Nghiên cứu tạo sinh khối spirulina platensis 9

Nghiên cứu tạo sinh khối spirulina platensis sạch bằng quy trình nuôi trong hệ kín

1 CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan Spirulina 1.1.1 Lịch sử phát sử dụng Spirulina [5], [12], [13], [15], [19] Spirulina sinh vật sống nguyên thủy cách khoảng 3,5 tỉ năm, cho có khả sử dụng nitơ tan nước biển làm nguồn dinh dưỡng cho tăng trưởng sinh sản Lịch sử sử dụng Vào kỷ 16, người Tây Ban Nha đánh chiếm Mexico phát thấy ngư dân người Aztecs sống thung lũng Mexico, thủ Tenochtitlan, sử dụng lưới có lỗ nhỏ để thu lượm loại thực phẩm mới, màu xanh gọi techuitlatl từ phá làm bánh màu xanh lam-lục từ Người Kanembu sử dụng túi vải để phơi tảo lam cát hồ Chad ánh nắng mặt trời Khi khô, bánh tảo lam mang chợ bán với tên gọi Dihé Trong bữa ăn hàng ngày, bánh Dihé đập nhỏ trộn với nước cà chua, hạt tiêu, sau rót vào hạt kê, hạt đậu, cá, thịt để ăn Phụ nữ mang thai ăn trực tiếp bánh Dihé Người Kanembu sử dụng khoảng 70% tảo lam theo cách Spirulina dùng để đắp lên vết thương để trị số bệnh định châu Phi Hình 1.1 Bánh Spirulina bán Chad hóa thạch sợi đa bào Spirulina Những phát thêm Spirulina Năm 1940, báo cáo nhà tảo học người Pháp Dangeard có nói rằng, loài tảo lam làm bánh Dihé phổ biến số hồ thuộc thung lũng Rift phía đơng châu Phi Hai mươi năm năm sau, nhà thực vật học, Jean Léonard thấy loại bánh màu xanh, ăn bán chợ địa Fort-Lamy (nay N’Djamena) thuộc Chad Năm 1967, Spirulina đánh giá “wonderful future food source” hội nghị quốc tế ứng dụng vi sinh vật Những phân tích ban đầu cho thấy protein chiếm 60-70% trọng lượng khơ Spirulina, protein có hàm lượng acid amin thiết yếu cân Từ kết trên, nhiều kế hoạch nghiên cứu cho mục đích cơng nghiệp thực năm 1970 Cựng thi gian trờn, Institut franỗais du pộtrole thc hin luận án nghiên cứu cụ thể có hệ thống loài tảo tươi, xuất bể bốc sở sản xuất sodium bicarbonate thuộc công ty Sosa-Texcoco Ltd, công việc nghiên cứu thực Zarrouk Những kết nghiên cứu đạt sở cho đánh giá ban đầu nuôi Spirulina quy mơ lớn Trong khơng lồi vi sinh vật mang lại hứa hẹn nguồn protein giá rẻ, Spirulina tiếp tục nghiên cứu gia tăng sản xuất, điều phản ánh nhận thức đắn giá trị dinh dưỡng Spirulina Cho đến có nhiều nước giới sản xuất sử dụng sinh khối Spirulina làm thực phẩm cho người Nhiều tổ chức sức khỏe, tổ chức xã hội nhiều nước giới công nhận Spirulina thức ăn bổ dưỡng cịn gọi thực phẩm tương lai (Food of future) Theo Hills (1980) tảo Spirulina loại thức ăn cao cấp an toàn bác sĩ Nhật Bản dùng để điều trị số bệnh hiểm nghèo tiểu đường, ung thư, viêm gan 1.1.2 Phân loại học [20], [22] Mang nhiều tên gọi khác Spirulina, Arthrospira chủ đề thảo luận nhiều từ trước đến nay, tên “tảo” nhắc đến lần Năm 1852, việc phân loại học viết Stizenberger Ơng đưa tên lồi Arthrospira dựa vào cấu trúc chứa vách ngăn, đa bào, dạng xoắn Gomont khẳng định nghiên cứa Stizenberger vào năm 1892, đồng thời Gomont bổ sung thêm lồi khơng có vách ngăn Spirulina lồi có vách ngăn Arthrospira Như vậy, tên công nhận Arthrospira, hoạt động khảo sát nghiên cứu Arthrospira gọi Spirulina, tên Spirulina sử dụng phổ biến thay cho tên Arthrospira Spirulina (Arthrospira) maxima Spirulina (Arthrospira) platensis hai chi quan trọng loài, chúng phân biệt khác hình dạng sợi, khơng bào, bao phủ bên ngồi vỏ hay màng nhầy chiếm ưu Cho đến năm 1962, Spirulina thức xếp vào giới prokaryote khơng có màng phospholipidic màng nhân Theo Nguyễn Lân Dũng cộng [2] Spirulina thuộc nhóm vi sinh vật nhân nguyên thủy thuộc vi khuẩn thật, gọi Vi khuẩn lam (Cyanobacteria) thường gọi Tảo lam (Cyanophyta hay blue algae) hay Tảo lam lục (Blue green algae) Vi khuẩn lam có khả tự dưỡng quang nhờ chứa sắc tố quang hợp chất diệp lục a Quá trình quang hợp vi khuẩn lam trình phosphoryl hóa quang hợp phi tuần hồn, có giải phóng oxy xanh Vi khuẩn lam khơng thể gọi tảo chúng khác biệt lớn so với tảo: vi khuẩn lam khơng có lục lạp, khơng có nhân thực, có ribosome 70S, thành tế bào có chứa peptidoglycan mẫn cảm với penicillin lysozym Loài Spirulina (Arthrospira) platensis thuộc: Chi Spirulina (Arthrospira) Họ Oscillatoriceae Bộ Oscillatoriales Lớp Cyanophyceae Ngành Cyanophyta 1.1.3 Phân bố [5], [13], [20] Spirulina tìm thấy đất, đầm lầy, nước ngọt, nước lợ, nước ấm, nước biển Mơi trường có độ mặn kiềm cao thích hợp cho sản xuất Spirulina, nơi nhiều ánh nắng mặt trời, vùng cao so với mặt nước biển có khí hậu nhiệt đới Spirulina tự nhiên sống hồ chứa nước giàu bicacbonat (HCO3-), pH biến động từ 8,5 – 11, Lake Texcoco Ngồi có hồ lớn ni Spirulina miền trung châu Phi chạy quanh Lakes Chad Niger, phía đơng châu Phi chạy dọc theo vịnh Great Rift Nhiệt độ sống thích hợp từ 35-370C Khi ngồi trời, nhiệt độ 390C vài khơng có tác hại lên khuẩn lam khả quang hợp chúng Spirulina tăng trưởng nhiệt độ thấp khoảng 150C suốt ngày hay vào ban đêm Khả chịu biến động ánh sáng cao, cường độ ánh sáng tốt khoảng 25 – 30 Klux Spirulina thu từ nước có chứa 85 - 270 g muối/lít, mơi trường sống tốt có 20 – 70 g muối/lít Giá trị pH tế bào chất cao (4,2-8,5) ưu cho loài sử dụng amonia nguồn nitơ môi trường pH kiềm Mơi trường nước thích hợp cho Spirulina có đặc tính: giàu Na+ HCO-3, giàu K+ SO-4, khơng có thấp Ca++, Mg++ Cl- 1.1.4 Đặc điểm sinh học Spirulina [5], [13], [22] Đặc điểm hình thái Tên “Spirulina” xuất phát từ tiếng Latin “helix” “spiral” biểu hình dạng xoắn Spirulina lồi sống cộng sinh, đa bào, tế bào phân biệt vách ngăn, dạng sợi xoắn hình lị xo, số vịng xoắn lớn - vòng tùy theo chiều dài sợi, đạt tới 1/4 mm Các vách ngang chia sợi Spirulina thành nhiều tế bào riêng rẽ liên kết với cầu liên bào Đặc điểm cấu tạo Tế bào Spirulina có cấu trúc giống với sinh vật prokaryote, thiếu hạt liên kết với màng Thuộc gram âm, thành tế bào nhiều lớp bao bọc màng polysaccharide nhầy Thành tế bào Spirulina không chứa cellulose mà hệ tiêu hóa người khơng phân cắt Spirulina có tỷ lệ chuyển hóa quang hợp khoảng 10%, so với 3% thực vật sống cạn đậu nành ví dụ Sắc tố quang hợp phycocyanin, bên cạnh cịn có chlorophyll a Tế bào Spirulina khơng có lục lạp mà thay vào thylakoid phân bố tồn tế bào Màng thylakoid bao quanh hạt polyphosphat có đường kính 0,5 – micromet (μ) thường nằm trung tâm tế bào Tế bào Spirulina vi khuẩn lam khác chưa có nhân điển hình, mà có vùng nhân khơng rõ Sự có mặt khơng bào chứa đầy khí tế bào, với hình dạng sợi xoắn dẫn đến lên mặt môi trường sống Spirulina Siêu cấu trúc thành tế bào S platensis [33], [34] Thành tế bào kính hiển vi điện tử lên gồm lớp: từ lớp I đến lớp IV (L-I, L-II, L-III, L-IV) L-I L-III chứa vật liệu dạng sợi L-II peptidoglycan giống tế bào vi khuẩn L-IV xếp chạy theo chiều dọc trục sợi Spirulina Hình 1.2 Lát cắt tế bào S platensis Hình 1.2 cho thấy vách ngăn hình thành, vách ngăn gồm ba lớp: L-II kẹp hai L-I, hình dung hình 1.3 Hình 1.3 Mơ hình xếp vách tế bào S platensis L-I L-III có chức vận chuyển điện tử, hai L-II L-IV tập trung điện tử Độ dầy lớp từ 10-15 nm, nên độ dầy toàn thành tế bào khoảng 60 nm L-II, L-III, L-IV có độ dầy nhau, L-I lớn Cấu trúc bốn lớp theo chiều dọc thành tế bào ba vách ngăn có ba lớp phù hợp với nghiên cứu Jost (1965), Halfen Castenholz (1971) họ Oscillatoria Halfen and Castenholz (1971) Halfen (1973) có kết luận chung kiểu chuyển động trượt S platensis nhờ vào cấu trúc sợi L-III Halfen (1973) phát rằng, sợi có gắn protein xoắn quanh sợi Spirulina Kiểu hình kiểu cấu tạo lặp lại nhiều lần L-IV giống với lớp thành tế bào vi khuẩn gram âm theo mô tả Thornley, Glauert Sleytr (1974) L-IV có hình dạng méo mó, điều vật liệu cấu tạo lên L-IV gây lên Theo C Van Eykelenbug (1977) thành tế bào S platensis chứa polysaccharide cấu tạo từ gốc glucose Metzner's (1955) có ý kiến rằng, hàng lỗ nằm vách ngăn chạy dọc theo thành tế bào, đóng vai trị nơi chứa chất nhầy Spirulina laxissima lồi tảo lam-lục có kích thước nhỏ S platensis cường độ xoắn lớn hơn, dùng thí nghiệm để tìm mối liên quan hình dạng vách ngăn có chứa nếp gấp hình dạng sợi S platensis Kết là, kích thước vùng bao phủ nếp gấp có liên quan tới cường độ xoắn sợi S platensis, cường độ xoắn lớn, kích cỡ nếp gấp nhỏ ngược lại Hình 1.4 Một phần vách ngăn cho thấy nếp gấp Đặc điểm sinh sản Spirulina khơng có khả sinh sản hữu tính, sinh sản phương pháp phân bào, tạo đoạn bào ngắn Mỗi đoạn bào rộng μ , dài μ 1.1.5 Giá trị dinh dưỡng [5], [13], [20], [22] Sự hiểu biết toàn diện đặc điểm dinh dưỡng Spirulina trở nên quan trọng quy trình sản xuất lồi vi sinh vật thực thích hợp với điều kiện khí hậu kinh tế vùng thiếu hụt dinh dưỡng phổ biến Trong mối quan tâm nhiều loài vi sinh vật khác ngày giảm bớt vấn đề khả tiêu hóa, hàm lượng loại acid, Spirulina dường trở thành giải pháp tốt cho sản xuất nguồn thực phẩm có chất lượng cao Spirulina nhắc đến nhiều sống điều kiện ni có độ mặn pH cao, nên bảo đảm vệ sinh ni cấy, có vi sinh vật khác có khả sống sót điều kiện 1.1.5.1 Protein Hàm lượng protein Spirulina dao động từ 50-70% trọng lượng khô Hàm lượng protein thấp từ 5-10% tùy vào thời gian thu hoạch môi trường sống Giá trị cao thường đạt thu hoạch vào buổi sáng sớm ngày nắng Spirulina có hàm lượng protein cao loại thực phẩm khác, nhiều thịt động vật cá tươi (15 – 25% trọng lượng tươi), đậu nành (35% trọng lượng khô), sữa bột (35% trọng lượng khô), trứng (12% trọng lượng tươi), đậu phộng (25% trọng lượng khô), lúa gạo (8 – 14% trọng lượng khô), sữa (3% trọng lượng tươi) Theo quan điểm chất lượng protein Spirulina hồn hảo, diện đầy đủ acid amin thiết yếu không thiết yếu, chiếm khoảng 47% lượng protein tổng Protein Spirulina nguồn protein béo, calorie đặc biệt khơng cholesterol Chuỗi acid amin đầy đủ cho thấy giá trị sinh học protein Spirulina cao, trở thành sản phẩm tối ưu kết hợp với thực phẩm chứa nhiều cysteine methionine, chẳng hạn loại ngũ cốc (gạo, lúa mì, hạt kê) Lượng protein thực sử dụng (Net protein utilisation, NPU) Mức sử dụng protein ăn vào xác định khả tiêu hóa như: tỉ lệ hấp phụ nitơ protein, thành phần acid amin với yếu tố khác độ tuổi, giới tính, tình trạng sinh lý thể Giá trị NPU xác định cách tính phần trăm nitơ cịn lại Tế bào Spirulina khơng có vách cellulose mà có vách nguyên sinh dễ phá vỡ Điều giải thích cho khả tiêu hóa cao protein Spirulina, lên tới 83-90% trọng lượng khô ban đầu Spirulina 10 Spirulina không cần giai đoạn nấu hay xử lý đặc biệt để làm tăng giá trị protein chúng Đây ưu điểm lớn cho sản xuất đơn giản cho bảo tồn nguyên vẹn thành phần dinh dưỡng giá trị cao tế bào Spirulina 1.1.5.2 Acid amin Theo Sasson (1997), sau 18 đồng hồ 85% protein Spirulina tiêu hóa đồng hóa Giá trị NPU Spirulina nằm khoảng 53-61% Như protein Spirulina cao hẳn so với loài động vật hàm lượng chất lượng Thành phần acid amin cân đối, gồm đủ lượng acid amin thiết yếu không thiết yếu Acid amin thiết yếu thành phần mà thể người không tự tổng hợp mà phải cung cấp từ thực phẩm qua đường tiêu hóa Trong tự nhiên, khơng có nguồn ngun liệu động, thực vật chứa đủ toàn 18 loại acid amin tình trạng tương tự sản phẩm tổng hợp thương mại 26 tham gia nấm men Saccharomyces, trải qua hàng loạt phản ứng hoạt động nhiều men xúc tác khác Phương trình tổng quát lên men là: C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + 27 kcal Để có hai sản phẩm ethanol khí carbon dioxide lên men phải trải qua ba giai đoạn: đường phân, decacboxyl hóa, cồn hóa Theo Pasteur, coi lượng đường có dịch lên men 100% sau lên men cho 44,4% ethanol; 46,6% CO2; 3,3% glyceryl 0,6% acid succinic Như vậy, điều kiện lên men bình thường (pH 4-5, nhiệt độ 28-300C, số điều kiện thích hợp khác) 1000 kg đường lên men cho khoảng 466 kg CO2, số đáng để quan tâm lợi ích tác hại năm gần đây, mà khí nhà kính trở thành mối lo ngại hàng đầu môi trường Trái Đất CO2 thành phần có tác động mạnh mẽ hỗn hợp khí nhà kính, thải ngồi khí mà khơng có kiểm sốt Ngược lại, carbon dioxide có ứng dụng mang lại giá trị kinh tế Theo phương trình lên men lượng khí carbon dioxide chiếm gần 100% khí sản phẩm tạo ra, nguồn cung cấp CO2 tinh cho hoạt động cần nguồn khí làm ngun liệu đơng lạnh, khí trơ cho loài sinh vật quang hợp 1.3 Tổng quan nấm men [6] 1.3.1 Đặc tính chế hoạt động nấm men Nấm men tác nhân q trình lên men cồn Nấm men sản xuất cồn thuộc giống Saccharomyces, điều kiện yếm khí nấm men chuyển hố đường thành ethanol CO2 27 Hình 1.5 Nấm men kính hiển vi điện tử Dựa vào đặc tính q trình lên men mà nấm men chia thành nhóm chính: nấm men nấm men chìm Nấm men nổi: lên men nhiệt độ cao từ 20 - 28oC Quá trình lên men nhanh tạo thành bọt Nấm men bề mặt lơ lửng dịch lên men lắng xuống đáy bình thành lớp xốp lên men kết thúc Nấm men chìm: lên men chậm, lặng lẽ nhiệt độ tương đối thấp từ 5-10oC Trong trình lên men, nấm men nằm đáy Việc tạo điều kiện yếm khí cho môi trường lên men, giúp nấm men sử dụng toàn chất cho lên men kinh tế Quá trình trao đổi chất nấm men xảy tác dụng enzyme nội bào ngoại bào Nước môi trường lên men giúp chất dinh dưỡng vào tế bào thải sản phẩm trao đổi chất môi trường Màng tế bào nấm men có tác dụng màng bán thấm sinh học, thu nhận đường chất dinh dưỡng Ethanol CO2 hình thành khỏi tế bào tích tụ mơi trường Việc di chuyển CO2 môi trường giúp tế bào nấm men trao đổi chất nhanh hơn, thúc đẩy trình lên men triệt để 1.3.2 Một số loài nấm men tiêu biểu Saccharomyces cerevisiae 28 Được sử dụng phổ biến công nghệ sản xuất rượu, bia, bánh mì rượu vang Tế bào thường có dạng hình cầu, hình bầu dục elip, kích thước (5-7)x(810) micromet (μm), sinh sản cách nảy chồi Tế bào nấm men chứa 75% nước, chất khô chủ yếu protein hydratcarbon Saccharomyces cerevisiae có khả lên men nhiệt độ 28 – 32oC, biến đường thành cồn nhanh hoàn toàn Sau lên men, nấm men lắng chậm Saccharomyces ellipsoideus (nấm men nho), tạo 17-18% độ cồn, hay dùng để sản xuất rượu vang Saccharomyces vini Nấm men dùng phổ biến trình lên men nước Đa số tế bào lồi có hình oval có kích thước (3 – 8) x (5 -12) μm, sinh sản theo lối nảy chồi Loại thường lên men đạt độ cồn từ – 10 độ Ở giai đoạn cuối lên men, Saccharomyces vini kết lắng nhanh làm rượu Ở giai đoạn cuối trình lên men, tế bào Saccharomyces vini thường bị già, không tiếp tục chuyển đường thành cồn bị chết nhanh Saccharomyces oviformis Được phân lập từ nước nho lên men tự nhiên, loại nấm men so với Saccharomyces vini, có hình dạng giống Saccharomyces vini Giống chủng phát triển tốt nước nho loại nước khác, có khả chịu nồng độ cồn cao, có khả lên men kiệt đường tạo thành tới 18o cồn, lên men tạo thành màng dịch Hai giống nấm men Saccharomyces vini Saccharomyces oviformis dùng nhiều công nghiệp sản xuất rượu vang nên gọi nấm men rượu vang 1.4 Tổng quan mật rỉ đường [9] 1.4.1 Nguồn gốc rỉ đường Nước ta nằm vùng khí hậu nhiệt đới, nhiều vùng đất đai từ Bắc đến Nam thuận tiện cho phát triển trồng mía, tỉnh ven biển miền Trung Đơng Nam 29 Vì ngành sản xuất đường mía có tiềm lớn Đến nước có 45 nhà máy đường có cơng suất ép từ 300 - 8000 mía/ngày Phát triển sản xuất đường mía định hướng đắn, quan trọng Tuy nhiên, sản xuất đường thải lượng không nhỏ chất thải giàu chất hữu dễ chuyển hóa, gây nhiễm mơi trường đặc biệt môi trường nước Mật rỉ phụ phẩm ngành sản xuất đường, sản phẩm cuối trình sản xuất đường mà từ đường khơng thể kết tinh cách kinh tế công nghệ thông thường Rỉ đường thường chiếm khoảng - 5% trọng lượng mía ép hay 100 mía tạo - rỉ đường 1.4.2 Thành phần rỉ đường Rỉ đường mía thu chế biến đường thơ hỗn hợp phức tạp có chứa đường lên men, chất hữu cơ, chất có chứa nitơ hợp chất vô Trong rỉ đường có 15 – 20% nước, 80 – 85% chất khơ hồ tan Trong chất khơ có từ 25 – 40 % đường, saccharose chiếm 30 – 35%, đường glucose, fructose chiếm 15 – 20%, lại chất khơng phải đường hồ tan nước gồm có 30 – 32% chất hữu 18 – 20% chất vô Trong rỉ đường có khoảng 1,7% chất khử khơng lên men 1.4.3 Thành phần hoá học rỉ đường 30 Bảng 1.7 Thành phần hóa học rỉ đường [9] Thành phần pH Tỷ lệ trung bình (%) 5–6 Brix bbb 89,12 Đường C12 33,98 Đường C6 25,35 Đường tổng số 57,33 Fe 0,0027 Al 0,0026 CaO 0,35 MgO 0,024 SO4 0,017 P 2O 0,12 Cu ( (γ / l ) 59 Pb ( (γ / l ) 100 SiO2 0,4 1.4.4 Vấn đề sử dụng rỉ đường Khoảng 75% tổng rỉ mật giới sản xuất từ mía (châu Á Nam Mỹ) đa phần lại từ củ cải đường (châu Âu Bắc Mỹ) Ở Việt Nam, vụ ép 2000 – 2001 tổng lượng mật rỉ thu khoảng 324,000 tấn, năm 2007 550000 Theo báo cáo 2000 - 2001, nhà máy đường có sản xuất cồn sử dụng lên tới 156,57 - 184,2 ngàn rỉ đường, chiếm 56,85% tổng lượng mật rỉ Khoảng 40% lại chưa tận dụng thải môi trường Về bản, rỉ đường dùng làm nguyên liệu công nghiệp lên men sản xuất cồn chủ yếu, bên cạnh cịn sử dụng để sản xuất rượu rum, thu sinh 31 khối protein, dung mơi aceton, buthanol, nấm men bánh mì, acid citric, lactic, aconitic glyceryl, phần rỉ đường dùng làm thức ăn gia súc Hầu hết sản phẩm sản xuất chưa sử dụng rộng rãi Việt Nam Theo bảng 1.7 rỉ đường nguyên liệu lên men cồn hoàn hảo Thành phần rỉ đường tương đối thích hợp cho nấm men lên men hàm lượng khống Chỉ có hàm lượng đường nitơ cao chưa phù hợp, ưu điểm mật rỉ, nhờ nồng độ cao nên dễ dàng pha loãng đạt nồng độ cần sử dụng, ngồi khơng tốn nhiều công cho việc vận chuyển 1.5 Tổng quan khí carbon dioxide tia cực tím (ultraviolet, UV) [1], [21], [35] Carbon dioxide (CO2) Khí carbon dioxide, khí gây hiệu ứng nhà kính bên cạnh methane (CH4), nitrous oxide (N2O) nhóm halocarbon Hiện nay, nồng độ khí carbon dioxide khí khoảng 0,038% hay 380 ppm Trong năm 1000 đến 1750, cơng nghiệp chưa phát triển khí CO2 tăng khoảng 3,6% (275-285 ppm) Từ 1750 đến 1970 (khoảng 200 năm), nồng độ CO2 toàn cầu tăng 18% (50 ppm) Tiếp theo giai đoạn 1970-2005 (khoảng 30 năm) tăng 18% (50 ppm) Như vậy, gia tăng nhanh chóng năm 1950, với thời kỳ cơng nghiệp hóa nước phương Tây Mỹ Tốc độ gia tăng trung bình từ 1960 đến 2005 khoảng 1,4 ppm/năm Phát thải carbon dioxide toàn cầu năm 2008 tăng 1,94 phần trăm, tương đương với 31,5 tỷ Ở Việt Nam, lượng khí CO2 thải tính theo đầu người 1,2 tấn/người/năm Theo tính tốn, CO2 loại khí đóng góp nhiều vào ấm lên toàn cầu với 1,4 wat/m2 Cắt giảm khí CO2 khí vấn đề trọng tâm môi trường giới Giống thực vật bậc cao, Spirulina có khả sử dụng CO2 để tăng sinh 32 khối, với hệ số sử dụng cao Không sinh vật quang hợp khác, Spirulina ni cách dễ dàng vùng đất khô cằn hay thành phố, ưu điểm trở lên khả thi áp dụng hệ kín để ni phổ biến Spirulina thành phố, khu vực đông dân Tia UV Định nghĩa Tia cực tím (ultraviolet, UV) tia điện từ có bước sóng ngắn ánh sáng nhìn thấy dài tia X Theo độ dài bước sóng có ba loại tia cực tím: Tia UVA có bước sóng tương đối dài (400-315 nm), chiếm 95% số tia UV chiếu xuống mặt đất UVB có bước sóng trung bình (315-280 nm) UVC (280-10 nm), tia gây hại nhiều nhất, bị chặn hoàn tồn tầng ozone khí Cơ chế tác động Tuy vào cường độ khác mà mức độ tổn thương khác Khi bị chiếu tia UV, nucleotide mạch tạo liên kết với thay liên kết với nucleotide mạch bổ sung, cấu trúc ADN bị phình khơng thực chức năng, dẫn đến biến đổi gây chết vi sinh vật 1.6 Tổng quan hệ thống nuôi Spirulina 1.6.1 Hệ hở [26], [29] Về bản, tồn hai hệ thống nuôi Spirulina với quy mô công nghiệp hệ hở hệ kín Hệ hở chia thành nguồn nước tự nhiên (các hồ, phá, ao) bể nhân tạo thùng chứa Những thiết kế ban đầu dạng hình chữ U elip làm trực tiếp mặt đất, sau bể hình trịn Sự phát triển cao mặt kỹ thuật hệ hở biểu rõ thiết kế bể raceway, chiều dài 10-300 m, bề rộng 1-20 m, độ sâu từ 5-100 cm, với kích cỡ tăng lên diện tích bề mặt raceway dao động từ 300-5000 m2 Tương ứng với kích 33 thước bể dạng nhỏ hay dạng quy trình cơng nghiệp, thể tích mơi trường ni từ 2001200000 lít Những vật liệu dùng làm bể: bê tông, PE, PVC, nhựa đường, đất sét Hình 1.6 Mơ hình bể raceway Mơi trường theo vịng khép kín, có guồng quay gắn cánh đẩy dịch nuôi đi, guồng hoạt động nhờ lượng điện Cho đến nay, raceway mơ hình sản xuất vi tảo với quy mơ mức độ phổ biến giới xây dựng lên để phục vụ nhu cầu ngày gia tăng người Một số nơi điển Earthrise Farms Cyanotech Corp thuộc Hoa Kỳ, công ty Nature Beta Technologies thuộc Israel, Đài Loan có bể hình trịn (1960), bể hình chữ nhật (1970) Mặc dù sản xuất quy mô lớn, hệ hở nói chung mang nhược điểm khơng thể khắc phục suất thấp, ưu điểm bật hệ kín suất sinh khối cao gấp 2-3 lần hệ hở Đây nguyên nhân dẫn đến phát triển hệ kín Bảng cho thấy rõ ưu nhược điểm hai hệ thống 34 Bảng 1.8 Ưu, nhược điểm hệ hở hệ kín [17], [28] Thơng số Bể hở (raceway ponds) Hệ kín Nguy nhiễm Vô cao Thấp Yêu cầu không gian Cao Thấp Sự nước Vô cao Hầu không Sự CO2 Cao Hầu không Chất lượng sinh khối Không dễ bị ảnh hưởng Dễ bị ảnh hưởng Khả biến đổi để ni nhiều lồi Khơng được, khả ni bị hạn chế với vài loài tảo Cao, hầu hết loài tảo khác ni Tính linh động sản xuất Thay đổi sản xuất theo điều Thay đổi sản xuất mà không kiện khác gần có vấn đề khơng thể thực Khả tái sử dụng thông số sản xuất Khơng được, phụ thuộc vào điều kiện bên ngồi Có thể giới hạn định Điều khiển qui trình Khơng thực Thực Chuẩn hóa Khơng thể Có thể Phụ thuộc thời tiết Hồn tồn, sản xuất trời mưa liên tục Không đáng kể, hình dạng kín cho phép sản xuất thời tiết xấu Thời gian thu sản phẩm hoàn thành Dài, khoảng 6-8 tuần Khá ngắn, khoảng 2-4 tuần Nồng độ sinh khối suốt trình sản xuất Thấp, khoảng 0,1-1 g/l Cao, 2-8 g/l Hiệu suất qui trình xử lý Thấp, tốn thời gian, thể tích Cao, thời gian ngắn, thể tích lớn nồng độ sinh khối nhỏ thấp 35 Do mang nhược điểm lớn bảng 1.8 nên bể raceway chưa thực phát triển rộng khắp nước giới, mà giới hạn vùng xa thành phố, có khí hậu thuộc số nước có kinh tế phát triển Mỹ, Nhật Bản, Đài Loan 1.6.2 Hệ kín [12], [17], [18], [24], [25], [26], [28], [31], [32] Các hệ kín dựa khái niệm thiết kế khác kiểm tra quy mô pilot Những xu hướng phát triển sau dường định hướng theo hệ quang sinh học hình ống hình ghép lại với nhau, kết hợp hai nguyên tắc thiết kế cốt để thu lấy ánh sáng qua việc mở rộng diện tích bề mặt Hệ quang sinh học (photobioreactor, PBR) coi hệ kín (close system) Trong hệ này, điều kiện nuôi tối ưu thu nhờ điều khiển toàn hệ thống Dựa vào nhiều kết nghiên cứu phát triển sản xuất – thương mại, hệ kín có đặc điểm chung mà đưa nguyên tắc thiết kế sau: Nguyên tắc thiết kế hệ kín: đảm bảo khả điều chỉnh hầu hết thông số công nghệ sinh học quan trọng nhằm thu suất sinh khối cao Các thơng số bao gồm: nhiệt độ, ánh sáng, đảo trộn, nguy nhiễm tạp, thất CO2, có điều kiện tái sản xuất thiết kế linh hoạt Vị trí địa lý yếu tố cần tính đến sản xuất Spirulina hệ kín Đối với vùng nhiệt đới, nơi có dao động nhỏ nhiệt độ suốt ngày, hệ quang sinh học PBR thích hợp Mục tiêu phát triển hệ thống điều khiển hồn tồn, hệ kín cho ni vi tảo, từ quy mô nhỏ đến quy mơ cơng nghiệp Theo đó, hiểu biết đặc điểm hoạt động hệ thống (nhiệt độ, ánh sáng,…) phát triển vi tảo (năng suất sinh khối, thời gian tăng trưởng,…) tích lũy ngày nhiều Quy trình phát triển hệ thống kín Những nghiên cứu ni Chlorella ống nhựa thủy tinh, thực vào đầu năm 1950 Davis cộng (1953) Carnegie Institution of 36 Washington Davis cộng đă kết luận ống làm nhựa hay thủy tinh thích hợp cho ni Chlorella ngồi trời Cùng thời điểm trên, hệ thống ni ngồi trời thực Nhật Bản, môi trường nuôi Chlorella ellipsoidea tuần hoàn ba ống thủy tinh, đường kính cm, nhúng ngập nước, nhằm điều chỉnh nhiệt độ Năm 1951, quy mô pilot làm nhằm nghiên cứu lợi ích việc sản xuất Chlorella ống polyethylen kích thước lớn, thành ống mỏng Trong thí nghiệm này, tính ổn định ống, thiết bị tuần hồn, làm lạnh mơi trường ni khảo sát Kết thu từ quy mô pilot cho thấy, làm lạnh dịch nuôi yếu tố khiến cho giá sản phẩm tảo dạng khơ sản xuất từ hệ kín cao hệ hở Nếu loại bỏ hoàn toàn yếu tố làm lạnh giảm gần 50 % đầu tư ban đầu, cốt để thu giá sản phẩm hệ kín với hệ mở Phải đầu năm 1980, Pirt cộng (1983) xây dựng lý thuyết cho thiết kế hoạt động thiết bị nuôi Chlorella dạng ống Những kết có ý nghĩa tích cực mở giai đoạn phát triển mới, liên tục ngày Tiếp theo, Một hệ kín quy mô lớn phát triển Gudin Chaumont năm 1983 Vật liệu làm ống polyethylen, ống gồm hai lớp, dịch ni lớp trên, khơng khí cho vào lớp Nhiệt độ điều khiển cách cho dịch ni lên chìm xuống nước nhờ điều chỉnh lượng khí lớp Năm 1986, Ramos de Ortegat Roux dựng lên ba loại hệ kín-nằm mặt phẳng để ni Chlorella pyrenoidosa, nhằm thiết kế hệ kín có giá thấp dễ thực Những loại hệ kín sau sử dụng: (1) Các ống PVC mềm dẻo, đường kính cm (2) Các ống nhựa PVC suốt, bán rắn, đường kính cm (3) Các PVC rắn polycarbonate Tất hệ dùng bơm để khuấy đảo dịch nuôi 37 Năm 1986, Torzillo thiết kế hệ kín làm ống suốt Thời gian đầu vật liệu polyethylene, sau chống chịu với hóa chất nên thay thủy tinh Plexiglas Năm 1987, Bocci làm hệ ống gồm nhiều ống thủy tinh chịu nhiệt để khảo sát tăng trưởng S platensis Năm 1990, Lee Micheal thiết kế hệ đảo trộn khí, hình xoắn ốc, tỉ lệ diện tích bề mặt/thể tích (s/v, m2/m3) tăng gấp ba lần so với hệ sử dụng cánh khuấy, suất sinh khối tăng gấp ba lần Theo Javanmardian Palsson (1991) hệ kín phức hệ gồm vài phụ hệ kết hợp lại, liệt kê sáu phụ hệ đây: Nguồn sáng Hệ trao đổi khí Hệ truyền quang Hệ lọc Vùng phản ứng Hệ cảm biến Năm 1992, Amos Richmond, Sammy Boussiba, Avigad Vonshak Reuven Kopel miêu tả thiết kế hệ kín sử dụng chế độ đảo trộn áp lực khí Hệ gồm ba phận chính: bơm áp lực khí, tách khí ống phản ứng suốt nằm song song với nhau, nối với ống góp Theo Pulz (1994), hệ kín mang lại khả tối ưu hóa thơng số ni cấy Khi nuôi bể hở, suất sinh khối đạt tới mg/l độ sâu 15 cm Năm 1998, Tredici, Mannelli Materassi đă phát minh hệ dạng đứng, hệ có tỉ lệ s/v 80/m để ni số lồi vi tảo vi khuẩn lam trời Suphi, Oncel Oguz Akpolat (2006) xây dựng hệ thống kết hợp có hai phận chính: thùng có nhiệm vụ sản xuất mà khơng phải ống nhiều thiết kế khác, phận thứ hai cuộn xoắn ống có nhiệm vụ chiếu sáng từ bên thùng nhờ ống đèn huỳnh quang lắp đặt bên Vật liệu tác giả sử dụng thủy tinh 38 Theo tác giả, hệ kín kết hợp có ưu điểm thể tích lớn hệ ống, chiếm diện tích hơn, đặc điểm hệ dường gần giống với thiết kế lên men công nghiệp sản xuất rượu, bia, điểm khác biệt thiết bị chiếu sáng đặt bên để cung cấp cho vi sinh vật có khả quang hợp, thiết bị cung cấp ánh sáng không hoạt động hệ hồn tồn sử dụng cho mục đích ni lồi dị dưỡng, tạp dưỡng 1.6.3 Một số vấn đề nghiên cứu cho thiết kế hệ kín [18], [28] Bình thường, điều kiện sống tự nhiên vi tảo, qua nghiên cứu cho thấy rằng: mật độ tế bào cao 103 tế bào/ml, khoảng cách trung bình hai tế bào liền kề 1350 µm hay 250 lần so với đường kính tế bào, tốc độ di chuyển theo hướng ngang hướng thẳng đứng từ 5×10-3 đến 3×10-5 m/giây, nguồn sáng nhịp ngày đêm, điều kiện dinh dưỡng CO2 nói chung cịn xa điểm tối ưu, thơng số nhiệt độ, nồng độ ion, pH có đặc điểm ổn định lâu dài Ngược lại với hệ kín, người cung cấp điều kiện khác biệt: mật độ tế bào lên tới 108 tế bào/ml, khoảng cách hai tế bào liền kề giảm xuống cịn 60 µm hay 10 lần so với đường kính tế bào, khơng gian di chuyển dao động từ 0,3-1,2 m/giây, điều kiện đảo trộn khiến dòng photon thay đổi theo tần số từ 0,1-1 giây thay cho nhịp ngày đêm, cung cấp dinh dưỡng CO2 ln mức đầy đủ dư thừa, pH nhiệt độ thay đổi hồn tồn khơng cịn điều kiện sống tự nhiên Tóm lại điều kiện tối ưu dễ dàng thu nhờ điều khiển tác nhân lý, hóa bên ngồi 1.7 Tổng quan yếu tố ảnh hưởng lên phát triển Spirulina [11], [23], [28], [31] 1.7.1 Giá trị pH Cơng việc trì giá trị pH tối ưu quan trọng sản xuất Spirulina Rõ ràng có ưu điểm trì pH cao có thể, lại khơng tác động đến tăng trưởng Spirulina Điều trở nên quan trọng hai lý sau: Thứ nhất, trao đổi khí mơi trường ni khí phụ 39 thuộc vào biến thiên áp suất riêng khí bề mặt phân cách hai lớp khí-lỏng pH cao, nồng độ CO2 cao lượng kiềm carbonate dịch nuôi đóng góp carbone tự từ khí Thứ hai, pH cao, môi trường trở nên đặc trưng riêng cho nuôi Spirulina, dễ dàng cho việc trì mơi trường có lồi vi khuẩn lam Giá trị pH yếu tố có tác động trực tiếp lên mức ngoại nhiễm từ bên ngồi vào mơi trường ni Trong hệ thống ni Spirulina thương mại, khả chống đỡ loài lạ xâm nhập, dường chậm yếu Rõ ràng, phương pháp thích hợp để thực ni độc canh Spirulina trì pH ngưỡng bắt đầu làm suy yếu tăng trưởng 1.7.2 Cường độ ánh sáng Đối với hệ kín, vấn đề ánh sáng dường trở lên quan trọng nhiều đặc điểm kín hệ Cường độ ánh sáng cao, nhiệt gia tăng nhanh Hệ kín, nên nhiệt lượng tăng nhanh khơng có tiếp xúc trực tiếp với khơng khí, gió bên ngồi Tỷ lệ s/v lớn khiến lượng ánh nắng thu nhận nhiều hệ mở khoảng thời gian Năng lượng lượng ánh sáng hấp thu thể tích dịch ni nhỏ Cường độ ánh sáng có liên quan đến mùa năm thời gian ngày Vào mùa đông, lượng xạ mặt trời chiếu xuống trái đất thấp, lượng ánh sáng cung cấp giảm theo, điều ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động quang hợp Spirulina, làm giảm sản lượng ni cấy Ngược lại, lượng ánh sáng mùa hè lại cao nhiều, với lượng ánh sáng dồi này, Spirulina hồn tồn đạt mức quang hợp tối ưu để thu lấy tăng trưởng mạnh nhất, mang lại suất cao 1.7.3 Nhiệt độ Nhiệt độ tác động trực tiếp lên hiệu suất quang hợp yếu tố quan trọng định tốc độ tăng trưởng khuẩn lam 40 Biến động nhiệt độ môi trường nuôi xác định tăng, giảm suất sinh khối Nhiệt độ tối ưu cho nuôi Spirulina dao động từ 35-37 0C Nhiệt độ ban đêm yếu tố khác gây ảnh hưởng lên suất sinh khối thực, hơ hấp đêm làm khối lượng sinh khối 1.7.4 Chế độ đảo trộn Đảo trộn môi trường nuôi phần thiếu nuôi Spirulina hai hệ hở kín Một lý việc khuấy trộn ngăn chặn lắng xuống sinh khối khuẩn lam Sự chuyển động hỗn loạn môi trường liên quan tới nồng độ dinh dưỡng chất khí xung quanh tế bào khuẩn lam suốt trình trao đổi chất Oxy hình thành hoạt động sống Spirulina tích tụ lịng môi trường nuôi, mật độ tế bào cao vào thời gian trưa ngày Khí oxy coi khơng có lợi cho tăng trưởng khuẩn lam Một đảo trộn tốt có oxy tích tụ mơi trường 1.7.5 Năng suất sinh khối hệ kín Materassi tiến hành ni Spirulina hệ kín dạng ống để tìm điều kiện nhiệt độ thích hợp Vật liệu sử dụng ống làm từ polymethyl methacrylate Các ống đặt nằm đất có phủ polyethylene trắng nối với nối PVC Hệ đảo trộn bơm nhu động Năm 1998, Miyamoto, Wable Benemann đề cập đến việc thương mại hóa lồi vi tảo nhờ dược tính, loại sắc tố phycocyanin, xanthophyll, chất không đủ độ nuôi hở trời dễ bị nhiễm tạp ... việc nghiên cứu thực Zarrouk Những kết nghiên cứu đạt sở cho đánh giá ban đầu nuôi Spirulina quy mô lớn Trong khơng lồi vi sinh vật mang lại hứa hẹn nguồn protein giá rẻ, Spirulina tiếp tục nghiên. .. lượng sắc tố sinh khối S platensis cao, đặc biệt carotenoid, chlorophyll, phycocyanin Bảng 1.4 Hàm lượng sắc tố tự nhiên sinh khối S platensis [5] Tên sắc tố Hàm lượng/10g sinh khối khô Tỉ lệ... tăng, giảm suất sinh khối Nhiệt độ tối ưu cho nuôi Spirulina dao động từ 35-37 0C Nhiệt độ ban đêm yếu tố khác gây ảnh hưởng lên suất sinh khối thực, hơ hấp đêm làm khối lượng sinh khối 1.7.4 Chế