Tiểu luận công nghệ sản xuất vi tảo (microalgae)

Tiểu luận công nghệ sản xuất vi tảo (microalgae)

MỞ ĐẦU Trong những năm cuối cùng của thế kỉ 20, các nhà sinh học đã cố gắng tìm kiếm những cơ chế đặc thù của các quá trình sinh học cơ bản nhất nhằm chi phối toàn bộ thế giới sinh vật. Đồng thời phát hiện ra các nhóm sinh vật có tốc độ sinnh trưởng nhanh. Vi tảo (Microalgae)là những sinh vật bậc thấp có trong sự chú ý đó vì chúng không chỉ có những cơ chế đặc thù mà còn sinh trưởng và phát triển cực kì nhanh. Hàng năm có đến 200 tỉ tấn chất hữu cơ được tạo thành trên toàn thế giới. Trong số đó 170 - 180 tỉ tấn là do tảo tạo thành. Vi tảo chiếm 1/3 sinh khối của thực vật trên trái đất. Ngày nay công nghệ sinh học phát triển nhanh tạo một cuộc cách mạng trong nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, vật liệu mới và bảo vệ môi trường. Ỏ phạm vi hẹp hơn chúng ta đang chứng kiến sự phát triển nhanh của công nghiệp sản xuất vi tảo trên thế giới do nhiều ưu thế của cơ thể so với thực vật bậc cao như vòng đời ngắn, năng suất cao, hiệu số sử dụng ánh sáng cao, công nghệ sản xuất không phức tạp, thích hợp với quy mô sản xuất công nghiệp. Cho đến ngày nay hàng loạt các công nghệ nuôi trồng, thu hoạch chế biến sinh khôi vi tảo. các loại công nghệ này đang không ngừng được hoàn thiện hạ giá thành và nâng cao chất lượng sinh khối. mặt khác sử dụng vi tảo đang được mở rộng trong các lĩnh vực như dùng làm thức ăn bổ dưỡng cho người và thức ăn cho động vật, đặc biệt là các ngành nuôi trồng thủy sản, nguồn phân bón sinh học, năng lượng sạch, nguồn các hóa chất trong công nghiệp và dược phẩm, sử lí môi trường. 1 NỘI DUNG I. Lịch sử công nghệ sản xuất vi tảo đại trà Vào đầu những năm 1940 ở Đức bắt đầu có những thực nghiệm nuôi trồng đại tà Chlorella sau khi nguồi ta thấy tế bào tảo này có tới 50% protein trong sinh khối khô và có khả năng tăng sinh khối gấp nhiều lần trong ngày Đầu những năm 1950 các nhà khoa học Mĩ, chất lượng chất béo và protein trong tế bào Chlorella có thể điều khiển bằng các thay đổi điều kiện sống 1 số filốt, nuôi đại trà tảo này được xây dựng tại đây. Năm 1957, Tamiya và công sự đã công bố các công trình liên quan tới nuôi trồng Chlorella, Ở Nhật Bản là một trong những quốc gia hàng đầu sản xuất và kinh doanh Chlorella dưới dạng thức ăn bổ dưỡng ( heath - food) và tác nhân kích thích sinh trưởng. Vào đầu năm 1953, các nhà khoa học Đức đã nghiên cứu khả năng dùng CO 2 , phế thải của vùng công nghiệp Rhur để nuôi trồng Chlorella, Scenedesmus. Nghiên cứu này được giáo sư Soeder và cộng sự được tieps tục tiến hành trong nhiều năm sau đó . Đầu những năm 1970, Chính phủ Đức đã tài trợ 3 dự án lớn về nuôi trồng Scenedesmus tại Ấn Độ, Pêru, Thái Lan. Năm 1960 tại Tiệp Khắc các nhà khoa học đã xây dựng một mô hình nuôi đại trà Scenedesmus trên nền bể có độ nghiêng 3 0 và tạo dòng chảy nhờ bơm kĩ thuật Cascade. Mô hình bể này được ứng dụng thành công tại Rupite, Bungart – 1 địa danh có suối nước nóng nổi tiếng để sản xuất đại trà tảo lục Chlorella va Scenedesmus. Đầu những năm 1960, vi khuẩn lam Spirulina lần đầu tiên được phát hiện tại hồ Tchad, Châu Phi và nhanh chóng được các nhà khoa học Pháp đưa vào nuôi đại trà tại Texcoco, Mehico. Hiện nay Spirulina được nuôi đại trà ở nhiều nơi trên thế giới trong đó có Việt Nam. Một số vi tảo khác như Dunaliella (có nguồn caroten và gliceron) Porphyridium (là nguồn polisaccarit và phycoerythrin) được đưa vào nuôi trồng muộn hơn và quy mô nhỏ hơn. 2 Có thể nói rằng hiện nay, tảo được khai thác dưới góc độ là nguồn thức ăn dinh dưỡng cho người và thức ăn cho động vật, nguồn hóa chất và dược liệu nguồn phân bón sinh học và đối tượng sinh học để sử lí môi trường. • Tình hình nuôi trồng đại trà vi tảo trên thế giới trong giai đoạn 1996 – 1997/ Theo Yuan – Kun Lee, 1997 Khu vực Tảo được sản xuất Diện tích (ha) Sản lượng (tấn/năm) Ứng dụng Nhật Bản Chlorella 1100 và nhập 943 Thuốc bổ dưỡng, thức ăn cho thuỷ sản Trung Quốc Spirulina 199,6 2798 Dinh dưỡng và xuất khẩu Đài Loan Chlorella và Spirulina 24 1600 và 460 Xuất khẩu Triều Tiên Chlorella và 1 số loài tảo khác 2480 400 Cho người và thuỷ sản Ấn Độ Spirulina 12,2 258,5 Cho người và động vật Thái Lan Spirulina 2 170 Cho người và động vật Việt Nam Spirulina 0,5 8 Xuất khẩu Inđônêxia Chlorella 150 Xuất khẩu Hoa Kì Spirulina Nitzschia 75 380 Cho người va động vật Mehico Sprulina 500 Cho người và động vật CuBa Spirulina 30 Cho người và động vật Úc Dunaliella 40 Cho người và động vật Nhìn qua bảng trên ta có thể nhận xét kết quả tình hình sản xuất đại trà vi tảo trên thế giới như sau: + Đã có hàngcác công nghệ sản xuất, thu hoạch, chế biến sinh khối vi tảo chăn nuôi. Những chi tảo được xem là đối tượng được chủ yếu cho sản xuất đại trà là Chlorella, Spirulina, Niztchia, Haematococus, Dunaliella, Tetraselmis, Scenedesmus 3 + Spirulina được xem là chất bổ dưỡng và là nguồn thu Phycobiliprotein, Dunaliella là nguồn β- carotene tự nhiên rất quan trọng. Trong nhiều trường hợp sản xuất đại trà vi tảo đi kèm với mục đích sử lí nước thải. + Bình diện ứng dụng vi tảo còn hạn hẹp trong khi công nghệ sản xuất đại trà đang phải đương đầu với nhiều thử thách và cần tiếp tục hoàn thiện hơn. II. Ứng dụng công nghệ vi tảo trong cuộc sống Sử dung vi tảo trong đời sống con người và động vật 2.1.1 Sử dụng cho con người a. Thử nghiệm độc tố các sản phẩm từ vi tảo Bất cứ một loài protein đơn bào nào cũng phải trải qua thử nghiệm nghiêm túc trên động vật trước khi trở thành sản phẩm thức ăn của con người và động vật. Ví dụ: Sinh khối tảo Spirulina đã được Chamorro (1980) tiến hành thử nghiệm độc tố ngắn hạn và trường diễn, nghiến cứu ảnh hưởng đến sinh sản, sinh trưởng, khả năng điều tiết sữa, đột biến gây quái thai, Lượng tảo thử nghiệm tăng dần từ 10% - 30% khẩu phần ăn hàng ngày, sau 13 tuần thí nghiệm việc xét nghiệm mô học không cho thấy sự khác biệt giữa các nhóm thí nghiệm và đối chứng. Theo dõi trong 80 tuần lien tục, sau đó 2 năm theo dõi khả năng tiết sữa và sinh sản ở động vật ăn tảo spirulina người ta không nhận thấy. Nhiều nghiên cứu độc tố cấp và độc tố trường diễn đối với các loài tảo khác như Scenedesmus, Micractinium, Chlorella cũng không tìm thấy bằng chứng nào về khả năng hạn chế việc sử dụng sinh khối trong dinh dưỡng. b. Sử dụng vi tảo trong dinh dưỡng và dược liệu Nguồn protein đơn bào giá trị và hàm lượng protein trung bình 50-60 % trong lượng khô, thổ dân Kanembeu sống quanh hồ Chad ở Châu phi và người Aztec ở Mehico đã sử dụng tảo Spirulina hàng thế kỉ nay. Sinh khối tảo khô Chrorella được đóng viên và sử dụng như một loại thức ăn bổ dưỡng, sinh khối Spirulina với các tên Linagreen, Spirulina Kayaky, Spirulina – C, Professiol, 4 Ý tưởng dùng vi tảo làm thức ăn và trao đổi khí hô hấp trong chuyến bay vũ trụ cũng kích thích các nhà nghiên cứu sử dụng vi tảo cho dinh dưỡng của người. Tuy vậy cho đến nay có ít thông tin về thử nghiệm dinh dưỡng tảo trên người nên khó có được kết luận tổng quát. 2.1.2 Sử dụng vi tảo cho động vật Do thành phần dinh dưỡng quí, vi tảo được xem là nguồn thức ăn bổ dưỡng song có giá trị cho chăn nuôi và thuỷ sản. Những vi tảo được ứng dụng trong phạm vi này như Chrorella, Spirulina, Micratimium, Scenedesmus, Oocystis Ở Việt Nam dùng Spirulina bổ sung vào thức ăn cho cá mè trắng, cá mè hoa, cá trắm cỏ, rô phi với tỉ lệ 5% làm tỉ lệ sống và tốc độ tăng trưởng của cá tăng lên. Một hướng khác sử dụng sinh khối vi tảo làm nguồn bổ sung dinh dưỡng triển vọng vào nguồn nuôi tôm nhuyễn thể vì vi tảo là mắt xích đầu tiên của chuỗi dinh dưỡng của thuỷ sản, do đó việc sản xuất tảo luôn là thác tác không thể thiếu của các trại nuôi thuỷ sản. Ví dụ năm 1939, Bruce và cộng sự đã phân lập và nuôi tảo đơn bào Isochrysis galbana và Pyramimonas grossin để nuôi ấu trùng hầu. Sớm hơn nữa năm 1910, Allen và Nelson đã dùng tảo silic làm thức ăn cho một số động vật không xương sống, việc nuôi trồng vi tảo ở diện tích lớn làm thức ăn cho trai, sò có tiềm năng ứng dụng trong tương lai. Tại Nhật Bản, việc nuôi tảo Silic skeletonema sp à Chaetoceros sp làm thức ăn là điều kiện tiên quyết đối với việc nuôi ấu trùng tôm ở giai đoạn Nauplius tới giai đoạn Postlaivae tại Thái Lan, Malaixia, Đài Loan. Làm thức ăn tươi sống cho ấu trùng tôm, bao gồm vi tảo và Nauplius của Artemia. Cho đến nay chế độ thức ăn ở hầu hết các trại nuôi và sản xuất thuỷ sản là sự phối hợp thức ăn tươi sống như vi tảo và Artemia. Bên cạnh đó nhiều loài được sử dụng dưới dạng sinh khối tươi và khô để làm thức ăn cho ấu trùng tôm, cá con, nhuyễn thể: Skeletonema costatum, Chaetocerospsis, Nanochaloropsis, 5 Isocrysis, Spirulina. Có thể nói thức ănbtaor là điều kiện tiên quyết cho nghề nuôi trồng thuỷ sản. 2.1.3. Nghiên cứu sinh học và kĩ thuật nuôi trồng vi tảo và tảo biển ở Việt Nam * Nghiên cứu cấu trúc và chức năng của bộ máy quang hợp Sự thay đổi cấu trúc và chức năng bộ máy quang hợp của tảo dưới các điều kiện môi trường bất lợi như nhiệt độ tới hạn, muối cao, khô hạn. Chế chống chịu và bảo vệ của tảo dưới các điều kiện bất lợi của môi trường. Giám sát in vivo trạng thái sinh lí của tảo dưới các điều kiện môi trường bất lợi. 6 * Nghiên cứu sinh học và kĩ thuật nuôi trồng vi tảo và tảo biển ở Việt Nam Nâng cao các đặc tính di truyền của tảo bằng việc nuôi cấy mô tế bào trong điều kiện phòng thí nghiệm. Áp dung một số phương pháp nghiên cứu dựa trên các kỹ thuật sinh học phân tử (như RAPD, AFLP, đọc trình tự các đoạn gen 16S, 18S, ITS-1-5,8S- ITS2, phương pháp PCR đi từ 1 tế bào (Single – Cell PCR method), Real-Time PCR, điện di nồng độ gel biến tính, lai ADN hay lai RNA bằng phóng xạ hoặc huỳnh quang, kháng thể đơn dòng và đa dòng v v.) trong việc hỗ trợ định tên khoa học nhanh chóng và nghiên cứu tính đa dạng di truyền của các loài tảo Việt Nam. 7 * Nghiên cứu cấu trúc và chức năng quần thể tảo trong các hệ sinh thái khác nhau đặc biệt là hệ sinh thái nước ngọt và biển Khảo sát thực vật phù du và sự xuất hiện và tồn tại của tảo độc và tảo lam và thiết lập mối quan hệ giữa sự nở hoa của nước và các yếu tố môi trường khác nhau (pH, nhiệt độ, cường độ ánh sáng, thành phần dinh dưỡng, nước thải công nghiệp và nước thải dân dụng, thành phần dinh dưỡng của môi trường biển); Nghiên cứu và phân tích độc tố tảo bằng phương pháp thử nghiệm sinh học trên chuột, thử nghiệm liên kết với chất nhận, ELISA, HPLC; Nghiên cứu thành phần loài, xác định và định tên nhanh chóng các loài tảo độc, hại ở các ao hồ và vùng biển Việt Nam dựa trên các đặc điểm hình thái và các phương pháp sinh học phân tử như đọc và so sánh trình tự nucleotit của một số gen 18SrRNA, 16S rRNA, ITS1-5,8S-ITS2, 28S rRNA, 26S rRNA…và phương páp Single – Cell PCR 8 * Phát triển các kĩ thuật trong việc xử lí nước thải Sử dụng các chất hấp thụ sinh học có sẵn ở Việt Nam để loại bỏ các kim loại nặng trong nước thải công nghiệp; Áp dụng các phương pháp sinh học trong việc xử lí nước thải giàu N và P. Xử lý sinh học môi trường (Bioremediation) của bùn hoạt tính và nước thải nuôi trồng thuỷ sản; Nghiên cứu sử dụng vi tảo trong xử lý nước thải ở các làng nghề truyền thống như làng bún Phú Đô, sản xuất tinh bột sắn, miến, rong… theo định hướng sản xuất nguyên liệu cho công nghiệp như chất dẻo sinh học bioplastic; Nghiên cứu sử dụng tảo biển Kappaphycus alvarezii, Gracilaria v.v… trong xử lý nước thải nuôi thuỷ sản tập trung và trong việc làm sạch nước thải sau quá trình đã nuôi trồng thuỷ sản. 9 *Nghiên cứu cơ sở sinh lý, sinh hoá và các kĩ thuật nuôi sinh khối một số loài vi tảo (Spirulina, Chlorella, Dunalliella, Chaetoceros, Skeletonema, Labyrinthula, Thraustochytrium, Schizochytrium …) làm thuốc, thực phẩm chức năng và thức ăn tươi sống và nhân tạo cho nuôi trồng thuỷ sản. Xây dựng một tập đoàn giống vi tảo (biển và nước ngọt) phân lập tại Việt Nam theo định hướng ứng dụng chúng trong thực phẩm chức năng cho người, làm thuốc chữa bệnh, phục vụ trong nuôi trồng thuỷ sản, khai thác các chất có hoạt tính sinh học, phục vụ cho xử lý các loại hình nước thải khác nhau và trong thời gian tới được sử dụng cho việc làm nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học, chất dẻo sinh học (thân thiện với môi trường và dễ phân huỷ) Nghiên cứu sử dụng vi tảo biển (quang tự dưỡng và dị dưỡng) làm thực phẩm chức năng cho người Nghiên cứu và đưa vào ứng dụng tại các trại nuôi trồng Thuỷ sản miền Bắc (Hải Phòng, Quảng Ninh, Nam Định, Thái Bình v.v…) qui trình công nghệ nuôi trồng một số loài tảo biển chính như Isochrysis, Chaetoceros, Nannochloropsis, Tetraselmis, Chlorella, Chroomonas làm thức ăn tươi sống cho các đối tượng thuỷ hải đặc sản trong nuôi trồng thuỷ sản như: cá, tôm, ngao, cua, tu hài … 10 [...]... tiến hành đề án sản xuất Macrocystis pyrifera - một loài tảo nâu có kích thước lớn Một số vi tảo lại được coi là nguồn sản xuất các nhiên liệu có năng lượng cao như glyxerol, Lipit, izoprenoid, H2 2 5.1 Sản xuất methan từ sinh khối tảo: Năng lượng mặt trời có thể được khai thác để sản xuất methan (CH 4) thông qua hoạt động phối hợp giữa tảo và vi khuẩn Trong quá trình này, tảo được sản xuất đại trà nhờ... glyxerol nhờ vi khuẩn Bacillus có thể đạt hiệu suất ethanol: axetat là 92:8 * Sản xuất Hydrocarbon Đa số các loài tảo sản xuất Hydrocarbon là vi tảo Các isoprenoit với phân tử lượng thấp ( . cao, công nghệ sản xuất không phức tạp, thích hợp với quy mô sản xuất công nghiệp. Cho đến ngày nay hàng loạt các công nghệ nuôi trồng, thu hoạch chế biến sinh khôi vi tảo. các loại công nghệ. hình sản xuất đại trà vi tảo trên thế giới như sau: + Đã có hàngcác công nghệ sản xuất, thu hoạch, chế biến sinh khối vi tảo chăn nuôi. Những chi tảo được xem là đối tượng được chủ yếu cho sản. quan trọng. Trong nhiều trường hợp sản xuất đại trà vi tảo đi kèm với mục đích sử lí nước thải. + Bình diện ứng dụng vi tảo còn hạn hẹp trong khi công nghệ sản xuất đại trà đang phải đương đầu