Thiết kế và vận hành hệ thống kín quang phản ứng sinh học để nuôi thâm canh vi tảo biển

Hai kiểu hệ thống kín quang phản ứng sinh học khác nhau được thiết kế tại Trung tâm Quốc gia Giống hải sản Nam bộ, Viện Nghiên cứu Nuôi trồng Thủy sản 2. Hệ thống tấm bao gồm 12 đơn vị nuôi, mỗi đơn vị nuôi có thể tích 72 lít, đường dẫn ánh sáng 10cm. Hệ thống ống bao gồm 6 đơn vị nuôi, thể tích 85 lít cho mỗi đơn vị nuôi, được thiết kế bằng ống nhựa acrylic Ф60mm. Cả hai hệ thống được vận hành thử nghiệm trên vi tảo biển, loài Nannochloropsis oculata.

VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN THIẾT KẾ VÀ VẬN HÀNH HỆ THỐNG KÍN QUANG PHẢN ỨNG SINH HỌC ĐỂ NUÔI THÂM CANH VI TẢO BIỂN Đặng Tố Vân Cầm1, Trình Trung Phi1, Diêu Phạm Hồng Vy1, Lê Thanh Huân1, ĐặngThị Nguyên Nhàn1, Trần Thị Tuyết Lan2 TÓM TẮT Hai kiểu hệ thống kín quang phản ứng sinh học khác thiết kế Trung tâm Quốc gia Giống hải sản Nam bộ, Viện Nghiên cứu Nuôi trồng Thủy sản Hệ thống bao gồm 12 đơn vị ni, đơn vị ni tích 72 lít, đường dẫn ánh sáng 10cm Hệ thống ống bao gồm đơn vị ni, thể tích 85 lít cho đơn vị nuôi, thiết kế ống nhựa acrylic Ф60mm Cả hai hệ thống vận hành thử nghiệm vi tảo biển, loài Nannochloropsis oculata Ở hệ thống tấm, tốc độ sục khí tối ưu 0,9-1,0 L/L/phút, tảo đạt mật độ 311x106 tb/mL Ở hệ thống ống, khí CO2 đưa vào hệ thống điểm đầu bơm ống vị trí thấp nhất, dòng chảy tối ưu vận tốc 0,6-0,7 m/s, tảo đạt đến mật độ 520x106 tb/mL Kết nghiên cứu cho thấy hai hệ thống thiết kế ứng dụng để ni thâm canh N oculata nói riêng lồi vi tảo biển nói chung nhằm phục vụ sản xuất giống hải sản chất lượng cao Từ khóa: hệ thống kín quang phản ứng sinh học, hệ thống ống, hệ thống tấm, Nannochloropsis oculata I MỞ ĐẦU Vi tảo biển thức ăn tươi sống đặc biệt quan trọng cho tất giai đoạn phát triển loài nhuyễn thể hai mảnh vỏ, giai đoạn ấu trùng hầu hết lồi tơm, cá biển cho động vật phù du Sản lượng vi tảo sản xuất hàng năm cho ngành nuôi trồng thủy sản vào năm 1999 1000 trọng lượng khô (MullerFeuga, 2004), năm 2009 lên đến vài ngàn (Posten, 2009), 62% cho nhuyễn thể, 21% cho tôm 16% cho cá Tốc độ phát triển tỷ lệ sống ấu trùng có liên quan mật thiết với chất lượng tảo sử dụng (Korstad ctv., 1995) Cho đến có khoảng 20 lồi tảo sử dụng làm thức ăn ni trồng thủy sản (Brown, 2002) Các loài thường sử dụng Chlorella, Tetraselmis, Isochrysis, Pavlova, Phaeodactylum, Chaetoceros, Nannochloropsis, Skeletonema Thalassiosira Ở nước ta, nhu cầu sử dụng vi tảo biển cho sản xuất giống hải sản ngày nhiều, số cơng trình nghiên cứu sinh sản nhân tạo thành công nhiều đối tượng cá biển, nhuyễn thể ngày tăng Việc nuôi không ổn định, rủi ro bị nhiễm bẩn tàn lụi đột ngột, mật độ thấp vấn đề tồn hoạt động nuôi trồng thủy sản tùy thuộc vào việc nuôi hàng loạt vi tảo biển Công nghệ nuôi vi tảo lạc hậu, theo phương pháp cổ truyền, bán liên tục, nuôi kín bịch Trung tâm Quốc gia Giống Hải sản Nam bộ, Viện Nghiên cứu Nuôi trồng Thủy sản Email: camdtv.ria2@mard.gov.vn Tổng Cục Thủy Sản TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - - THÁNG 7/2013 73 VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN nhựa, nuôi hở bể xi măng, bể sợi thủy tinh, chí chưa ni nhiều hệ thống raceway, hệ thống nuôi mà giới cho lạc hậu nhiều khuyết điểm Nhiều nước giới Ý, Úc, Israel… từ bỏ công nghệ nuôi theo phương pháp cổ truyền từ lâu, thay vào việc nghiên cứu ứng dụng hệ thống ni kín quang phản ứng sinh học ngày có nhiều kiểu thiết kế khác nhằm hoàn thiện nâng cao công nghệ nuôi Cho đến nay, giới có kiểu thiết kế khác cho loại hệ thống ni kín quang phản ứng sinh học hệ thống (Zou ctv, 2000; Zhang ctv, 2001), hệ thống ống (Lee Low, 1991; Grima ctv, 1996; Borowitzka, 1997; Zittelli ctv, 1999), hệ thống hình vành khuyên (Zittelli ctv, 2003) hệ thống bảng (Zittelli ctv, 2000) Tất kiểu thiết kế khác hệ thống kín quang phản ứng sinh học có nguyên lý có độ sâu chiều rộng cột nước (gọi đường dẫn ánh sáng, light-path) hẹp, nhằm đảm bảo tồn ánh sáng hệ thống nuôi, tỷ lệ diện tích/thể tích hệ thống cao ưu điểm cho mật độ suất cao, tốn công lao động, không bị nhiễm tạp trình ni, sinh khối tảo thu đạt chất lượng cao (Richmond, 2000; Pulz, 2001; Posten, 2009) Nhóm nghiên cứu Bùi Bá Trung ctv (2009) lần thiết kế hệ thống ni kín quang phản ứng sinh học theo nguyên lý hệ thống ống dẫn, kết thử nghiệm nuôi N oculata nâng lên mật độ 61x106 tế bào/mL Ngồi ra, Cơng ty Cổ phần Chăn nuôi CP Việt Nam sử dụng hệ thống ống nhập hoàn toàn thiết bị để ni lồi tảo cho ấu trùng tơm biển Nghiên cứu thiết kế kiểu hệ 74 thống kín quang phản ứng sinh học hệ thống hệ thống ống tính ưu việt chi phí lắp đặt vận hành, nhằm nâng cao công nghệ nuôi vi tảo biển, cho suất cao mà chất lượng tốt, phục vụ cho nhu cầu ngày cao sản xuất giống hải sản II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Hệ thống Thiết kế hệ thống Một đơn vị nuôi hệ thống bao gồm kiếng thủy tinh dày 10mm, chiều dài 120cm, chiều rộng 60cm, đặt song song theo chiều thẳng đứng cách 10cm, hàn kín mặt đáy hai mặt xung quanh kiếng dày 10mm tạo nên hình hộp chữ nhật, đặt giá đỡ làm inox Mặt hình hộp nhựa có nút đậy, nơi đóng mở hệ thống ni, có lỗ nhỏ cho đường ống khí vào Mặt hình hộp thơng với van Ф34 nơi thu hoạch tảo xả nước vệ sinh Khoảng khơng gian bên hình hộp chữ nhật tích 72 lít dùng để ni sinh khối Ống dẫn khí lắp đặt bên hình hộp chữ nhật nằm song song với cạnh đáy, với lỗ khí có đường kính 0,7-1mm, cách 5cm Đường ống dẫn khí thơng với cột lọc khơng khí, từ máy nén khí có cơng suất 1,5m3/phút Hai đơn vị ni đặt song giá đỡ có nguồn sáng giữa, khoảng cách từ nguồn sáng đến bề mặt đơn vị ni 10cm Nguồn sáng bóng đèn huỳnh quang dài 1,2m, công suất 40W, tạo thành mức cường độ chiếu sáng khác nhau, hộp điều khiển điện gắn bên giá đỡ Bốn đơn vị nuôi đặt song song thành tầng giá đỡ, tồn hệ thống có 12 đơn vị ni, xếp song song thành hàng TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - - THÁNG 7/2013 VIỆN NGHIÊN CỨU NI TRỒNG THỦY SẢN Hình 1: Sơ đồ thiết kế hệ thống (1) Mặt trước sau, kiếng dày 10mm; (2) đậy nơi đóng mở hệ thống; (3) đường dẫn khí; (4) lỗ khí; (5) bọt khí; (6) dịch tảo ni; (7) giá đỡ hệ thống inox; (8) inox chịu lực Thí nghiệm 1: Tối ưu hóa thiết kế hệ thống cho N oculata tốc độ sục khí Thí nghiệm bao gồm nghiệm thức khác tốc độ sục khí 0,3-0,4  ; 0,6-0,7 0,9-1,0 L khí/L nước nuôi/phút (đo flow meter), nghiệm thức lặp lại lần Điều kiện thí nghiệm: tảo N oculata có nguồn gốc từ phịng thí nghiệm biển Dunstaffnagge CCAP (the Culture Collection of Algae and Protozoa, Oban, UK), lưu giữ tủ chuyên dụng (hiệu MLR350H, SANYO, Nhật) nhân giống điều kiện vô trùng bình thủy tinh lít Tảo giống cho tất thí nghiệm lấy pha tăng trưởng, mật độ ban đầu 20x106 tế bào/mL Nước ni có độ mặn 25‰, xử lý diệt trùng calcium hypochlorite Ca(OCl)2 nồng độ 30ppm, trung hòa sodium thiosulfate (Na2S2O3), sau lọc qua cột lọc kích cỡ 1µm Cường độ ánh sáng bề mặt đơn vị nuôi 9.000-10.000 lux (đo máy đo cường độ ánh sáng, Sper Scientific 840020, Đài loan) Nhiệt độ nước nuôi 28±0.5ºC, môi trường dinh dưỡng F/2 (Guillard Ryther, 1962) Tất thí nghiệm kéo dài tảo nghiệm thức đạt đến pha dừng 2.2 Hệ thống ống Thiết kế hệ thống Sử dụng ống nhựa acrylic suốt Ф60mm, chiều dày 2mm, chiều dài 2m Một đơn vị nuôi bao gồm hai dãy ống đặt song song cách 22cm, dãy bao gồm ống đặt theo chiều thẳng đứng cách 6cm Các ống nối với co hình dạng chữ U chiều dài 50cm Ống vị trí thấp cao nối trực tiếp với đầu đầu bơm tạo thành vịng xoắn kín có chiều dài 34m, tạo nên thể tích ni 85 lít Đầu bơm đẩy nước tảo vào ống vị trí thấp chảy qua ống bên trên, đồng thời nước tảo bị đầu bơm hút từ ống vị trí cao tạo thành dịng tuần hồn liên tục hệ thống ni Nơi đóng mở hệ thống nuôi van Ф60mm nằm ống vị trí thấp đầu bơm để thu hoạch tảo xả nước vệ sinh, TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - - THÁNG 7/2013 75 VIỆN NGHIÊN CỨU NI TRỒNG THỦY SẢN 2 lỗ Ф60mm có nút đậy lưới nằm ống vị trí cao đầu bơm nơi cung cấp nước, tảo, chất dinh dưỡng cho hệ thống, đồng thời nơi khí O2 Hệ thống chiếu sáng 12 bóng đèn huỳnh quang dài 1,8 m, công suất 40W, đặt theo chiều nằm ngang hai dãy ống khoảng cách đến dãy ống 10cm, tạo thành mức cường độ chiếu sáng khác Đầu bơm hút đẩy gắn với mơ tơ 2Hp với trục quay có tốc độ 2-10 vòng/giây, tương ứng với vận tốc nước chảy ống 0,11 m/giây Mỗi đơn vị nuôi cung cấp khí CO2 tinh khiết từ bình CO2 thơng qua hộp điều khiển tốc độ Hai đơn vị nuôi đặt theo chiều thẳng đứng thành tầng giá đỡ inox, sử dụng chung hộp điều khiển điện, tồn hệ thống có đơn vị ni, xếp song song thành hàng Hình 2: Sơ đồ thiết kế hệ thống ống (1) Ống acrylic trong; (2) ống PVC mờ; (3) co nối hình chữ U nhựa PVC; (4) đầu bơm; (5) motor điện; (6) van thu hoạch; (7) điểm đưa CO2 vào hệ thống; (8) (9) van chức năng; (10) (11) nơi khí O2 cung cấp dịch nuôi vào hệ thống (11); (12) hướng dòng chảy; (13) giá đỡ hệ thống inox Thí nghiệm 2: Tối ưu hóa thiết kế hệ thống ống cho N oculata vị trí cung cấp khí CO2 Thí nghiệm bao gồm nghiệm thức khác vị trí cung cấp CO2, vị trí thông qua nút đậy, đặt khoảng ống cao đầu bơm, vị trí khoảng đầu bơm ống thấp nhất, nghiệm thức lặp lại lần Điều kiện thí nghiệm tương tự với thí nghiệm Vận tốc dịng chảy ống 0,40,5m/s 0,5m/giây 0,6-0,7m/giây Vận tốc dòng chảy đo theo phương pháp Molina ctv (2001), Hàm lượng oxy hòa tan (DO) đo máy YSI (model 556 MPS, USA) Mỗi nghiệm thức lặp lại lần Điều kiện thí nghiệm tương tự với thí nghiệm Hệ thống cung cấp CO2 vị trí từ kết thí nghiệm 2.3 Thu thập xử lý số liệu Thí nghiệm 3: Tối ưu hóa thiết kế hệ thống ống cho N oculata vận tốc dòng chảy So sánh mật độ tốc độ tăng trưởng vi tảo N oculata nghiệm thức khác thí nghiệm Thí nghiệm bao gồm nghiệm thức khác vận tốc dòng chảy: 0,2-0,3m/giây, 0,4- Mật độ tảo xác định hàng ngày buồng đếm Neubauer Haemocytometer (độ sâu 76 TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - - THÁNG 7/2013 VIỆN NGHIÊN CỨU NI TRỒNG THỦY SẢN 0.1mm, dùng để đếm lồi vi tảo có kích thước 2-30µm, mật độ 104-107 tb/mL), mật độ tảo đo giá trị trung bình lần đếm Xác định tốc độ tăng trưởng (µ) theo cơng thức Abu-Rezq ctv (1999) µ = (LnNt-LnNo)/t Nt mật độ thời điểm t, No mật độ thời điểm ban đầu t khoảng thời gian (ngày) Sử dụng phân tích One-Way ANOVA phép thử Duncan (SPSS version 16.0) để so sánh khác biệt tốc độ tăng trưởng tảo nghiệm thức thí nghiệm Sử dụng phân tích Paired-samples T Test (SPSS version 16.0) để so sánh khác biệt tốc độ tăng trưởng tảo nghiệm thức thí nghiệm III KẾT QUẢ 3.1 Hệ thống Thí nghiệm thực nhằm tối ưu hóa hệ thống thiết kế, thử nghiệm cho loài N oculata tốc độ sục khí khác 0,30,4; 0,6-0,7 0,9-1,0 L/L/phút Kết trình bày đồ thị Đồ thị 1: Mật độ N oculata nuôi hệ thống tốc độ sục khí khác Đồ thị biểu diễn đường cong tăng trưởng N oculta nuôi hệ thống tốc độ sục khí khác Cả đường cong tăng trưởng gần trùng lắp ngày nuôi thứ 5, từ ngày nuôi thứ trở theo khuynh huớng tảo nuôi tốc độ sục khí cao cho mật độ cao Cụ thể mức độ sục khí 0,3-0,4 L/L/ phút, tảo bắt đầu vào pha dừng sau 12 ngày nuôi, đạt mật độ 220x106 tb/mL, khí tảo hai tốc độ sục khí cao tiếp tục tăng đạt mật độ cực đại vào ngày nuôi thứ 14 mức 278x106 tb/mL 311x106 tb/mL TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - - THÁNG 7/2013 77 VIỆN NGHIÊN CỨU NI TRỒNG THỦY SẢN tốc độ 0,6-0,7 0,9-1,0 L/L/phút Tốc độ tăng trưởng N oculata đạt 0,22/ngày tốc độ sục khí 0,6-0,7 L/L/phút, thấp tốc độ sục khí 0,91,0 L/L/phút (0,23/ngày) Tuy nhiên khác biệt khơng có ý nghĩa thống kê, hai cao khác biệt so với tốc độ tăng trưởng tốc độ 0,30,4 L/L/phút 0,20/ngày 3.2 Hệ thống ống thống nuôi Nếu CO2 đưa vào hệ thống vị trí 1, từ mật độ ban đầu 20x106 tb/mL, vi tảo N oculata đạt mật độ 109x106 tb/mL sau 10 ngày nuôi (đồ thị 2), tương ứng với tốc độ tăng trưởng 0,17/ngày Trong khí tảo hệ thống đưa CO2 vị trí đạt mật độ 399x106 tb/mL, tương ứng với tốc độ tăng trưởng cao khác biệt vị trí 0,30/ngày Thí nghiệm khảo sát vị trí đưa CO2 vào hệ Đồ thị 2: Mật độ N oculata nuôi hệ thống ống vị trí CO2 khác Thí nghiệm vận hành thử hệ thống lồi N oculata vận tốc dòng chảy khác 0,2-0,3; 0,4-0,5 0,6-0,7 m/giây Tại vận tốc cao nhất, quần thể N oculata đạt mật độ 520x106 tb/mL, tương ứng với tốc độ tăng trưởng 0,27/ ngày Mật độ thấp 427x106 tb/mL, tương ứng với tốc độ tăng trưởng 0,26/ngày vận tốc 78 thấp 0,4-0,5m/giây Tuy nhiên mức độ khác biệt tốc độ tăng trưởng hai vận tốc khơng có ý nghĩa Quần thể N oculata vận tốc chảy thấp (0,2-0,3 m/giây) đạt mật độ 81x106 tb/mL vào ngày nuôi thứ 10 suy tàn sau (đồ thị 3) TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - - THÁNG 7/2013 VIỆN NGHIÊN CỨU NI TRỒNG THỦY SẢN Đồ thị 3: Mật độ N oculata nuôi hệ thống ống vận tốc dòng chảy khác IV THẢO LUẬN Để tiếp cận với công nghệ ni vi tảo biển hệ thống kín quang phản ứng sinh học, nghiên cứu chọn kiểu thiết kế hệ thống theo Posten (2009), kiểu thiết kế dễ lắp đặt Trên sở nghiên cứu đường dẫn ánh sáng hệ thống Richmond Zhang (2001), khoảng từ 1,3 đến 17cm, đường dẫn ánh sáng ngắn, suất tính theo thể tích (g/L/ngày) cao ngược lại suất tính theo diện tích (g/m2/ngày) thấp; suất (g/m2/ngày) cao hệ thống có đường dẫn ánh sáng 10cm Thiết kế nghiên cứu ứng dụng thơng số đường dẫn ánh sáng, hay nói cách khác chiều rộng đơn vị nuôi 10cm Sự đảo nước mạnh cần thiết để ngăn tảo không bị lắng, đảm bảo tất tế bào quần thể tiếp xúc với ánh sáng chất dinh dưỡng nhau, tránh phân tầng nhiệt cải thiện trao đổi khí mơi trường ni khơng khí Ở hệ thống ni khơng bổ sung khí CO2, khơng khí yếu tố quan trọng hàng đầu, chứa nguồn carbon dạng CO2 phục vụ cho quang hợp Trường hợp nuôi mật độ cao, CO2 giải phóng từ khơng khí sủi bọt làm hạn chế sức sinh trưởng tảo (Michels ctv, 2010) Tuy nhiên, đảo trộn mạnh gây tượng “shear tress” làm tổn hại tế bào tảo lồi tảo có mức độ chịu đựng khác Đã có khơng nghiên cứu để xác định mức độ shear stress cùa loài tảo Contreras ctv (1998) Phaeodactylum tricornutum; Garcıa ctv (2007) Protoceratium reticulatum Vì vậy, hệ thống thiết kế tối ưu vận hành nuôi TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - - THÁNG 7/2013 79 VIỆN NGHIÊN CỨU NI TRỒNG THỦY SẢN lồi tảo xác định cân mức độ sục khí tối đa ngưỡng chịu đựng shear stress loài tảo 24mm 30 mm theo thiết kế Lee Low (1991); Borowitzka (1997) Molina Grima ctv (1996) Khi nuôi N oculata hệ thống tấm, Richmond Zhang (2001) vận hành tốc độ sục khí 0,3 L/L/phút , Zou Richmond (1999) Gitelson ctv (2000) tốc độ 0,84 L/L culture/min, tác giả Alias ctv (2004) Wang ctv (2005) chí đến tốc độ 2,0 L/L/giây Khác với hệ thống tấm, đảo trộn sục khí nên vi tảo ni sử dụng carbon từ thành phần CO2 không khí, hệ thống ống dịng chảy tuần hồn nước nuôi, nên việc cung cấp CO2 cho quang hợp điều thiếu Nhu cầu CO2 cần thiết theo Posten (2009) khoảng 1,85 gCO2/g sinh khối cao Nghiên cứu đưa CO2 tinh khiết vào hệ thống thiết kế vị trí khác mô tả phần phương pháp nghiên cứu Hệ thống nghiên cứu với tốc độ sục khí 0,9-1,0 L/L/phút, lồi N oculata đạt tốc độ tăng trưởng 0,25/ngày, mật độ 310x106 tb/mL So với kết nghiên cứu nước trước đây, mật độ đạt cao gấp 6-14 lần, cụ thể mật độ N oculata đạt 22x106 tb/mL nuôi sinh khối làm thức ăn cho ấu trùng cá mú đen (Epinephelus coioides) Viện Nghiên cứu Nuôi trồng Thủy sản I (Lê Xân Đỗ Xuân Hải, 2004), 30-50x106 tb/mL nuôi sinh khối làm thức ăn cho ấu trùng cá măng (Đặng Tố Vân Cầm ctv, 2009) Viện Nghiên cứu Nuôi trồng Thủy sản II Kết nghiên cứu Viện Nghiên cứu Nuôi trồng Thủy sản III bước đầu xây dựng qui trình lưu giữ nuôi sinh khối (Nguyễn Thị Xuân Thu ctv, 2004) So với kết nghiên cứu nước, mật độ cao N oculata nuôi hệ thống có đường dẫn ánh sáng 10cm công bố 550x106 tb/ mL nuôi thể tích 200L cho đơn vị ni Richmond Zhang, (2001) Zhang ctv (2001) Nguyên nhân hệ thống nghiên cứu chưa bổ sung CO2 so sánh với hệ thống hai tác giả nêu bổ sung 1,5% CO2 Hệ thống có đường dẫn ánh sáng hẹp 1,4cm Zou ctv (2000) cho suất lên đến 2,9g trọng lượng khô/L/ngày Hệ thống ống nghiên cứu lắp đặt ống acrylic Ф60mm Posten (2009) nhiều tác giả khác kết luận để đạt mật độ cao, đường kính ống mỏng tốt, chí đường kính 12mm, 80 Công bố Doucha ctv (2005) Spalding (2008) lời giải thích cho kết khác biệt tốc độ tăng trưởng mật độ đạt N oculata Để đảm bảo tế bào tảo sử dụng nguồn carbon, áp lực nước nuôi 0,1-0,2 kPa cần thiết Tuy hạn chế nghiên cứu chưa đo áp lực nước nuôi điểm khác suốt vịng tuần hồn hệ thống ống, chắn chắn áp lực nước hệ thống thiết kế khác chênh lệch độ cao đầu bơm hút đẩy gây ra, vị trí có áp lực cao vị trí Đối với việc tối ưu hóa hệ thống ống dẫn, ngồi việc cung cấp CO2, vận tốc dịng chảy trao đổi khí quan trọng Theo Weissman ctv (1988), việc thải O2 khỏi hệ thống ống cịn khó khăn nhiều so với việc cung cấp CO2 Đối với hệ thống ống, O2 tạo từ trình quang hợp tích tụ nước ni dịng chảy đến chỗ trao đổi khí, nơi O2 tách vào khơng khí Vận tốc dòng chảy tốc độ thải O2 khỏi hệ thống ống có liên quan mật thiết với (Molina ctv, 2001) Vì vậy, hệ thống ống nghiên cứu này, sau lắp đặt vận hành thử loài N oculata vận tốc dịng chảy khác 0,2-0,3; 0,4-0,5 0,6-0,7 m/giây TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - - THÁNG 7/2013 VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN Giải thích ngun nhân quần thể khơng đạt mật độ cực đại suy tàn vận tốc dòng chảy thấp 0,2-0,3m/giây, giá trị DO nước nuôi cao, dao động khoảng 350-400 % mức bão hòa, tương ứng với nồng độ 27-33mg/L Bởi hàm lượng O2 mức bão hòa (0,2247 mol O2/m3 20°C) ức chế quang hợp hầu hết loài tảo, cho dù hàm lượng CO2 trì mức tối ưu (Aiba, 1982) Thật vậy, Tredici ctv (1992) dẫn chứng suất Spirulina cải thiện rõ rệt giảm hàm lượng O2 hòa tan từ 35mg/L xuống 20mg/L Molina ctv (2001) kết luận hàm lượng O2 cao kết hợp với cường độ ánh sáng cao làm tổn hại tế bào tảo oxi hóa ánh sáng (photooxidation) Giá trị DO nước ni vận tốc dịng chảy cao hơn, dao động khoảng 120-200%, tương ứng 8-15mg/ L Giá trị DO tỷ lệ nghịch với vận tốc dòng chảy Như vậy, vận tốc dòng chảy lớn có khuynh hướng tốt cho sinh trưởng quần thể tảo, giảm hàm lượng O2 tích tụ xuống mức ức chế quang hợp Tuy nhiên vận tốc dịng chảy lớn q giới hạn cho phép khơng giảm sản lượng thu hoạch mà làm tổn hại tế bào tảo, Carlozzi Torzillo (1996) quan sát nuôi Spirulina hệ thống ống với vận tốc dòng chảy cao (0,97 m/giây) Mới đây, Norsker ctv (2011) kết luận nồng độ O2 cao làm giảm suất tảo, việc loại bỏ khí O2 vấn đề cần nghiên cứu tối ưu hóa hệ thống thiết kế Như với hệ thống ống thiết kế, vị trí đưa CO2 vào hệ thống điểm đầu bơm ống vị trí thấp nhất, vận tốc dòng chảy 0,6-0,7 m/giây, đạt mật độ 520x106 tb/mL Khi so sánh với hệ thống ống Bùi Bá Trung ctv (2009) bao gồm 10 ống thủy tinh Ф32mm, chiều dài 1270mm, đạt mật độ 61x106 tb/mL, mật độ nghiên cứu cao gấp lần hồn tồn so sánh với hệ thống ống tác giả nước, đạt mật độ từ 108 đến 109 tb/mL, tùy thuộc vào đường kính ống (Lubian ctv, 2000) V KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Tốc độ sục khí hệ thống có ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng mật độ cực đại lồi ni thử nghiệm N oculata Tốc độ sục khí 0,3-0,4 L/L/phút khơng tối ưu so sánh với 0,6-0,7 0,9-1,0 L/L/phút, khác biệt hai tốc độ 0,6-0,7 0,9-1,0 L/L/phút khơng có ý nghĩa thống kê Hệ thống thiết kế tích 72 lít cho đơn vị nuôi, đường dẫn ánh sáng 10cm, cho mật độ N oculata 311x106 tb/mL Vị trí đưa CO2 vào hệ thống vận tốc dịng chảy có ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng mật độ cực đại lồi ni thử nghiệm N oculata Ở vị trí CO2 không phù hợp, quần thể N oculata phát triển khơng đạt cực đại Ở vận tốc dịng chảy 0,2-0,3 m/giây, quần thể N oculata không phát triển suy tàn Quần thể N oculata đạt cực đại mức cao vận tốc dòng chảy cao nằm hai giá trị 0,4-0,5 0,6-0,7 m/giây, nhiên khác biệt khơng có ý nghĩa thống kê Hệ thống ống thiết kế có chiều dài 34m, thể tích ni 85 lít, đường dẫn ánh sáng 6cm, cho mật độ N oculata 520x106 tb/mL Cả hai hệ thống ống thiết kế lắp đặt có tiềm để thay hồn tồn phương pháp ni vi tảo biển theo kiểu truyền thống, phục vụ cho ngành nuôi trồng thủy sản, mà cịn phục vụ cho ngành công nghiệp khác nuôi tảo Spirulina làm nguồn cung cấp chất dinh dưỡng cho người, ni lồi vi tảo để ly trích astaxanthin, DHA, EPA LỜI CẢM ƠN Tác giả chân thành cảm ơn Chương trình Cơng nghệ sinh học Nông nghiệp, Thủy sản Bộ NN & PTNT cấp kinh phí, bạn cộng tác viên đề tài Ban lãnh đạo Viện Nghiên cứu Nuôi Trồng Thủy sản tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu thành cơng TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - - THÁNG 7/2013 81 VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN TÀI LIỆU THAM KHẢO Abu-Rezq, T.S., Al-Musallam, L., Al-Shimmari, J., Dias, P., 1999 Optimum production conditions for different high-quality marine algae Hydrobiologia 403, 97-107 Aiba, S., 1982 Growth kinetics of photosynthetic microorganisms Adv Biochem Eng, 23, 85156 Alias, C.B., Lopez, M.C.G.M., Acien Fernandez, F.G.A., Sevilla, J.M.G , Sanchez, J.L.G., Grima, E.M., 2004 Influence of power supply in the feasibility of Phaeodactylum tricornutum cultures Biotechnol Bioeng, 87(6), 723-733 Borowitzka, M.A., 1997 Microalgae for aquaculture: opportunities and constraints J Appl Phycol, 9, 393-401 Brown, M., Robert, R., 2002 Preparation and assessment of microalgal concentrates as feeds for larval and juvenile Pacific oyster (Crassostrea gigas) Aquaculture 207, 289-309 Bùi Bá Trung, Hồng Thị Bích Mai, Nguyễn Hữu Dũng, Cái Ngọc Bảo Anh, 2009 Ảnh hưởng mật độ ban đầu tỷ lệ thu hoạch lên sinh trưởng vi tảo Nannochloropsis oculata nuôi hệ thống ống dẫn suốt nước chảy liên tục Tạp chí Khoa học-Cơng nghệ Thủy sản, số 1/2009 Carlozzi, P., Torzillo, G., 1996 Productivity of Spirulina in a strongly curved outdoor tubular photobioreactor Appl Microbiol Biotech 45, 18-23 Chini Zittelli, G., Lavista, F., Bastianini, A., Rodolfi, L., Vincenzini, M., Tredici M.R., 1999 Production of eicosapentaenoic acid by Nannochloropsis sp cultures in outdoor tubular photobioreactors J Biotech 70, 299-312 Chini Zittelli, G., Pastorelli, R., Tredici M.R., 2000 A modular flat panel photobioreactor (MFPP) for indoor mass cultivation of Nannochloropsis sp under artificial illumination J Appl Phycol 12, 521-526 Chini Zittelli, G., Rodolfi, L., Tredici, M.R., 2003 Mass cultivation of Nannochloropsis sp in annular reactors J Appl Phycol 15, 107-114 Contreras, A., Garcıa, F., Molina, E., Merchuk, J.C., 1998 Interaction between CO2-mass transfer, light availability, and hydrodynamic stress in the growth of Phaeodactylum tricornutum in a concentric tube airlift photobioreactor” Biotechnol Bioeng 60, 17-325 82 Đặng Tố Vân Cầm, Nguyễn Thị Kim Vân, Trần Kim Đồng, Nguyễn Hữu Thanh, Nguyễn Xuân Toản, Lâm Văn Đức, 2009 Công nghệ sinh sản nhân tạo cá măng (Chanos chanos, Forskal 1775) Tuyển tập nghề cá sông Cửu Long, 133-143 Doucha, J., Straka, F., Livansky, K., 2005 Utilization of flue gas for cultivation of microalgae (Chlorella sp.) in an outdoor open thin-layer photobioreactor J Appl Phycol 17(5), 403-412 Garcıa, C.F., Gallardo, R.J.J., Sanchez, M.A., Ceron, G.M.C., Belarbi, E.H., Molina Grima, E., 2007 Determination of shear stress thresholds in toxic dinoflagellates cultured in shaken flasks Process Biochem 42, 1506-1515 Gitelson, A.A., Grits, Y.A., Etzion, D., Ning, Z., Richmond, A., 2000 Optical properties of Nannochloropsis sp and their application to remote estimation of cell mass Biotechnol Bioeng 69(5), 516-525 Guillard, R.R.L., Ryther, J.H., 1962 Studies on marine planktonic diatoms Gran Can J Microbiol 8, 229-239 Korstad, J., Neyts, A., Danielsen, T., Overrein, I., Olsen, Y., 1995 Use of swimming speed and egg ratio as predictors of the status of rotifer cultures in aquaculture Hydrobiologia 313/314, 395-398 Le Xan, Do Xuan Hai, 2004 Effect of temperature, salinity and stocking density on development of mass culture of Isochrysis galbana and Nannochloropsis oculata for breeding Increasing aquaculture productivity Lee, Y.K., Low, C.S ,1991 Effect of photobioreactor inclination on the biomass productivity of an outdoor algal culture Biotechnol Bioeng 38, 995-1000 Lubian, L.M., Montero, O., Moreno-Garrido, I., Emma Huertas, I., Sobrino, C., 2000 Nannochloropsis (Eustigmatophyceae) as source of commercially valuable pigments J Appl Phycol 12, 249-255 Michels, M.H.A., Goot, A.G., Norsker, N.H., Wijffels, R.H., 2010 Effects of shear stress on the microalgae Chaetoceros muelleri Bioprocess Biosyst Eng 33, 921-927 Molina Grima, E., Sanchez Perez, J.A., Garcia Camacho, F., Fernandez Sevilla, J.M., Acien Fernandez, F.G., 1996 Productivity analysis of outdoor chemostat cultures in tubular airlift photobioreactors J Appl Phycol 8, 369-380 Molina Grima, E., Fernandez, J., Acien, F.G., Chisti, TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - - THÁNG 7/2013 VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN Y., 2001 Tubular photobioreactor design for algal cultures J Biotech 92, 113-131 Muller-Feuga, A., 2004 Microalgae for aquaculture The current global situation and future trends, 352-364 Nguyễn Thị Xuân Thu, Nguyễn Thị Bích Ngọc Nguyễn Thị Hương, 2004 Tình hình sử dụng tảo đơn bào làm thức ăn cho động vật thủy sản Norsker, N.H., Barbosa, M.J., Vermuë, M.H., Wijffels, R.H., 2011 Microalgal production - A close look at the economics Biotech Adv 29, 24-27 Posten, C., 2009 Design principles of photo-bioreactors for cultivation of microalgae Eng Life Sci (3), 165-177 Pulz, O., 2001 Photobioreactors: production systems for phototrophic microorganisms Appl Microbiol Biotech, 57, 287-293 Richmond, A., 2000 Microalgal biotechnology at the turn of the millennium: a personal view J Appl Phycol 12, 441-451 Richmond, A., Zhang, C.W., 2001 Optimization of a flat plate glass reactor for mass production of Nannochloropsis sp outdoors J Biotech, 85, 259-269 Spalding, M.H , 2008 Microalgal carbon-dioxideconcentrating mechanisms: Chlamydomonas inorganic carbon transporters J Exp Bot, 59, 1463-1473 Tredici, M.R., Zitelli, G.C., Biagiolini, S , 1992 Influence of turbulence and areal density on the productivity of Spirulina platensis grown outdoor in a vertical alveolar panel In: First European Workshop on Microalgal Biotechnology, 58-60 Wang, C.H., Sun, Y.Y., Xing, R.L., Sun, L.Q , 2005 Effect of liquid circulation velocity and cell density on the growth of Parietochloris incisa in flat plate photobioreactors Biotechnol Bioproc Eng 10(2), 103-108 Zhang, C.W., Zmora, O., Kopel, R., Richmond, A , 2001 An industrial-size flat plate glass reactor for mass production of Nannochloropis sp (Eustigmatophyceae) Aquaculture 195, 35-49 Zou N., Zhang C.W., Cohen Z and Richmond A , 2000 Production of cell mass and eicosapentaenoic acid (EPA) in ultrahigh cell density cultures of Nannochloropsis sp (Eustigmatophyceae) Eur J Phycol, 35, 127-133 DESIGNING AND OPERATING PHOTOBIOREACTOR FOR INTENSIVE CULTURE OF MARINE MICROALGAE Dang To Van Cam1, Trinh Trung Phi1, Dieu Pham Hoang Vy1, Le Thanh Huan1, DangThi Nguyen Nhan1, Tran Thi Tuyet Lan2 ABSTRACT Two different types of photobioreactor were designed at the National Breeding Center for Southern Marine Aquaculture, Research Institure for Aquaculture No.2 Flat plate glass reactor has a volume of 72L with a light-path of 10cm, this type of photobioreactor were produced in twelve units Tubular photobioreactor made of acrylic pipe 60cm in diameter has a volume of 85L and was produced in six units Both of the designed systems were experimentally operated on a marine microalgae species, Nannochloropsis oculata, in order to optimize the designs The flat plate glass reactor was optimized at air flow rate of 0.9-1.0 L/L/min, obtaining the density of N oculata at 311x106 cells/ mL The tubular photobioreactor was optimized at position of CO2 injection between the pump and lowest pipe and liquid velocity at 0.6-0.7m/s, obtaining the density of N oculata at 520x106 TAÏP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - - THÁNG 7/2013 83 VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN cells/mL The results show that it is potential to use the designed systems for intensive culture of N.oculata in particular and marine microalgae in general for a high quality marine seed production Key words: Flat plate glass reactor; Nannochloropsis oculata; photobioreactor; tubular photobioreactor Người phản biện: TS Nguyễn Thị Ngọc Tĩnh Ngày nhận bài: 10/6/2013 Ngày thông qua phản biện: 24/6/2013 Ngày duyệt đăng: 8/7/2013 National Breeding Center for Southern Marine Aquaculture, Research Institute for Aquaculture No.2 Email: camdtv.ria2@mard.gov.vn Directorate of Fisheries 84 TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - - THÁNG 7/2013 ... dụng hệ thống ống nhập hồn tồn thiết bị để ni lồi tảo cho ấu trùng tơm biển Nghiên cứu thiết kế kiểu hệ 74 thống kín quang phản ứng sinh học hệ thống hệ thống ống tính ưu vi? ??t chi phí lắp đặt vận. .. độ N oculata nuôi hệ thống ống vận tốc dòng chảy khác IV THẢO LUẬN Để tiếp cận với công nghệ nuôi vi tảo biển hệ thống kín quang phản ứng sinh học, nghiên cứu chọn kiểu thiết kế hệ thống theo Posten... công nghệ nuôi theo phương pháp cổ truyền từ lâu, thay vào vi? ??c nghiên cứu ứng dụng hệ thống ni kín quang phản ứng sinh học ngày có nhiều kiểu thiết kế khác nhằm hoàn thiện nâng cao cơng nghệ ni