Tổng quan về hệ thống nuôi Spirulina 1 Hệ hở [26], [29]

Một phần của tài liệu Nghiên cứu tạo sinh khối spirulina platensis 9 (Trang 32 - 38)

1.6.1 Hệ hở [26], [29]

Về cơ bản, hiện nay tồn tại hai hệ thống nuôi Spirulina với quy mô công nghiệp là hệ hở và hệ kín.

Hệ hở có thể chia thành các nguồn nước tự nhiên (các hồ, các phá, các ao) và các bể nhân tạo hoặc các thùng chứa. Những thiết kế ban đầu dạng hình chữ U hoặc elip được làm trực tiếp trên mặt đất, sau đó là các bể hình tròn. Sự phát triển cao nhất về mặt kỹ thuật của hệ hở biểu hiện rõ nhất ở thiết kế của các bể raceway, chiều dài 10-300 m, bề rộng 1-20 m, độ sâu từ 5-100 cm, cùng với kích cỡ tăng lên thì diện tích bề mặt của một raceway dao động từ 300-5000 m2. Tương ứng với kích

33

thước bể dạng nhỏ hay dạng quy trình cơng nghiệp, thể tích môi trường nuôi từ 200- 1200000 lít. Những vật liệu dùng làm bể: bê tông, PE, PVC, nhựa đường, đất sét.

Hình 1.6 Mô hình bể raceway

Môi trường đi theo một vòng khép kín, có guồng quay gắn cánh đẩy dịch nuôi đi, guồng này hoạt động nhờ năng lượng điện. Cho đến nay, raceway là những mô hình sản xuất vi tảo với quy mô và mức độ phổ biến nhất trên thế giới được xây dựng lên để phục vụ nhu cầu ngày một gia tăng của con người. Một số nơi điển hình như Earthrise Farms và Cyanotech Corp thuộc Hoa Kỳ, công ty Nature Beta Technologies thuộc Israel, tại Đài Loan có bể hình tròn (1960), bể hình chữ nhật (1970).

Mặc dù được sản xuất ở quy mô lớn, nhưng hệ hở nói chung vẫn mang những nhược điểm không thể khắc phục như năng suất thấp, trong khi đó một ưu điểm nổi bật của hệ kín là năng suất sinh khối cao gấp 2-3 lần hệ hở. Đây là một nguyên nhân chính dẫn đến sự phát triển của hệ kín. Bảng dưới đây sẽ cho thấy rõ ưu nhược điểm của hai hệ thống.

34

Bảng 1.8 Ưu, nhược điểm của hệ hở và hệ kín [17], [28]

Thông số Bể hở (raceway ponds) Hệ kín

Nguy cơ nhiễm Vô cùng cao Thấp

Yêu cầu về không gian Cao Thấp

Sự mất nước Vô cùng cao Hầu như không

Sự mất CO2 Cao Hầu như không

Chất lượng sinh khối Không dễ bị ảnh hưởng Dễ bị ảnh hưởng

Khả năng biến đổi để có thể nuôi nhiều loài

Không được, khả năng nuôi bị hạn chế với vài loài tảo

Cao, hầu hết các loài tảo khác nhau có thể nuôi được Tính linh động trong sản

xuất

Thay đổi sản xuất theo điều kiện khác nhau gần như là không thể thực hiện

Thay đổi sản xuất mà không có bất kỳ vấn đề gì

Khả năng tái sử dụng các

thông số sản xuất Không được, phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài Có thể trong một giới hạn nhất định Điều khiển qui trình Không thực hiện được Thực hiện được

Chuẩn hóa Không thể Có thể

Phụ thuộc thời tiết Hoàn toàn, không thể sản xuất khi trời mưa liên tục

Không đáng kể, vì hình dạng kín cho phép sản xuất ngay trong thời tiết xấu

Thời gian cho tới khi thu

sản phẩm đã hoàn thành Dài, khoảng 6-8 tuần Khá ngắn, khoảng 2-4 tuần Nồng độ sinh khối trong

suốt quá trình sản xuất Thấp, khoảng 0,1-1 g/l Cao, 2-8 g/l Hiệu suất của qui trình xử

Thấp, tốn thời gian, thể tích lớn vì nồng độ sinh khối thấp

Cao, thời gian ngắn, thể tích khá nhỏ

35

Do mang những nhược điểm lớn như bảng 1.8 nên cho đến nay bể raceway chưa thực sự phát triển rộng khắp các nước trên thế giới, mà mới chỉ giới hạn ở các vùng xa thành phố, có khí hậu sạch thuộc một số nước có nền kinh tế phát triển như Mỹ, Nhật Bản, Đài Loan.

1.6.2 Hệ kín [12], [17], [18], [24], [25], [26], [28], [31], [32]

Các hệ kín dựa trên những khái niệm thiết kế rất khác nhau và đã được kiểm tra ở quy mô pilot. Những xu hướng phát triển sau cùng dường như định hướng theo hệ quang sinh học hình ống hoặc hình tấm ghép lại với nhau, cũng như sự kết hợp của hai nguyên tắc thiết kế chính này cốt để thu lấy ánh sáng qua việc mở rộng diện tích bề mặt.

Hệ quang sinh học (photobioreactor, PBR) được coi như là hệ kín (close system). Trong hệ này, các điều kiện nuôi tối ưu thu được nhờ điều khiển toàn bộ hệ thống. Dựa vào nhiều kết quả nghiên cứu và phát triển sản xuất – thương mại, hệ kín có những đặc điểm chung mà có thể đưa ra một nguyên tắc thiết kế như sau:

Nguyên tắc thiết kế hệ kín: đảm bảo khả năng điều chỉnh hầu hết các thông số

công nghệ sinh học quan trọng nhằm thu năng suất sinh khối cao nhất.

Các thông số chính bao gồm: nhiệt độ, ánh sáng, sự đảo trộn, nguy cơ nhiễm tạp, sự thất thoát CO2, có điều kiện tái sản xuất và thiết kế linh hoạt.

Vị trí địa lý cũng là yếu tố cần tính đến trong khi sản xuất Spirulina bằng hệ kín. Đối với vùng nhiệt đới, nơi chỉ có sự dao động nhỏ về nhiệt độ trong suốt cả ngày, thì hệ quang sinh học PBR là thích hợp.

Mục tiêu phát triển một hệ thống có thể điều khiển hoàn toàn, một hệ kín cho nuôi vi tảo, đã đi từ những quy mô rất nhỏ đến những quy mô công nghiệp. Theo đó, những hiểu biết về đặc điểm hoạt động của hệ thống (nhiệt độ, ánh sáng,…) và sự phát triển của vi tảo (năng suất sinh khối, thời gian tăng trưởng,…) cũng được tích lũy ngày càng nhiều hơn.

Quy trình phát triển hệ thống kín

Những nghiên cứu đầu tiên là nuôi Chlorella bằng ống nhựa và thủy tinh, thực hiện vào đầu những năm 1950 bởi Davis và cộng sự (1953) ở Carnegie Institution of

36

Washington. Davis và cộng sự đă kết luận rằng các ống làm bằng nhựa hay thủy tinh đều thích hợp cho nuôi Chlorella ngoài trời. Cùng thời điểm trên, một hệ thống nuôi ngoài trời cũng được thực hiện tại Nhật Bản, môi trường nuôi Chlorella ellipsoidea được tuần hoàn trong ba ống thủy tinh, đường kính 3 cm, nhúng ngập trong nước, nhằm điều chỉnh nhiệt độ.

Năm 1951, một quy mô pilot được làm nhằm nghiên cứu những lợi ích của việc sản xuất Chlorella trong ống polyethylen kích thước lớn, thành ống mỏng. Trong thí nghiệm này, tính ổn định của ống, các thiết bị tuần hoàn, làm lạnh môi trường nuôi được khảo sát. Kết quả thu được từ quy mô pilot cho thấy, sự làm lạnh dịch nuôi là yếu tố chính khiến cho giá sản phẩm tảo dạng khô sản xuất từ hệ kín cao hơn hệ hở. Nếu loại bỏ hoàn toàn yếu tố làm lạnh sẽ giảm được gần 50 % đầu tư ban đầu, cốt để thu giá sản phẩm của hệ kín bằng với hệ mở.

Phải cho đến đầu những năm 1980, khi Pirt và cộng sự (1983) xây dựng một lý thuyết cho thiết kế và hoạt động của thiết bị nuôi Chlorella dạng ống. Những kết quả có ý nghĩa tích cực đã mở ra một giai đoạn phát triển mới, liên tục cho đến ngày nay.

Tiếp theo, Một hệ kín quy mô lớn được phát triển bởi Gudin và Chaumont năm 1983. Vật liệu làm ống là polyethylen, một ống gồm hai lớp, dịch nuôi ở lớp trên, không khí cho vào lớp dưới. Nhiệt độ được điều khiển bằng cách cho dịch nuôi nổi lên hoặc chìm xuống dưới nước nhờ điều chỉnh lượng khí trong lớp dưới.

Năm 1986, Ramos de Ortegat và Roux đã dựng lên ba loại hệ kín-nằm như mặt phẳng để nuôi Chlorella pyrenoidosa, nhằm thiết kế một hệ kín có giá thấp và dễ thực hiện.

Những loại hệ kín sau đã được sử dụng: (1)Các ống PVC mềm dẻo, đường kính 3 cm.

(2)Các ống nhựa PVC trong suốt, bán rắn, đường kính trong 2 cm. (3)Các tấm PVC rắn hoặc polycarbonate.

37

Năm 1986, Torzillo thiết kế hệ kín làm bằng ống trong suốt. Thời gian đầu vật liệu là polyethylene, sau đó do kém chống chịu với hóa chất nên thay bằng thủy tinh Plexiglas.

Năm 1987, Bocci đã làm một hệ ống gồm nhiều ống thủy tinh chịu nhiệt để khảo sát sự tăng trưởng của S. platensis.

Năm 1990, Lee và Micheal đã thiết kế hệ đảo trộn bằng 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, năng suất sinh khối cũng tăng gấp ba lần.

Theo Javanmardian và Palsson (1991) hệ kín là một phức hệ gồm vài phụ hệ kết hợp lại, liệt kê sáu phụ hệ như dưới đây:

1. Nguồn sáng 4. Hệ trao đổi khí

2. Hệ truyền quang 5. Hệ lọc

3. Vùng phản ứng 6. Hệ cảm biến

Năm 1992, Amos Richmond, Sammy Boussiba, Avigad Vonshak và Reuven Kopel đã miêu tả và thiết kế một hệ kín sử dụng chế độ đảo trộn bằng áp lực khí. Hệ gồm ba bộ phận chính: bơm áp lực khí, bộ tách khí và các ống phản ứng trong suốt nằm song song với nhau, được nối với nhau bởi ống góp.

Theo Pulz (1994), chỉ hệ kín mới mang lại khả năng tối ưu hóa các thông số nuôi cấy. Khi nuôi trong các bể hở, năng suất sinh khối chỉ đạt tới 1 mg/l ở độ sâu 15 cm hoặc hơn.

Năm 1998, Tredici, Mannelli và Materassi đă phát minh ra hệ các tấm dạng đứng, hệ này có tỉ lệ s/v là 80/m để nuôi một số loài vi tảo và vi khuẩn lam ngoài trời.

Suphi, Oncel và Oguz Akpolat (2006) đã xây dựng một hệ thống kết hợp có hai bộ phận chính: một là các thùng có nhiệm vụ sản xuất chính mà không phải là các ống như nhiều thiết kế khác, bộ phận thứ hai là các cuộn xoắn và các ống có nhiệm vụ chiếu sáng từ bên trong các thùng nhờ các ống đèn huỳnh quang lắp đặt bên trong. Vật liệu tác giả sử dụng là thủy tinh.

38

Theo tác giả, hệ kín kết hợp này có ưu điểm là thể tích lớn hơn hệ các ống, ít chiếm diện tích hơn, nhưng đặc điểm của hệ dường như gần giống với các thiết kế lên men công nghiệp trong sản xuất rượu, bia, điểm khác biệt là thiết bị chiếu sáng đặt bên trong để cung cấp cho những vi sinh vật có khả năng quang hợp, khi các thiết bị cung cấp ánh sáng này không hoạt động thì hệ hoàn toàn có thể sử dụng cho mục đích nuôi các loài dị dưỡng, tạp dưỡng.

Một phần của tài liệu Nghiên cứu tạo sinh khối spirulina platensis 9 (Trang 32 - 38)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(40 trang)