Báo cáo thực hành thiết bị và kỹ thuật cnsh

Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KHOA HỌC SINH HỌC BÁO CÁO TIỂU LUẬN Trang 2 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KHOA HỌC SINH HỌC

BÁO CÁO TIỂU LUẬN

NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG VI TẢO CHLORELLA VULGARIS LÀM NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIODIESEL

HOÀNG KHÁNH NHƯ

21126450

TP.Thủ Đức, 10/2023

ii

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KHOA HỌC SINH HỌC

BÁO CÁO TIỂU LUẬN

NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG VI TẢO CHLORELLA VULGARIS LÀM NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIODIESEL

HOÀNG KHÁNH NHƯ

TP Thủ Đức, 10/2023

TÓM TẮT

Vi tảo đang là một đối tượng đầy tiềm năng nghiên cứu phổ biến trên thế giới cho mục tiêu sản xuất nhiên liệu sinh học Một trong số các nhiên liệu sinh học đang được nghiên cứu là biodiesel và phương pháp được quan tâm hiện nay là lấy lipid từ vi tảo

để làm nguồn nguyên liệu cho sản xuất biodiesel Vì vậy, các biện pháp nhằm nâng cao năng suất lipid của vi tảo được đặc biệt chú trọng Trong đề tài này, khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện nuôi trồng trong phòng thí nghiệm như tốc độ sục khí CO2, nồng độ dinh dưỡng Nitơ, cường độ ánh sáng đến năng suất sinh khối và hàm lượng

lipid trên vi tảo Chlorella Vulgaris Đây là một trong các chủng vi tảo tiềm năng cho

mục tiêu kết hợp xử lý nước thải, tận dụng CO2 từ khí thải và phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam Kết quả ban đầu cho thấy, việc tăng cường độ chiếu sáng và giảm nồng độ Nitơ có thể tăng hàm lượng lipid nhưng giảm năng suất sinh khối Đồng thời, việc bổ sung CO2 vào môi trường cho phép tăng năng suất sinh khối và lipid

iv

MỤC LỤC

Trang

TÓM TẮT iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH vii

CHƯƠNG I MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Nội dung thực hiện 2

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 3

2.1 Vật liệu nghiên cứu 3

2.2 Phương pháp nghiên cứu 4

2.2.1 Phương pháp đo mật độ quang OD 4

2.2.2 Phương pháp đo nồng độ Chlorophylla 4

2.3 Phương pháp bảo quản giống 5

2.4 Phương pháp nuôi trồng 5

2.5 Phương pháp thu hoạch SK 5

2.6 Phương pháp ly trích lipid 5

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 6

3.1 Ảnh hưởng của CO2 đến sinh trưởng và tích lũy lipid 6

3.2 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến sinh trưởng và tích lũy lipid 7

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 8

TÀI LIỆU THAM KHẢO 9

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

SK: Sinh khối

OD: Optical density

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1 SK và lipid của tảo dưới ảnh hưởng của tốc độ sục khí CO2 Bảng 2 Kết quả SK và lipid trong các mẫu nước thải pha loãng

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Hình ảnh tảo Chlorelle Vulgaris

Hình 3.1 Vai trò của CO2 đối với sự sinh trưởng của tảo

CHƯƠNG I MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Nhu cầu phát triển nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch là xu hướng phát triển của tương lai Nhiên liệu hóa thạch không chỉ làm hạn chế nguồn tài nguyên mà việc đốt chúng còn tạo ra carbon dioxide, một trong những nguyên nhân gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu

Một trong những nguồn năng lượng quan trọng nhất là nhiên liệu lỏng như xăng và dầu diesel Động cơ diesel được sử dụng rộng rãi để vận chuyển, cung cấp năng lượng cho thiết bị và sản xuất điện và Hoa Kỳ sử dụng hơn 50 tỷ gallon dầu diesel mỗi năm Các lựa chọn thay thế cho động cơ diesel phải ở dạng lỏng, tương thích với các động cơ được

sử dụng hiện nay, có tính cạnh tranh về mặt kinh tế và có đủ số lượng Tình cờ thay, động cơ do diesel thiết kế chạy lần đầu tiên vào năm 1893 và hai trong số các loại nhiên liệu được đề xuất cho động cơ này là dầu có nguồn gốc từ thực vật (dầu lạc) và than nghiền thành bột Dầu có nguồn gốc từ thực vật đã được sử dụng thay thế cho dầu diesel khi nguồn cung hạn chế nhưng dầu tỏ ra quá nhớt để sử dụng kéo dài Do đó, dầu thực vật phải được biến tính trước khi sử dụng, chủ yếu là để giảm độ nhớt của chúng và bốn phương pháp đã được sử dụng để đạt được điều này; trộn với dầu diesel, hình thành các

vi nhũ tương của dầu, dầu diesel, nước và chất hoạt động bề mặt, nhiệt phân và chuyển hóa este Quá trình este hóa chéo phân hủy dầu thực vật thành các axit béo cấu thành của chúng, làm giảm đáng kể độ nhớt của chúng và sản phẩm được gọi là dầu biodiesel Hiện nay, nguyên liệu sản xuất biodiesel ở Việt Nam là các nguồn sinh khối (SK) truyền thống (dầu ăn phế thải, mỡ cá basa, dầu hạt jatropha) có nhiều nhược điểm như thu hoạch khó khăn, hàm lượng dầu thấp và chiếm nhiều diện tích đất canh tác, đất rừng và cần nhiều nước tưới

Để khắc phục các nhược điểm đó, SK vi tảo đã ra đời và được xem là nguồn SK đầy hứa hẹn để sản xuất biodiesel Vi tảo là các vi sinh vật đơn bào, sinh trưởng bằng quang

tự dưỡng nhờ quá trình quang hợp, hoặc dị dưỡng, hoặc cả hai hình thức So với các nguồn SK truyền thống, vi tảo có những ưu điểm nổi bật như tốc độ sinh trưởng nhanh, năng suất thu SK và thu dầu cao hơn các loại thực vật có dầu khác; dễ nuôi trồng, ít cạnh tranh với đất nông nghiệp và không cần nguồn nước sạch; thân thiện với môi trường Trung bình sản xuất 1 kg SK tảo thì tiêu thụ được 1,83 kg CO2 Ngoài ra, có thể tận dụng CO2 từ khí thải công nghiệp cùng với nước thải để nuôi trồng vi tảo, làm giảm

đáng kể chi phí cho quá trình; nguồn SK vi tảo ngoài mục đích sản xuất biodiesel còn

có nhiều ứng dụng khác, lượng dầu dao động từ 5-58% khối lượng Do vậy, với định hướng là tận dụng nguồn khí thải CO2 và nước thải từ hầm ủ biogas để nuôi trồng vi tảo sản xuất biodiesel, chọn Chlorella Vulgaris là chủng vi tảo để nghiên cứu ảnh hưởng của một số điều kiện nuôi trồng đến năng suất thu hồi dầu, đồng thời định hướng nuôi trong môi trường nước thải

1.2 Mục tiêu của đề tài

Sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng hóa thạch cùng với sự gia tăng những hậu quả của ô nhiễm môi trường là động lực thúc đẩy thế giới tìm ra các giải pháp hiệu quả cho vấn đề năng lượng và môi trường Sự ra đời của biodiesel nói riêng và nhiên liệu sinh

học nói chung đều bắt nguồn từ thực tiễn đó

1.3 Nội dung thực hiện

biodiesel, chúng tôi chọn Chlorella Vulgaris là chủng vi tảo để nghiên cứu ảnh hưởng

của một số điều kiện nuôi trồng đến năng suất thu hồi dầu

3

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1 Vật liệu nghiên cứu

Chủng Chlorella Vulgaris với kích thước tế bào từ 5-10 µm, là một trong các chủng vi tảo được nghiên cứu nhiều nhất cho mục tiêu sản xuất biodiesel Chlorella Vulgaris là một loài vi tảo xanh thuộc bộ phận Chlorophyta

Sản lượng hàng năm của các loài Chlorella khác nhau trên thế giới là 2000 tấn (trọng

lượng khô) vào năm 2009, với các nhà sản xuất chính là Đức, Nhật Bản và Đài Loan

C Vulgaris là ứng cử viên cho sản xuất thương mại do có sức đề kháng cao trước các

điều kiện bất lợi và sinh vật xâm nhập Ngoài ra, việc sản xuất các đại phân tử hữu cơ khác nhau được quan tâm (protein, lipid, tinh bột) khác nhau tùy thuộc vào kỹ thuật được sử dụng để tạo sinh khối và do đó có thể nhắm mục tiêu Trong những điều kiện khắc nghiệt hơn, sinh khối giảm nhưng hàm lượng lipid và tinh bột lại tăng Trong điều kiện đầy đủ chất dinh dưỡng và ánh sáng, hàm lượng protein tăng lên cùng với sinh khối Các kỹ thuật tăng trưởng khác nhau đã được phát triển Các phương thức tăng

trưởng khác nhau (tự dưỡng, dị dưỡng và hỗn hợp) đã được nghiên cứu đối với Chlorella

Vulgaris ; Sự tăng trưởng tự dưỡng được ưa chuộng vì nó không cần cung cấp carbon

Hình 1.1 Hình ảnh tảo Chlorelle Vulgaris

hữu cơ tốn kém và dựa vào các nguồn carbon vô cơ (CO2 , cacbonat) và ánh sáng để

quang hợp Chlorella sp được trồng trong phân lợn đã được tiêu hóa và xử lý trước

bằng màng có khả năng cải thiện hiệu suất môi trường tăng trưởng của việc nuôi cấy vi tảo về mặt năng suất sinh khối cuối cùng , cho thấy rằng sự phát triển của tảo phụ thuộc vào độ đục của dòng tiêu hóa lỏng hơn là vào lượng dinh dưỡng sẵn có của chúng

Chlorella Vulgaris là vi tảo được lựa chọn cho một số quy trình xử lý sinh học Nhờ

khả năng loại bỏ nhiều loại chất gây ô nhiễm như chất dinh dưỡng vô cơ (nitrat, nitrit, photphat và amoni), phân bón, chất tẩy rửa, kim loại nặng, thuốc trừ sâu, dược phẩm và các chất ô nhiễm mới nổi khác từ nước thải và nước thải, carbon dioxide và các chất ô nhiễm khí khác từ khí thải, bên cạnh tốc độ tăng trưởng cao và yêu cầu canh tác đơn

giản, Chlorella Vulgaris còn nổi lên như một loại vi sinh vật tiềm năng trong các nghiên

cứu xử lý sinh học nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường

C Vulgaris được coi là nguồn năng lượng sinh học đầy hứa hẹn Nó có thể là giải pháp

thay thế tốt cho cây trồng nhiên liệu sinh học như đậu tương, ngô hoặc hạt cải dầu vì nó

có năng suất cao hơn và không cạnh tranh với sản xuất lương thực Nó có thể tạo ra một lượng lớn lipid , gấp 20 lần so với các loại cây trồng có cấu hình phù hợp để sản xuất dầu diesel sinh học Loại vi tảo này cũng chứa hàm lượng tinh bột cao , tốt cho việc sản xuất ethanol sinh học

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp đo mật độ quang OD

Mục đích định tính nồng độ SK trong môi trường, dựa vào độ hấp thụ quang của các sắc

tố Chlorophyll trong tế bào Các sắc tố này hấp thụ chủ yếu 2 bước sóng tương ứng là

420 nm và 665 nm

2.2.2 Phương pháp đo nồng độ Chlorophylla

Dựa vào khả năng hấp thụ ánh sáng của các loại sắc tố ở những bước sóng nhất định để xác định hàm lượng của chúng có trong mẫu Mẫu được ly tâm 15.000 vòng/phút ở 40oC trong 5 phút để thu SK mẫu Phần SK này được bổ sung 1ml acetone vào ống eppendorf Sau đó, đem ly tâm 13.000 vòng/phút ở 40oC trong 5 phút Lấy dịch nổi và đo ở bước sóng 664 nm, 647 nm Áp dụng công thức xác định nồng độ chlorophyll a:

Chlorophyll a (µg/ml) = 11,93.E664 – 1,93.E647

5

2.3 Phương pháp bảo quản giống

Giữ giống bằng phương pháp bảo quản trên đĩa thạch dài hơn, đồng thời việc hoạt hóa giống dễ dàng hơn

2.4 Phương pháp nuôi trồng

Tiến hành các thí nghiệm nuôi trồng vi tảo trong bình Erlen, dung tích nuôi 1 lít Thể tích giống cho vào chiếm 10% thể tích môi trường Giống sử dụng là giống cấp 1 được nhân trong vòng 7 ngày Các mẫu thí nghiệm được chiếu sáng bằng ống đèn huỳnh quang 20W, chu kỳ chiếu sáng 12h sáng:12h tối, quang thông được đo bằng máy Advance Light Meter Nhiệt độ thí nghiệm được duy trì ở 27- 280oC Khảo sát sinh trưởng bằng cách đo OD cùng một thời điểm trong từng ngày nuôi trồng Tiến hành thu hoạch SK khi sinh trưởng đi vào giai đoạn suy vong

2.5 Phương pháp thu hoạch SK

Mẫu được ly tâm bằng máy ly tâm Hettich ZENTRIFUGEN với tốc độ 6.000 vòng/phút, trong 10 phút Sau khi ly tâm, mẫu được sấy khô ở 500oC đến khối lượng không đổi

2.6 Phương pháp ly trích lipid

Mẫu SK khô được bổ sung hỗn hợp CH3OH, CHCl3, sau đó được siêu âm để phá vỡ màng tế bào ở tần số sóng 20 kHz trong 10 phút rồi được bổ sung nước và ly tâm 6.000 vòng/phút trong 10 phút để phân thành 3 lớp: lớp MeOH và nước ở trên, lớp SK ở giữa, dưới cùng là lớp Chloroform và lipid hòa tan Phần Chloroform và lipid ở dưới được chiết và chưng cất để thu lipid Thể tích tổng dung môi bổ sung vào mẫu SK được lấy theo quy tắc 100 ml dung môi trên 1 gam SK Tỷ lệ thể tích dung môi bổ sung là CH3OH:CHCl3:H2O = 10:10:9

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Ảnh hưởng của CO2 đến sinh trưởng và tích lũy lipid

Ta khảo sát vai trò của CO2 đối với sinh trưởng bằng cách tiến hành thực nghiệm trên

3 mẫu: (1) hoàn toàn không sục khí; (2) chỉ sục không khí; (3) sục không khí và CO2, dưới ánh sáng 4.000 lux Kết quả trên hình 1 cho thấy sự có mặt của CO2 trong môi trường làm tăng tốc độ sinh trưởng cũng như năng suất thu SK và lipid

Hình 3.1 Vai trò của CO2 đối với sự sinh trưởng của tảo

Để khảo sát chi tiết ảnh hưởng của tốc độ sục khí CO2, ta tiến hành 3 thí nghiệm dưới ánh sáng 7.000 lux, tốc độ sục không khí là 650 ml/phút Các mẫu khác nhau về tốc độ sục khí CO2: 20, 40, 60 ml/phút Kết quả cho thấy chu kì sống của tảo là 17 ngày Mật

độ SK lớn nhất vào ngày thứ 14, ứng với giá trị cực đại của pha cân bằng

Kết quả trên bảng 1 cho thấy, SK thu được và hàm lượng lipid đều giảm dần khi tốc độ sục CO2 tăng từ 20ml/phút đến 60ml/phút Điều này cũng cho thấy CO2 cũng có ảnh hưởng ức chế đến sinh trưởng ở nồng độ quá lớn Khi phân tích thành phần của mẫu lipid thu được từ mẫu sục CO2 bằng máy phân tích sắc ký lỏng cao áp HPLC

7

Bảng 1 SK và lipid của tảo dưới ảnh hưởng của tốc độ sục khí CO2

3.2 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến sinh trưởng và tích lũy lipid

Chu kỳ sáng tối thích hợp nhất cho sự sinh trưởng và tích lũy lipid đối với Chlorella

Vulgaris là 16h sáng : 8h tối Cường độ ánh sáng là một trong những yếu tố ảnh hưởng

quan trọng nhất đến sự quang hợp của tảo

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN

Sự thay đổi các điều kiện nuôi trồng như cường độ chiếu sáng, tốc độ sục khí CO2 và nồng độ N (NH4+) ảnh hưởng rõ rệt đến kết quả thu SK và lipid Kết quả ban đầu cho

20 ml CO2/phút kết hợp với sục 650 ml không khí/phút cho kết quả khả quan Chất lượng của lipid thu được khá phù hợp cho mục tiêu sản xuất biodiesel

9

TÀI LIỆU THAM KHẢO

TUẤN, N M., LÊ THỊ BÍCH, Y Ế N., HẢI, N P., XUÂN, N T T., HOÀNG, Đ K., MINH, N H., & TUÂN, N N Nghiên cứu nuôi trồng vi tảo Chlorella vulgaris

Tuân, K N N NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC ĐIỀU KIỆN NUÔI TRỒNG ĐẾN SINH TRƯỞNG VÀ NĂNG SUẤT THU DẦU CỦA VI TẢO CHLORELLA VULGARIS NHẰM LÀM NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIODIESEL

en.wikipedia.org/wiki/Chlorella_vulgaris

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0141022903002746