J C., 2016 Techno-economic and life-cycle assessment of an attached growth algal biorefinery Bioresour Technol, 220:360–8 Cheng P., Ji B., Gao L., Zhang W., Wang J and Liu T., 2013 The growth, lipid and hydrocarbon production of Botryococcus braunii with attached cultivation Bioresour Technol, 138: 95–100 Cheng P., Wang Y., Yang Q and Liu T., 2017 Comparison of growth, hydrocarbon accumulation and metabolites of Botryococcus braunii between attached cultivation and aqueoussuspension cultivation Int J Agric Biol Eng, 10(1):134–41 Choudhary P., Prajapati S K., Kumar P., Malik A and Pant K K., 2017 Development and performance evaluation of an algal biofilm reactor for treatment of multiple wastewaters and characterization of biomass for diverse applications Bioresour Technol, 224:276–84 Davis R., Aden A and Pienkos P., 2011 Techno-economic analysis of autotrophic microalgae for fuel production Appl Energy, 88: 3524–3531 Davis R., Aden A and Pienkos P., 2011 Techno-economic analysis of autotrophic microalgae for fuel production Appl Energy, 88: 3524–3531 Gross M., Henry W., Michael C and Wen Z., 2013 Development of a rotating algal biofilm growth system for attached microalgae growth with in situ biomass harvest Bioresource Technology, 150: 195-201 Huang Y., Xiong W., Liao Q., Fu Q., Xia A., Zhu X and Sun Y., 2016 Comparison of Chlorella vulgaris biomass productivity cultivated in biofilm and suspension from the aspect of light transmission and microalgae affinity to carbon dioxide Bioresour Technol, 222:367–73 Iman Shayan S., Agblevor F A., Bertin L and Sims R C., 2016 Hydraulic retention time effects onwastewater nutrient removal and bioproduct production via rotating algal biofilm reactor Bioresour Technol, 211:527–33 10 Johnson M B and Wen Z., 2010 Development of an attached microalgal growth system for biofuel production Appl Microbiol Biotechnol, 85:525–534 11 Lanlan Z., Lin C., Junfeng W., Yu C., Xin G., Zhaohui Z and Tianzhong L., 2015 Attached cultivation for improving the biomass productivity of Spirulina platensis Bioresource Technology, 181: 136-142 12 Lutzu G A., Zhang L., Zhang Z and Liu T., 2017 Feasibility of attached cultivation for polysaccharides production by Porphyridium cruentum Bioprocess Biosyst Eng, 40(1):73–83 220 13 Liu T, Wang J, Hu Q, Cheng P, Ji B, Liu J, Chen Y, Zhang W, Chen X, Chen L, Gao L, Ji C and Wang H, 2013 Attached cultivation technology of microalgae for efficient biomass feedstock production Bioresour Technol, 127: 216–22 14 Lee S-H., Oh H-M., Jo B-H., Lee S-A., Shin S-Y., Kim H-S., Lee S-H and, Ahn C-Y., 2014 Higher biomass productivity of microalgae in an attached growth system, using wastewater J Microbiol Biotechnol, 24(11):1566–73 15 Ozkan A., Kinney K., Katz L and Berberoglu H., 2012 Reduction of water and energy requirement of algae cultivation using an algae biofilm photobioreactor Bioresour Technol, 114:542–8 16 Wan M., Hou D., Li Y., Fan J., Huang J., Liang S., Wang W., Pan R., Wang J and Li S., 2014 The effective photoinduction of Haematococcus pluvialis for accumulating astaxanthin with attached cultivation Bioresour Technol, 163:26–32 17 Yin S., Wang J., Chen L and Liu T., 2015 The water footprint of biofilm cultivation of Haematococcus pluvialis is greatly decreased by using sealed narrow chambers combined with slow aeration rate Biotechnol Lett, 37(9):1819–27 18 Zhuang L L., Hu H Y., Wu Y H., Wang T and Zhang T Y., 2014 A novel suspended-solid phase photobioreactor to improve biomass production and separation of microalgae Bioresour Technol, 153:399–402 19 Zhang Zhou W., Chen, P., Min, M., Ma, X., Wang, J., Griffith, R., Hussain, F., Peng, P., Xie, Q., Li, Y., Shi, J., Meng, J., Ruan, R., 2014 Environment-enhancing algal biofuel production using wastewaters Renew Sust Energ Rev., 36: 256-269 221 ... sinh khối vi tảo cao hệ thống nhằm đạt hiệu xử lý tối ưu Bảng So sánh hệ thống nuôi vi tảo kết hợp với màng sinh học so với phương pháp thủy canh truyền thống Phương pháp thủy canh truyền thống. .. kiện 218 Vi tảo hệ thống có gắn màng sinh học tế bào gắn cố định màng thay lơ lửng phân tán khắp mơi trường nuôi hệ thống không gắn màng (Lee nnk., 2014) Vi tảo hệ thống ni có gắn màng nhận... trong hệ thống nuôi trồng vi tảo thủy canh truyền thống CO2 cần khuếch tán qua pha khí, pha lỏng trước chuyển hồn tồn vào môi trường nuôi để vi tảo sử dụng Do đó, vi tảo hệ thống nuôi kết hợp với