Cơ sở khoa học và giả thuyết khoa học sử dụng chitosan để thu sinh khối

L ỜI MỞ ĐẦU

1.2.3.Cơ sở khoa học và giả thuyết khoa học sử dụng chitosan để thu sinh khối

4. Những đóng góp của đề tài

1.2.3.Cơ sở khoa học và giả thuyết khoa học sử dụng chitosan để thu sinh khối

vi tảo

Kết bông là quá trình mà các hạt mất ổn định bị kích thích làm đông đặc, tạo

liên kết với nhau, và từ đó hình thành các cụm bông lớn hơn (Vandamme, 2013). Quá trình kết bông các hạt theo 4 cơ chế keo tụ, các cơ chế này có thể đơn lẻ hoặc kết hợp: (1) Cơ chế thứ nhất là trung hòa điện tích. Đây là hiện tượng các ion tích điện, polyme

hoặc chất keo tụ hấp thụ mạnh trên bề mặt của một hạt cóđiện tích đối lập, tiếp theo là sự thay đổi trạng thái của hạt, đông tụ và kết lắng (Hình 1.4a); (2) Cơ chế lắng tĩnh điện (electrostatic patch) là hiện tượng trong đó một polymer tích điện liên kết với một

hạt mang điện tích ngược dấu. Các polymer lân cận đảo chiều điện tích của bề mặt hạt,

dẫn đến các mảnh vá của điện tích trái dấu trên bề mặt hạt. Sau đó hạt kết nối với nhau

thông qua các mảnh vá của điện tích trái dấu, và quá trình kết bông xảy ra (Hình 1.4b); (3) Tạo cầu nối (bridging) là hiện tượng trong đó polyme hoặc chất keo tích điện đồng

thời liên kết với bề mặt của hai hạt khác nhau để tạo thành một cầu nối giữa chúng.

Cầu nối này gắn kết các hạt với nhau và gây kết bông (Hình 1.4c); (4) Kết bông quét

(Sweeping flocculation) là quá trình trong đó các hạt bị “bẫy” trong một khối kết tủa

Hình 1.4 Tổng quan về cơ chế keo tụ khác nhau (a) trung hòa điện tích(b) cơ chế

lắng tĩnh điện (c) tạo cầu nối (d) kết bông quét (Vandamme, 2013)

Chitosan là một polymer sinh học, mang điện tích dương trong môi trường acid

loãng, đặc biệt tan tốt trong dung dịch acid acetic loãng. Bề mặt của tế bào vi tảo thường mang điện tích âm vì có chứa các nhóm carboxylic, phosphoryl và

amine/hydroxyl; trong đó quan trọng nhất là nhóm carboxylic, nhóm này có trong điều

kiện môi trường pH lớn hơn 3 - 4 sẽ xảy ra quá trình tách proton (deprotonation) và làm cho bề mặt tế bào vi tảo tích điện âm; trong khi đó các nhóm phosphoryl và amine/hydroxyl bị tách proton ở pH lớn hơn 7. Như vậy, cơ sở khoa học sử dụng chitosan để thu sinh khối vi tảo là quá trình trung hòa điện tích. Chitosan tích điện tích dương sẽ tương tác tĩnh điện với tế bào sinh khối vi tảo tích điện âm. Tương tác tĩnh điện này sẽ làm giảm lực đẩy tĩnh điện giữa các tế bào vi tảo và tạo thành khối có kích thước và khối lượng lớn có thể lắng xuống nhờ trọng lực (Renault và cộng sự, 2009).

Hiệu quả thu sinh khối vi tảo của chitosan ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố bao gồm: pH

của môi trường, mật độ sinh khối, môi trường nuôi sinh khối, đặc điểm của sinh khối

vi tảo, tính chất của chitosan (độ deacetyl, khối lượng phân tử, kích thước phân tử, độ

tinh sạch), thời gian thu và nồng độ chitosan sử dụng (Chen và cộng sự, 2014). Như

Thalassiosira pseudonana. Hiệu quả của quá trình thu sẽ ảnh hưởng bởi pH, thời gian

thu và nồng độ chitosan sử dụng.

1.3. Một số phương pháp thu sinh khối vi tảo

Hiện nay sinh khối vi tảo có thể được thu hoạch bằng một số phương pháp như:

lắng, ly tâm, lọc và sử dụng chất keo tụ (trợ lắng), hoặc kết hợp của những phương

pháp này.

1.3.1. Phương pháp lắng

Trong phương pháp lắng, lực hấp dẫn khiến các hạt chất lỏng hoặc rắn tách từ

chất lỏng có mật độ khác nhau, nhưng quá trình này có thể rất chậm, nhất là khi sự

khác biệt mật độ hoặc kích thước hạt nhỏ (Heaven, 2013). Việc làm lắng đọng vi tảo là khác nhau giữa các loài, nhưng cũng có thể biến đổi trong cùng một loài. Mức lắng đọng có thể phụ thuộc vào cường độ ánh sáng (Waite và cộng sự, 1992). Theo

Bienfang (1981), sự thiếu hụt về dinh dưỡng có thể làm giảm tỷ lệ lắng tụ. Quá trình lắng còn ảnh hưởng bởi độ tuổi của tế bào, tỉ lệ tế bào lắng sẽ tăng lên đối với các tế bào già đặc biệt là tế bào lão hóa (Smayda, 1970). Tốc độ lắng của vi tảo có kích thước nhỏ trong khoảng 4-5 m trong là không đáng kể (Waite và cộng sự, 1992). Mặc dù có một số ưu điểm, nhưng tới nay phương pháp lắng chưa được sử dụng rộng rãi để thu vi (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

tảo (Uduman và cộng sự, 2010).

1.3.2. Phương pháp ly tâm

Phương pháp ly tâm có thể sử dụng để thu hầu hết các loài vi tảo (Mohn, 1988). Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là có chi phí cao. Gudin và Thepenier (1986) ước tính rằng chi phí của quá trình phục hồi có thể chiếm từ 20-30% tổng chi phí sản xuất sinh khối. Chisti (2007) báo cáo rằng chi phí của quá trình thu sinh khối vi tảo chiếm tới 50% chi phí cuối cùng của sản xuất dầu diesel. Hơn nữa,

Norsker và cộng sự (2011) tính toán rằng phương pháp ly tâm đòi hỏi một năng lượng đầu vào tương đương với khoảng 50% năng lượng có sẵn trong sinh khối vi tảo thu được. Ngoài ra, quá trình ly tâm có thể gây vỡ tế bào làm ảnh hưởng đến chất lượng

của sinh khối vi tảo thu được.

1.3.3. Phương pháp lọc

Nhiều loại bộ lọc đã được sử dụng để thu hoạch tảo và phương pháp lọc đã

được phát hiện thỏa đáng việc khôi phục tế bào tảo tương đối lớn (Molina Grima và cộng sự, 2003); nhưng cũng có thể bị cản trở bởi băng thông thấp và tắc nghẽn nhanh

chóng (Mohn, 1988). Mặc dù có một loạt các thiết kế bộ lọc, bộ lọc màng có thểđược chỉ đơn giản là phân loại theo các lỗ hoặc lớp màng kích thước; lọc vĩ mô > 10 m, vi lọc 0,1-10,0 m, siêu lọc 0,02-0,20 m và thẩm thấu ngược < 0,001 m. Và do đó áp

lực để buộc chất lỏng thông qua một lớp màng, năng lượng hoạt động cần thiết, thường sẽ tăng lên cùng với việc giảm kích thước lỗ màng, vì phạm vi kích thước của

vi tảo thường là giữa 2 và 30 m (Brennan và Owende, 2010; Molina Grima và cộng

sự, 2003). Phương pháp siêu lọc là một lựa chọn tốt cho sự phục hồi, đặc biệt là các tế

bào rất mỏng manh, nhưng vẫn chưa được sử dụng đối với vi tảo (Mata và cộng sự

2010; Molina Grima và cộng sự, 2003), chi phí vận hành và phí bảo trì rất cao (Mata

và cộng sự, 2010). Chất hữu cơ ngoại bào được ghi nhận là dẫn đến tắc nghẽn nhanh

chóng của các màng siêu lọc trong phương pháp lọc của Spirulina (Rossi và cộng sự,

2004).

1.3.4. Phương pháp keo tụ

Phương pháp keo tụ thường được sử dụng cùng với các phương pháp thu hoạch khác (Brennan và Owende, 2010). Trong phương pháp này, các tế bào tảo kết hợp với nhau làm tăng kích thước, qua đó giúp tăng tỉ lệ lắng đọng hoặc tuyển nổi (Mata và cộng sự, 2010). Phương pháp keo tụ được xem là một phương pháp ưu việt hơn các phương pháp khác vì phạm vi áp dụng rộng rãi, nó có thể sử dụng để thu các vi tảo có kích thước khác nhau (Uduman và cộng sự, 2010). Phương pháp này cũng được chứng minh là phương pháp có chi phí phù hợp để thu vi tảo (Benemann và cộng sự, 1980).

Quá trình keo tụ có thể xảy ra một cách tự nhiên ở một số vi tảo, được gọi quá trình tự động tạo bông, vi tảo có thể tập hợp thành từng cục để đáp ứng với áp lực môi trường thay đổi về nitơ, pH và oxy hòa tan (Schenk và cộng sự, 2008; Uduman và cộng sự, 2010). Tuy nhiên, phương pháp keo tụ thường sử dụng các hóa chất có khả năng trợ

lắng. Các chất trợ lắng phổ biến nhất được sử dụng trong thu hoạch vi tảo là sắt clorua

(FeCl3), nhôm sunfat (Al2(SO4)3) và sắt sunfat (Fe2(SO4)3) (Brennan và Owende, 2010). Ngoài ra, vôi (calcium hydroxide, CaCO3) cũng được sử dụng để loại bỏ chất

rắn lơ lửng và vi tảo từ nước thải từ những năm 1920 (Oswald, 1988). Muối kim loại đa hoá trị, sắt clorua, sắt sulfat và nhôm clorua (phèn) thường được sử dụng trong xử

lý nước thải để loại bỏ tảo đã cho thấy hiệu quả trong việc làm kết bông cả Chlorella

và Scenedesmus (Molina Grima và cộng sự, 2003). Ở điều kiện kết lắng tối ưu về hàm

hơn so với phèn trong sự kết bông vi tảo (Shelef và cộng sự, 1984). Chất kết bông vô cơ được chứng mình là có thể có ảnh hưởng xấu đến chất lượng vi tảo thu được về khả

màu sắc, khả năng sinh trưởng (Molina Grima và cộng sự 2003; Papazi và cộng sự 2010;

Schenk và cộng sự, 2008). Chitosan, một polyme hữu cơ cation, có nguồn gốc từ vỏ giáp xác đã được sử dụng trong xử lý nước thải đối với ngành công nghiệp thực phẩm (Harith

và cộng sự, 2009). Chitosan đã được chứng minh là có hiệu quả trên một loạt các vi tảo nước ngọt (Harith và cộng sự, 2009; Molina Grima và cộng sự, 2003).

Hiện nay các phương pháp trên đều có thể được sử dụng để thu sinh khối vi tảo, (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

tuy nhiên mỗi phương pháp đều có những hạn chế nhất định:

- Phương pháp lọc, ly tâm đòi hỏi chi phí đầu tư cao, mặt khác còn ảnh hưởng đến chất lượng sinh khối vi tảo thu được (các chất dinh dưỡng, chất có hoạt tính sinh

học bị thất thoát do quá trình ly tâm làm phá vỡ tế bào).

- Sử dụng các muối kim loại nặng: các kim loại nặng tồn tại trong sinh khối

sau khi thu hoạch sẽ khó ứng dụng làm thức ăn cho động vật, do đó khả năng ứng

dụng bị hạn chế.

Do những hạn chế trên đây mà việc sử dụng một chất trợ lắng như chitosan,

một polyme sinh học an toàn, thân thiện với môi trường để thu sinh khối là cần thiết.

1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về phương pháp thu nhận và

các chất có hoạt tính sinh học của sinh khối vi tảo

1.4.1.Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, nhiều loài vi tảo đã được sử dụng làm thức ăn cho động vật thủy

sản đặc biệt cho đối tượng giống và ương ấu trùng động vật hai mảnh vỏ và giáp xác.

Chaetoceros gracilis, Tetraselmis suecica, Thalassiosira pseudonana và

Nannochloropsis sp. là những loài vi tảo được sử dụng phổ biến hiện nay. Hầu hết các

công trình nghiên cứu về vi tảo hiện nay tập trung vào việc nuôi sinh khối vi tảo. Để

sử dụng sinh khối vi tảo làm thức ăn cho thủy sản, người ta thường thường bơm trực

tiếp sinh khối và môi trường nuôi sinh khối vào bể nuôi. Để nâng cao hiệu quả sử dụng

sinh khối làm thức ăn nuôi và bảo quản sinh khối nhằm chủ động được nguồn thức ăn,

thì việc thu sinh khối vi tảo là một việc làm cần thiết. Phương pháp thu phổ biến hiện

nay ở các cơ sở nuôi vi tảo là li tâm hoặc lọc. Phương pháp li tâm có chi phí cao và

làm giảm chất lượng của sinh khối vi tảo, trong khi đó phương pháp lọc không phù hợp để thu sinh khối của vi tảo có kích thước nhỏ như Thalasiossira pseudonana.

Phương pháp keo tụ được xem như một giải pháp hữu hiệu để khắc phục những hạn

chế của phương pháp li tâm và lọc. Cho đến nay, tại Việt Nam những công bố khoa

học cũng như ứng dụng thực tế của phương pháp keo tụ trong thu hồi sinh khối vi tảo

làm thức ăn cho thủy sản còn rất hạn chế. Lý Bích Thủy và Ngô Thị Thu Thảo (2013) đã nghiên cứu sử dụng 2 muối kim loại FeCl3 và Al2(SO4)3 và NaOH trong việc thu

hồi sinh khối của hai loài vi tảo Chaetoceros gracilis, Nannochloropsissp. Sinh khối thu được thử nghiệm để làm thức ăn cho nghêu giống (Meretix lyrata). Tác giả đánh

giá hiệu quả thu sinh khối vi tảo dựa trên sự sinh trưởng và tỷ lệ sống của nghêu giống.

Tuy nhiên, hiệu quả thu hồi sinh khối của phương pháp chưa được đánh giá. Kết quả

nghiên cứu cho thấy sinh khối vi tảo Chaetoceros gracilis thu bằng Al2(SO4)3 cho tỷ lệ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

nghêu sống cao nhất. Tuy nhiên, tỷ lệ sống của nghêu sử dụng sinh khối này rất thấp

chỉ đạt 15,63%. Nguyên nhân của kết quả này có thể là do sự ảnh hưởng xấu đến sức

khỏe nghêu giống của dư lượng kim loại nặng trong sinh khối vi tảo. Hồ Quốc Phong

và cộng sự (2014) đã nghiên cứu sử dụng phương pháp li tâm để thu sinh khối vi tảo

Chlorellasp. định hướng sử dụng sản xuất diesel sinh học. Hàm lượng lipid và lượng

sinh khối được xác định. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này tác giả không đánh giá hiệu

quả thu sinh khối của phương pháp li tâm so với các phương pháp thu sinh khối vi tảo

khác.

Phần lớn các nghiên cứu gần đây về sinh khối vi tảo tập trung vào đánh giá hàm lượng một số chất dinh dưỡng như protein, lipid, carbohydrate và khoáng. Trần Thị Lê

Trang (2013) đã đánh giá sự ảnh hưởng của các mức nitơ trong môi trường nuôi đến hàm lượng protein và lipid của vi tảo Spirulina platensis. Kết quả cho thấy hàm hàm

lượng nitơ trong sinh khối vi tảo thu được tỷ lệ thuận với lượng nitơ trong môi trường nuôi. Tuy nhiên, hàm lượng lipid lại có xu hương ngược lại. Hàm lượng protein và

lipid đạt giá trị cao nhất lần lượt là 69,64 và 13,48% khối lượng khô. Theo Hoàng Thị

Minh Hiền và cộng sự (2013), sinh khối vi tảo biển dị dưỡng Schizochytrium mangrovei PQ6 phân lập tại Phú Quốc, tỉnh Kiên Giangcó hàm lượng axít béo omega- 3 và omega-6 chiếm đến 60,937% so với tổng số axít béo có trong thành phần axít béo

tự do, trong đó, hàm lượng DHA và EPA đạt 22,438% và 14,304% so với tổng số axít

béo. Với kết quả này tác giả đã kết luận rằng hỗn hợp axít béo tự do thu được từ sinh

khối vi tảo Schizochytrium mangrovei là nguyên liệu tốt cho sản xuất dầu sinh học

động vật nuôi. Những nghiên cứu về các chất có hoạt tính sinh học của sinh khối vi tảo

nuôi trồng tại Việt Nam đến nay còn rất hạn chế.

Việt Nam đã nghiên cứu sản xuất thành công chitosan từ nguyên liệu còn lại

trong quá trình chế biến tôm và mực. Chitosan đã được nghiên cứu trong lĩnh vực xử

lý nước thải, trong y dược, làm thức ăn cho gia động vật nuôi và phân bón cho cây trồng. Tuy nhiên, cho đến nay những công bố liên quan đến việc sử dụng chitosan để

thu sinh khối của vi tảo còn rất hạn chế. Xuất phát từ thực tế này, nghiên cứu hiện tại đánh giá hiệu quả thu sinh khối vi tảo Thalasiossira pseudonana bằng chitosan, so sánh với phương pháp li tâm và sử dụng kim loại nặng. Nghiên cứu cũng xác định hàm

lượng một số chất có hoạt tính sinh học, khả năng chống oxy hóa của sinh khối vi tảo

Thalasiossira pseudonana, so sánh với phương pháp thu bằng li tâm. Hoạt tính chống

oxy hóa của sinh khối vi tảo này cũng được so sánh với những chất chống oxy hóa thương mại.

1.4.2.Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Thu sinh khối vi tảo được xem là một công việc quan trọng nhất để sử dụng

vào các mục đích khác nhau. Các phương pháp thu sinh khối vi tảo cần đạt được đồng

thời hai tiêu chí đó là có giá thành rẻ và sinh khối vi tảo thu phải đáp ứng tiêu chuẩn sử

dụng cho động vật nuôi và con người. Do vậy, các phương pháp thu sinh khối vi tảo (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

bằng phương pháp keo tụ sử dụng các chất vô cơ chỉ có thể sử dụng trong việc thu sinh

khối vi tảo làm sạch môi trường. Sinh khối vi tảo thu bằng các chất keo tụ này không thể sử dụng để làm thức ăn cho động vật thủy sản cũng như con người bởi những ảnh hưởng xấu đến sức khỏe. Nhìn chung, các phương pháp và kỹ thuật thu sinh khối đều hướng tới giảm chi phí và bảo tồn được chất lượng của sinh khối vi tảo.

Harith và cộng sự (2009) đã nghiên cứu sử dụng các chất trợ keo tụ khác nhau

bao gồm chitosan và hệ chất đa điện phân (polyelectrolytes) thương mại Magnafloc

(LT 25 và LT 27), trong việc thu sinh khối vi tảo Chaetoceros calcitrans. Kết quả cho

thấy hiệu quả thu hồi sinh khối vi tảo phụ thuộc vào pH của môi trường và đạt hiệu

suất cao nhất ở pH 8,0 (đối với chitosan) và pH 10,2 (đối với LT 25 và LT 27). Xu và cộng sự (2013) đã sử dụng chitosan như chất trợ keo tụ tự nhiên để thu sinh khối của

vi tảo xanh Chlorella sorokiniana. Kết quả cho thấy trên 99% sinh khối của vi tảo