Trích gạn sinh học Vi tảo bằng phương pháp kết bông sinh học và bằng quá trình lọc màng sinh học T D P Nguyen a , M Frappart, P Bourseau a,b , P Jaouen a , J Pruvost a , a LUNAM Université, Université[.]
Trích gạn sinh học Vi tảo phương pháp kết bơng sinh học q trình lọc màng sinh học T.D.P Nguyena, M Frappart, P Bourseaua,b, P Jaouena, J Pruvosta, a LUNAM Université, Université de Nantes, CNRS, GEPEA, UMR 6144, CRTT, 37 bd de l’Université, BP 406, 44602 Saint Nazaire Cedex, b UEB Université de Bretagne Sud, LIMATB, Rue de Saint-Maudé, BP 92116, 56321 Lorient Cedex Từ khóa: autofloculation, microfiltration, ultrafiltration, filtration dynamique 1- Giới thiệu Thu hồi Vi tảo bước quan trọng việc khai thác quy mơ lớn tổng thể q trình vi tảo (đặc biệt lĩnh vực mỹ phẩm, thực phẩm dinh dưỡng , thực phẩm lượng) q trình chiếm đến 20-30 % tổng chi phí [1] Nhìn chung, thành phần vi tảo thu hồi sau nước khô sinh khối Tuy nhiên ứng dụng lượng, việc thu hồi thực từ sinh khối ướt công nghệ tiết kiệm lượng để giảm thiểu nhu cầu lượng Bằng cách này, q trình tự động kết bơng màng quan tâm (0-2 kWh/m3) Thay vào đó, cơng nghệ tiêu biểu, đắt tiền tốn nhiều lượng, chẳng hạn ly tâm (1-10 kWh/m3) nên loại trừ [2] Nghiên cứu nhằm thay hoàn tồn phần q trình thâm canh ly tâm Hiện tượng tự động kết gây gia tăng pH tiêu thụ CO2 trình quang hóa vi tảo tạo ra, với diện muối, chẳng hạn magiê canxi, kết tủa chúng môi trường nuôi cấy, gây kết tủa tế bào vi tảo Các tài liệu trung hịa điện tích, đào tạo kết bơng hiệu ứng ballasting có lẽ liên quan đến [3], thành phần môi trường ni cấy việc đóng vai trị xác định chế câu hỏi mở Việc làm test thực mơ hình ban đầu vịng trịn cho thấy kết bơng xảy nhờ có diện ion magiê, ion canxi phosphate Hơn nữa, thực tế tự động kết độ pH tự nhiên trôi dạt ánh sáng môi trường thực tế, cho thấy tầm quan trọng nguồn nitơ (NH4+ NO3-) cho kết tốt hoạt động hàng đầu với nồng độ cao thức khoảng 30g/L Đối với q trình màng lọc sinh học, chi phí bơm thường đáng quan tâm Lọc tiếp tuyến thông thường, hoạt động theo điều kiện tối ưu cần thực để hạn chế tắc nghẽn màng [4] Trong trường hợp này, việc sử dụng lọc động , nơi mà tốc độ cắt độc lập với tỷ lệ thức ăn thay thú vị để đạt dịng chảy và/hoặc có nồng độ cao và/hoặc giảm chi phí lượng bơm [ 5-6 ] Các test tiến hành tiêu chuẩn lọc tiếp tuyến lọc động, điều kiện hoạt động tương tự Test lọc cổ điển tiếp tuyến, nhờ màng vi lọc (PES 0,05 micron) siêu lọc (PAN 40 kDa) hiển thị thông lượng giảm liên tục tuyến tính với nồng độ khả đạt nồng độ tối đa vi tảo khoảng 90 g/L Dòng lọc động ổn định giá trị 23 cao test lọc tiếp tuyến 2- Thiết bị phương pháp 2.1 Tổng quan Các thí nghiệm tiến hành lồi vi tảo Chlorella vulgaris, loài tảo xanh đơn bào nước Giống sử dụng nghiên cứu là: Chlorella vulgaris SAG 211-19 Kích thước từ đến 10 micron Nó biết đến đa dạng chất dinh dưỡng (vitamin, khoáng chất , chất dinh dưỡng phyto - ) , đặc biệt chất diệp lục cao chất xơ mà làm cho sử dụng rộng rãi lĩnh vực thực phẩm bổ sung mỹ phẩm Kể từ đó, hàm lượng chất béo lên đến 50% , đặc biệt quan tâm đến ứng dụng nhiên liệu sinh học chứng minh Hai môi trường nuôi cấy sử dụng cho tăng trưởng tế bào: môi trường Sueoka (nguồn amoni nitơ) môi trường BBM (nguồn nitơ nitrat) 2.2 Floculation naturelle Các thí nghiệm floculation naturelle thực cho nồng độ tế bào 0,4g/L với thể tích 100 ml Nuôi cấy xử lý trước 500 μmol.m - 2.s -1 bảng điều khiển ánh sáng kiểm sốt mà khơng có cung cấp CO2 (khơng có kiểm sốt độ pH) (hình 1.) a) b) Figure 1: Schéma opératoire de la floculation: montée naturelle du pH (A) suivi de la décantation (B) Trong trình tăng độ pH, nồng độ ion theo dõi sắc ký ion ( ICS900 ICS1000 , Thermo Scientific Dionex ) tiềm zeta ( Zetasizer Nano ZS , Malvern, Hoa Kỳ) thực kết bông, gạn , theo dõi cảm biến ánh sáng (hình 1B ) Vào cuối trình lắng, mật độ quang học đo bước sóng hấp thụ 682 nm (Lambda 2S , Perkin Elmer) để đánh giá hiệu tách (phương trình 1), khối lượng cuối floc tổng hợp quan sát để ước tính nồng độ chúng (phương trình 2) sau lọc để biểu tượng quan sát hiển vi điện tử quét ( EVO ® 40 series - Carl Zeiss AG ) E Cest DO682i DO682 f (1) DO682 i Vi Ci E Vf (2) Nơi Cest nồng độ floc ước tính (g/L), Vi , thể tích ban đầu mẫu (ml) Vf , thể tích chiếm đóng flocs sau lắng, C, nồng độ ban đầu tế bào dung dịch (g/L) Xác định Vf thông số quan trọng nhất, phép đo ước lượng 2.3 Quá trình màng lọc Hai hệ thống lọc thử nghiệm nghiên cứu (Hình 2) b) Figure 2: Schéma de principe des systèmes de filtration a) Rayflow ; b) Disque Rotatif Đầu tiên hệ thống lọc qua dịng chảy thơng thường (100 Rayflow , Orelis) với hình chữ nhật phẳng màng 100 cm ² Về hình học (ℓ x xe L: 7,5 cm x 14,5 cm x 0,5 mm) , có tương ứng số Reynolds tỷ lệ nội mà Re = 1000 Vinternal = m/s Trong hệ thống " tiêu chuẩn", tỷ lệ cắt màng phụ thuộc vào tốc độ mô-đun nội (như vậy, tỷ lệ bơm ) theo (3) áp lực màng tính theo (4) : γ v interne e PTM (3) p entrée psortie p perméat (4) Hệ thống thứ hai đĩa nội lọc tiếp tuyến quay động mơ tả sau [7] Nó có màng trịn phẳng 188 cm ² ( Rext = 7.75 cm; Rint = 0,5 cm) Màng bố trí vỏ hình trụ hệ thống mặt đĩa Khoảng cách khơng khí đĩa màng tế bào mm Đĩa, mà trơn cung cấp vây , xử lý trục quay nối với thắt lưng để động điện Dưới điều kiện , việc cắt vào màng trở thành chức hình học ( mịn cung cấp vây ) tốc độ quay đĩa độc lập với tốc độ bề mặt màng tế bào bị ràng buộc , tốc độ dịng chảy thức ăn Trong điều kiện này, tốc độ cắt áp lực màng đưa biểu thức sau (5) (6): γ 0,0296r8/5 (kω)9/5 υ-4/5 PTM p c 2 ρk ω R (5) (6) 3- Kết 3.1 Floculation naturelle Các thí nghiệm cho thấy thành phần ban đầu môi trường nuôi cấy đủ khả gia tăng độ pH quang hợp Trên thực tế, dựa nguồn nuôi cấy amoni ion (NH4+) nguồn nitơ tăng lên điều dẫn đến việc tạo ion H+ hợp chất NH3, dao động từ ức chế quang hợp độc tính tế bào [9] Tuy nhiên, tăng độ pH thấp quan sát (Hình 3) pH 9, đạt khả thuận lợi để kết tủa canxi phốt phát [10] Các thí nghiệm khác thực theo hướng không đạt kết bông, mặc thêm Ca2+ (nồng độ ban đầu môi trường Ca2+ 12 mg / L tăng lên đến 35 mg / L, nồng độ nhỏ cho phép kết tăng nhân tạo pH cách thêm natri hydroxit) Kết luận, tự động kết bơng khơng khả thi môi trường nuôi cấy Suoeka a) b) Figure 3: Augmentation naturelle du pH en fonction du temps et du type de milieu d’une suspension de Chlorella vulgaris 0,4 g/L (a) et évolution des concentrations ioniques lors de la montée en pH dans le milieu nitrate (a) Trong môi trường mà loại khác nguồn nitơ cung cấp ion nitrat (NO3-), gia tăng tự nhiên độ pH, trường hợp, tương thích với kết tủa calcium phosphate, xác nhận đo lường nồng độ ion (Hình 3b) với tiêu thụ hết đồng thời nồng độ Ca2+ PO43-, magiê hydroxit (Mg(OH)2) pH cuối đạt đến giá trị gần 11 lượng kết tủa hợp chất pH 10 [11] Tuy nhiên , xu hướng giảm nhẹ nồng độ Mg2+ hình thành từ h (pH 10,8) (hình 3b) dẫn tin lượng kết tủa đầu magiê hydroxide, khơng đáng kể, đủ cho khơng chắn liên quan đến việc đo lường Mặc dù có quan sát cho thấy pH tăng nhẹ, khơng có flocs hình thành Do vậy, môi trường nuôi cấy vi tảo phải điều chỉnh để đạt kết bơng Vì thế, thí nghiệm sơ để xác định nồng độ thấp Ca2+ Mg2+ để đạt kết cách thêm natri hydroxit (nhân tạo để tăng pH) thực Các kết thí nghiệm môi trường nitrat, nồng độ ban đầu Ca2+ Mg2+ môi trường (đối với nồng độ định PO43-), tương ứng 14 35 mg/L khơng đủ để tạo floc Các thí nghiệm cho thấy cần thiết phải tối thiểu 34 45 mg/L tương ứng Ca2+ Mg2+ Sau cho thêm Ca vào môi trường, đạt số lượng tối thiểu, gia tăng pH có thể, khơng có kết bơng quan sát Để tạo floc tăng tự nhiên độ pH, thật cần thiết để làm tăng nồng độ Ca2+ khoảng 120 mg /L để đạt thành công keo tụ hiệu loại bỏ 90% Dưới điều kiện đấy, mát ion PO43- gần tức thời, giảm mạnh nồng độ Ca2+, cho thấy lượng kết tủa hợp chất phosphate canxi Điều xác nhận quan sát kính hiển vi điện tử quét cho thấy cấu trúc tinh thể hình thành bên xung quanh tế bào tổng hợp xu hướng đề nghị hành động chế, zeta, điện tích bề mặt, thay đổi để -25 đến -10 mV (Hình 4) Những thí nghiệm tương tự thực cách cho thêm Mg2+ Figure 4: Flocs de Chlorella vulgaris vus au microscope électronique balayage, après ajout de Ca2+ dans un milieu nitrate Quá trình màng lọc sinh học 3.1 Các thí nghiệm Rayflow Đối với thí nghiệm nồng độ ban đầu, phụ thuộc vào điều kiện môi trường nuôi cấy, dao động từ 0,12 0,3 g/L Lúc đầu , điều kiện hoạt động tối ưu cho việc tập trung kiểm tra (tốc độ nội PTM ) xác định Cho hai loại màng, tốc độ bên vậy, đặt m / s lưu lượng quan trọng khoảng 100 L / h / m ² 80 L /h /m ² tương ứng thực 0,1 bar cho PES màng 0,3 bar cho màng PAN Trong trường hợp, tổng số trì tế bào Nồng độ thử nghiệm vật liệu màng hai cho thấy sụt giảm tuyến tính dịng chảy với gia tăng nồng độ yếu tố (hình 5) Cho giá trị nồng độ ban đầu tế bào microalgal, nồng độ tối đa đạt , ước tính phép ngoại suy để khơng tương ứng với dịng chảy bị hạn chế hệ thống chuyển giao khối lượng , tương tự hai trường hợp tương ứng 84 90 g / L màng PES PAN Các kết hứa hẹn , khơng có đẩy dịng thấm (ví dụ rửa ngược ) điều khiển, nồng độ , tương đối lớn, nằm thứ tự tầm quan trọng nồng độ cần thiết cho chế biến ẩm ướt (60 đến 100 g/L) a) b) Figure 5: Évolution du flux de perméation en fonction du facteur de concentration durant la récolte de suspensions microalgales de Chlorella vulgaris sur le module Rayflow ; (a) membrane PES 0,05 µm;( b) membrane PAN 40 kDa) 3.2 Modun đĩa quay Các thí nghiệm mô-đun đĩa quay tiến hánh nghiên cứu để cải thiện đặc tính kĩ thuật Việc sử dụng lọc động, tỷ lệ cắt độc lập với tỷ lệ thức ăn cho phép dòng điều khiển cách giảm/làm chậm tượng tắc nghẽn nhờ vòng quay đĩa cho phép truy cập vào giá trị lớn lọc tiếp tuyến , nơi tốc độ cắt có liên quan đến tỷ lệ thức ăn , hạn chế để tránh thua lỗ cắt nhiều Trong thí nghiệm sơ cho nghiên cứu này, người ta thấy dòng chảy thu cách chủng lọc động chắn khác từ Chlorella vulgaris, Skeletonema costatum Cylindrotheca fusiformis (cả hai tảo cát, đơn bào chuỗi nhỏ tương ứng, kích thước từ 50 đến 100 micron) lên đến cao gấp đôi, với điều kiện hoạt động (nhiệt độ, PTM , tốc độ cắt) tương tự (hình 6) Điều giải thích trường hợp cách giảm lượng nạp liệu, trường hợp này, để giảm số lượng đoạn thể bơm, nguồn tế bào dẫn đến tiết exopolysaccharides, dịng nạp liệu làm tắc nghẽn lỗ màng lọc, giai đoạn thứ hai cách giảm tượng tắc nghẽn nhờ thủy động lực học thí nghiệm loại Figure 6: évolution du flux en fonction du temps sur deux types de souches microalgales sur le module disque rotatif équipé d’une membrane PAN 40 kDa Các thí nghiệm sơ để so sánh với mô-đun Rayflow dường để xác nhận lưu lượng nồng độ đạt tối đa Thật vậy, sụt trở thành tuyến tính với hệ số nồng độ FC (giới hạn chế độ chuyển giao khối lượng ) nồng độ tế bào, dòng ngoại suy dường hệ thống đạt tới FC đến 1000 khoảng 200 g/L tùy thuộc vào điều kiện hoạt động ban đầu (hình 7a ) Tác động đến hiệu suất lọc đặc biệt rõ ràng hình 7b, nơi mà phán xét luân chuyển dòng chảy ổn định FC = (~ 1g /L) 100 L.h - 1.m -2 giảm mạnh đến 20 L.h - 1.m -2 trước gần quay trở lại giá trị ban đầu trở lại vịng xoay Ngồi ra, phân tích màng lọc thấy exopolysaccharides giữ lại màng tế bào trì nhẹ ion, thấm chất cho phép xem xét tái chế trực tiếp để tiết kiệm nước chất dinh dưỡng a) b) Figure 7: Évolution du flux de perméation en fonction du facteur de concentration durant la récolte de suspensions microalgales de Chlorella vulgaris sur le module disque rotatif (a) et influence de la vitesse de rotation sur les flux de perméation dans la continuité de l’essai flux stabilisé FC =5 (b) 4- Kết luận Nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá hai kỹ thuật cho phép tăng nồng độ vi tảo để thay hạn chế chi phí lượng ly tâm cho thu hoạch vi tảo Floculation naturelle cách nồng độ cuối thứ tự 30 g /L đạt Tuy nhiên giá trị nồng độ tương đối thấp đòi hỏi bước bổ sung thêm trình khác Với phương pháp màng lọc sinh học, kết thu cho thấy khả tập trung tế bào microalgal giá trị gần 100 g /L Các mức cấp tập trung quan tâm mạnh mẽ mức độ , người ta phân chia mức độ bổ sung trường hợp xử lý sau ướt Ngoài ra, lọc dynamique cho phép lọc lưu lượng nồng độ cao hạn chế thức chi phí bơm , trở thành nhiều cơng nghệ thay đáng tin cậy 5- Tài liệu tham khảo Molina Grima et al., 2006, Biotechnology Advances Uduman et al., 2010, Journal of Renewable and Sustainable Energy 3 Smith & Davis, 2012, Algal Research Rossignol et al., 1999, Aquacultural Engineering Frappart et al., 2011, Desalination Rios et al., 2011, Industrial Engineering Chemistry Research Bouzerar et al., 2000, Journal of Membrane Science Frappart et al., 2006, Journal of Membrane Science Abeliovitch et al., 1976, Applied And Environmental Microbiology 10 Sukenik & Shelef, 1984, Biotechnology and Bioengineering 11 Ayoub et al., 1985, Water research