Hệ thống photoreactor - Photobioreactor là một hệ thống thiết bị được thiết kế trong đó kết hợp sử dụng nhiều loại nguồn sáng khác nhau nhằm mục đích cung cấp năng lượng cho các phản ứn
Trang 1Mục lục
LỜI MỞ ĐẦU
Trong khi khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, hoạt động sản xuất công nghiệp cũng thế mà gia tăng, đóng góp một phần không nhỏ trong sự phát trển kinh tế của toàn cầu Tuy nhiên, đằng sau đó vấn đề xử lý các chất thải do hoạt động công nghiệp vẫn chưa được giải quyết triệt để, gây ra sự ô nhiễm nghiêm trong ở một số nơi Vì thế việc sử dụng nguồn nguyên liệu sinh học từ vi tảo đang được chú trọng và quan tâm hơn, bởi những lợi ích mà nó mang lại rất to lớn Vừa mang lại giá trị dinh dưỡng và giá trị kinh tế cao, vừa giảm thiểu sự ô nhiễm môi trường vậy nên, tuy nhiên cần xây dựng hệ thống nuôi trồng phù hợp Vậy nên năm 1981 Takayama và Misawa đã đề xuất một hệ thống nuôi cấy lỏng có hệ thống sục khí chủ động từ bên ngoài vào với tên gọi Bioreactor Hệ thống này nhanh chóng được sử dụng rộng rãi trong nuôi cấy sinh khối tế bào, sản xuất hoạt chất thứ cấp trên nhiều đối tượng khác nhau đặc biệt là trong nuôi cấy
vi tảo Vi tảo được xếp vào lớp vi sinh vật nhưng hoạt động sống của chúng là tự dưỡng quang năng Chúng có khả năng hấp thụ CO2 để quang hợp nên để nuôi trồng tảo điều kiện cần thiết nhất là ánh sáng Tảo có thể nuôi trong ao hở hay hệ thống khép kín Để hiểu rõ hơn về đặc điểm, kỹ thuật sản xuất vi tảo từ bình phản ứng quang học thì chúng ta
cùng tìm hiểu “ Thiết kế bình phản ứng quang học photobioreactor dạng ống nuôi
cấy loài Phaeodactylum tricornutum”.
Trang 2Chương 1: Hệ thống photoreactor
1.1 Hệ thống photoreactor
- Photobioreactor là một hệ thống thiết bị được thiết kế trong đó kết hợp sử dụng nhiều loại nguồn sáng khác nhau nhằm mục đích cung cấp năng lượng cho các phản ứng trong việc sản xuất các vi sinh vật ngoài tự nhiên nhưng bên trong một môi trường nhân tạo Vi sinh vật hoặc sinh vật phát triển bằng cách sử dụng năng lượng ánh sáng để quang hợp, những sinh vật này sử dụng quá trình quang hợp để tạo ra sinh khối của mình từ ánh sáng và carbon dioxide(CO2) Các loài chủ yếu trong nhóm này là rêu, tảo vi tảo, cyanobacteria và vi khuẩn màu tím Mục tiêu chính của một photobioreactor là nguồn cung cấp nguồn sinh khối giàu protein trong điều kiện môi trường cụ thể đối với các loài tương ứng và có độ tinh khiết cao Do đó, một photobioreactor cho phép tốc độ tăng trưởng cao hơn nhiều và mức độ tinh khiết cũng hơn hẳn so với bất cứ nơi nào trong tự nhiên hoặc môi trường sống tương tự với thiên nhiên.[1]
- Photobioreactor có hai kiểu chính là hệ thống mở và hệ thống kín nhưng hiện nay hệ thống khép kín được ứng dụng rộng rãi hơn bởi có những ưu điểm vượt trội hơn hẳn hệ thống mở Sản xuất vi tảo dựa trên hệ thống photobioreactor là một công nghệ được thiết
kế để khắc phục một số nhược điểm của các hệ thống sản xuất ao mở thông thường Tảo được tái lưu thông hoặc với một máy bơm cơ khí hoặc hệ thống không vận để tạo ra sự trao đổi giữa môi trường lỏng và khí cũng như cung cấp một cơ chế để đảo trộn để tảo có thể quang hợp tốt hơn ,tạo điều kiên đồng đều trong môi trường cho tảo hấp thụ các chất
Trang 3dinh dưỡng dễ dàng hơn Tấm quang điện là nơi có diện tích bề mặt lớn tiếp xúc với ánh sáng mạnh và mật độ của các tế bào quang tự dưỡng cao
- Các lò phản ứng được làm bằng vật liệu trong suốt cho năng lượng mặt trời tối đa tiếp nhận năng lượng và một lớp màng mỏng cho phép hấp thụ bức xạ trong bước sóng thích hợp.[2]
1.2 Yêu cầu đối với hệ thống photobioreactor
- Đối với quy mô công nghiệp, khi sản xuất nguồn nguyên liệu sinh học vi tảo thì việc tiêu thụ năng lượng cần hạn chế ở mức tối thiểu Để giảm chi phí và nâng cao năng suất sản xuất
- Thiết kế photobioreactor phải đảm bảo độ vô trùng, cung cấp và sử dụng nguyên liệu có hiệu quả
- Nó được gắn thêm bộ cảm biến để giám sát nhiều thông số kỹ thuật như nhiệt độ, pH, lượng oxy hòa tan và ánh sáng cung cấp cho việc nuôi cấy.[3]
1.3 Phân loại các hệ thống bioreactor
Hiện nay một số hệ thống photobioreactor được thiết kế với quy mô khác nhau, nhưng
đều nhằm mục đích là tạo ra lượng sinh khối cao hơn và tối ưu hóa các điều kiện cho sinh vật phát triển trong điều kiện tốt nhất , tiếp nhận ánh sáng một cách hiệu quả Tiêu thụ năng lượng bơm thấp, chi phí vốn đầu tư ít và độ tinh khiết của vi sinh vật cao nhất
1.3.1 Mô hình phòng thí nghiệm
Phương pháp đơn giản nhất là việc thiết kế một mô hình trong phòng thí nghiệm với các điều kiện nuôi trồng tối ưu nhất, đây cũng chính là cơ sở nghiên cứu và sản xuất công nghệ sinh học trên toàn thế giới Tại đây các lò phản ứng được thiết kế bằng một một tàu
Trang 4thủy tinh tiêu chuẩn, được nuôi trồng trong điều kiện thích hợp và cung cấp ánh sáng hợp
lý Các vòi phun đầu hiện tại được sử dụng và được cài đặt bằng một bộ cảm biến gắn với thiết bị trao đổi khí nhằm cung cấp khí CO2 để cho vi tảo phát triển Đây là loại hệ thống dùng khá phổ biến ở quy mô phòng thí nghiệm, nhưng nó có nhược điểm là sinh khối tế bào thành thấp, năng suất thấp và chỉ thực hiện được ở quy mô phòng thí nghiệm.[4]
1.3.2 Ống quang điện
Các hệ thống ống nuôi trồng được làm từ ống thủy tinh hoặc nhựa, loại photobioreactor này đã thành công trong quy mô sản xuất công nghiệp Các ống quang điện được sắp xếp theo nhiều cách khác nhau như ống đứng ,nằm ngang xếp tầng Chúng được sắp xếp sao cho có thể tận dụng được tối đa ánh sáng và được gắn với một hệ thống điều khiển trung tâm, tại hệ thống điều khiển được nối với các máy bơm, máy cảm biến Với mục đích cung cấp chất dinh dưỡng và CO2 một cách tự động, ống quang điện được áp dụng thành công trên toàn thế giới từ phòng thí nghiệm đến quy mô sản xuất, ví dụ như để sản xuất
xuất thực phẩm bổ sung từ tảo lục Chlorella vulgaris Do được nuôi trồng trong một hiện
đại nên sinh khối vi tảo thu được có độ tinh khiết cao, chất lượng cao, năng suất thu hồi lớn Việc thực hiện sản xuất sinh khối vi tảo luôn được thực hiện trong điều tối ưu nên giá trị về kinh tế lẫn về mặt dinh dưỡng của vi tảo là rất cao [5]
Trang 51.3.3 Cây Giáng sinh photobioreactor
phương pháp khác để thiết kế một hệ thống photobioreactor nuôi trồng vi tảo đó là xây dựng hệ thống dạng hình nón, hệ thống bao gồm các mạch ống kép được đặt xung quanh hệ thống Kết quả hệ thống bố trí tương tự như một cây thông Noel, hệ thống nuôi trồng dạng khép và có thể thực hiện ở quy mô nông nghiệp, công nghiệp Điều kiện nuôi trồng thực hiện tuần hoàn khép kín, để có thể thu hồi lượng sinh khối có năng suất cao
và chất lượng tốt, đặc biệt do được nuôi trồng trong một hệ thống khép kín nên lượng vi tảo thu hồi khá tinh khiết và có giá trị dinh dưỡng tốt [6]
Hình 1: Cây giáng sinh photobioreactor
1.3.4 Tấm photobioreactor
Một phương pháp khác để có thể xây dựng hệ thống photobioreactor là việc xây dựng dựa trên nhựa hoặc tấm kính Đây là một cách tiếp cận mới trong việc nuôi trồng
vi tảo với nhiều các hệ thống phong phú hơn, tấm kính với thiết kế kỹ thuật đặc biệt được gắn kết để tạo thành một lớp kính trong suốt mà tại đây ánh sáng được tiếp nhận phục vụ việc phát triển của vi tảo tốt nhất Ngoài ra, việc xây dựng và các điều kiện kỹ thuật đơn giản hơn so với xây dựng các lò phản ứng ống, từ đó chi phí đầu tư được thu hẹp lại làm tăng hiệu quả kinh tế Hệ thống được thiết kế gồm một bể nuôi trồng dòng chảy uốn khúc, tấm kính được đặt phía trên nhằm hấp thụ ánh sáng Hiệu quả thu hồi sinh khối của hệ thống khá ổn định [7]
Trang 61.4 Các hệ thống nuôi cấy vi tảo
1.4.1 Hệ thống nuôi cấy mở
- Đây là một dạng photobioreactor được xây dựng dạng mở, chủ yếu xây dựng trong các
hồ nuôi trồng mà không có thiết bị che chắn trên bề mặt và tiếp xúc trực tiếp với các yếu
tố bên ngoài như ánh sáng, nhiệt độ Hệ thống được chia thành các ngăn để nuôi trồng, trong môi ngăn có chứa nước để vi tảo phát triển Tảo quang hợp khi lấy oxy (O2) và ánh sáng trực tiếp từ môi trường bên ngoài [8]
Hình 2: Hệ thống mở
- Hệ thống nuôi trồng này được sử dụng khá phổ biến,bởi hê thống xây dựng đơn giản chí phí đầu tư thấp Tuy nhiên vẫn còn một số hạn chế là năng suất sản xuất thấp, tảo thu được có độ tinh sạch thấp và dễ bị lẫn tạp chất từ môi trường bên ngoài.[9]
Trang 71.4.2 Hệ thống nuôi cấy kín
- Hệ thống này là một photobioreactor dạng khép kín, có thể nuôi trồng trong không gian
ba chiều Hệ thống khép kín gồm các ống dài, tấm phẳng và cột quang điện, các ống thường trong suốt nhằm để tiếp nhận tối đa năng lượng mặt trời cung cấp cho việc quang hợp của tảo.[10]
- Ngoài ra hệ thống còn được gắn các bộ cảm biển, hoạt động tự động nhằm kiểm soát các yếu tố tác động đến việc sinh trưởng và phát triển của tảo.Hệ thống nuôi trong bể lên men vi sinh khối, vận động bằng máy khuấy trộn ba chiều nhằm cung cấp oxy trong quá trình nuôi cấy, quang hợp dựa vào nguồn ánh sáng nhân tạo và tự nhiên
- Hệ thống có nhiều trang thiết bị hiện đại, không chịu tác động bởi thời tiết và các yếu tố môi trường bên ngoài Quản lý chủ động được quá trình sinh trưởng phát triển của tảo và hạn chế được sự tạp nhiễm [11]
Hình 3: Hệ thống kín
[http://www.et.byu.edu/wanderto/homealgaeproject/Photobioreactor.html]
Trang 8
1.5 Cấu tạo của một hệ thống photobioreactor dạng ống
1.5.1 Cấu tạo hệ thống
Hình 4: Sơ đồ cấu tạo hệ thống photobioreactor
1 Hệ thống ống photobioreator 5 Hệ thống máy tính kiểm soát trung tâm
2 Hệ thống làm sạch tự động 6 Tàu ăn
3 Nhà máy bơm 7 Máy bơm nước
4 Hệ thống lọc
1.5.2 Thuyết minh hệ thống
- Từ tàu cho ăn (6), dòng chảy được hệ thống bơm (3), bơm qua màng nhằm làm giảm
áp lực của dòng chảy vào trong môi trường nuôi cấy tảo Sau đó được bơm vào thống làm sạch tự động để tiệt trùng một số vi sinh vật gây hại trước khi cung cấp nước và dinh dưỡng vào trong môi trường nuôi cấy
- Các photobioreactor được xây dựng các hệ thống làm việc tự động nhằm thúc đẩy sự tăng trưởng sinh học của tảo, các hệ thống này hoạt động có kiểm soát về các yếu tố môi trường bên trong và cả ánh sáng cung cấp cho hoạt động sinh trưởng của vi tảo
Trang 9- Sau khi các dòng chảy nguyên liệu được đưa vào các ống photobioreactor (1), tại đây
vi tảo được cung cấp chất dinh dưỡng và được cung cấp oxy Trong qúa trình sinh trưởng và phát triển thì được cung cấp thêm nước, giai đoạn sinh trưởng và phất triển cảu tảo bắt đầu, khi tảo đã sẵn sàng cho thu hoạch thì được đưa đến hệ thống lọc(4) Tại đây tảo được lọc và loại bỏ các thành phần không có lợi và loại bỏ các vi sinh vật gây hại để sản phẩm thu được sạch và đảm bảo chất lượng.[12]
• Các thông số kỹ thuật chung của một photobioreactor
Hình 5: Các thông số kỹ thuật của một hệ thống photobioreactor
1.6 Ưu, nhược điểm của việc trồng tảo bằng hệ thống photobioreactor
1.6.1 Ưu điểm của photobioreactor quang điện
- Trồng tảo là trong điều kiện môi trường luôn được kiểm soát được kiểm soát,ít thất bại, do đó tiềm năng cho năng suất cao hơn nhiều
- Khối lượng sinh khối vi tảo thu được lớn Hệ thống photobioraector(PBR) sử dụng hiệu quả tối đa trong việc tiếp nhận ánh sáng và do đó cải thiện đáng kể năng suất Thông thường mật độ sinh khối tế bào của vi tảo sản xuất lớn được thực hiện trong
hệ thống từ 10 - 20 lần và có thể còn lớn hơn so với hệ thống ao nuôi thông thường.[13]
Trang 10- Kiểm soát tốt hơn nguồn nguyên liệu cung cấp cho quá trình nuôi trồng, hạn chế sự bay hơi của môi trường nuôi cấy, tạo điều kiện thuận lợi cho vi tảo phát triển để thu hồi được nhiều lượng sinh khối.Nhiệt độ môi trường nuôi trồng đồng đều hơn, hạn chế được sự ô nhiễm của môi trường bên ngoài nhiễm Một ưu điểm nữa là tiết kiệm không gian do nuôi trồng trong không gian ba chiều,có thể được gắn kết theo chiều dọc, chiều ngang hoặc ở một góc, trong nhà hoặc ngoài trời
- Hệ thống ít bị ảnh hưởng bởi thời tiết, quản lý chủ động được các yếu tố môi trường bên ngoài
- Ngăn ngừa hoặc ít nhất là hạn chế tối đa tình trạng nhiễm bẩn, điều này cho phép thực thi việc nuôi cấy các mẻ tảo thuận lợi
- Giúp kiểm soát tốt hơn các điều kiện môi trường tác động lên mẻ cấy (pH, cường độ, ánh sáng, nhiệt độ, nồng độ CO2).Ngăn chặn tình trạng bốc hơi nước và bay hơi CO2
- Giúp tăng mật độ tập trung tế bào.Cho phép việc sản xuất các phức hợp sinh dược phẩm nhờ các tảo biến đổi gene, để cung cấp nguyên liệu cho việc sản xuất các thực phẩm chức năng mở ra một sự phát triển mới trong công nghệ sinh học phân tử [14]
1.6.2.Nhược điểm của photobioreactor quang điện
- Chi phí đầu tư xây dựng hệ thống rất cao Đây là một trong những điểm bất lợi làm cản trở sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất nhiên liệu sinh học vi tảo
- Để thu được lượng sinh khối cao cần đòi hỏi cần kiểm soát nghiêm ngặt các thông số
kỹ thuật so với hệ thống ao nuôi trồng thông thường
- Hệ thống nuôi trong bể lên men vi sinh khối vận động bằng máy khuấy trộng ba chiều nên gặp khó khăn trong điều kiện khử trùng.Vì vậy nếu môi trường bị tạp nhiễm sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng sinh khối.[15]
Chương 2 : Tổng quan về vi tảo
Trang 11Trong những năm gần đây, việc sử dụng nguyên liệu sinh học từ vi tảo đang tăng trưởng nhanh chóng trên toàn cầu, do nguyên liệu sinh học mang lại nhiều lợi ích trong đời sống xã hội Nguyên liệu sinh học là nguồn nguyên liệu xanh đang được chú trọng nhiều, bởi nhiều lợi ích mà nó mang lại.Các sản phẩm từ nguồn nguyên liệu sinh học có giá trị dinh dưỡng rất cao, đồng thời nó không gây ô nhiễm môi trường như các hoạt động sản xuất công nghiệp khác Dự kiến tốc độ tăng trưởng sản xuất và tiêu thụ nhiên liệu sinh học từ vi tảo sẽ tiếp tục gia tăng, vi tảo có thể đáp ứng được các điều kiện và do
đó tạo ra một đóng góp đáng kể để đáp ứng nhu cầu năng lượng sơ cấp, hứa hẹn một sự thay đổi vượt bậc trong ngành sản xuất nguồn nguyên liệu xanh nhưng ảnh hưởng của họ đối với đáp ứng nhu cầu năng lượng tổng thể ngành Chính những lợi ích mà nó mang lại
mà chúng ta cần chú trọng, phát triển nguồn nguyên liệu sinh học từ vi tảo.[16]
2.2 Vai trò, tiềm năng của nguyên liệu sinh học từ vi tảo
- Vi tảo được hiểu đơn giản là tất cả vi sinh vật đơn bào có cấu trúc đơn giản, bao gồm
cả vi tảo prokaryote, tức là vi khuẩn lam (Chloroxybacteria) Vi tảo và sinh vật nhân chuẩn ví dụ: tảo lục (Chlorophyta), tảo đỏ (Rhodophyta) và tảo cát (Bacillariophyta) Những lợi ích của việc sử dụng nguyên liệu sinh học có nguồn gốc từ vi tảo là: vi tảo có khả năng sản xuất quanh năm, khối lượng sinh khối thu hồi lớn, năng suất cao, giá trị dinh dưỡng và kinh tế của vi tảo mang lại lớn.[17]
- Thức ăn gia súc và các sản phẩm khác có nguồn gốc từ sinh khối vi tảo có tiềm năng tăng trưởng nhanh chóng và nhiều loài có hàm lượng dầu, protein cao trong khoảng 20-50% trọng lượng khô của sinh khối, tốc độ tăng trưởng theo cấp số nhân có thể tăng gấp đôi sinh khối của nó trong thời gian ngắn.[18]
- Đối với chất lượng không khí với việc duy trì sản xuất sinh khối vi tảo có thể làm giảm thiểu khí thải CO2 (1 kg sinh khối tảo khô sử dụng khoảng 1,83 kg CO2), các chất dinh dưỡng để trồng vi tảo (đặc biệt là nitơ và phốt pho) được sử dụng trong quá trình nuôi