1.6.1. Nhiên liệu sinh học
Gần đây, vi tảo đã được coi là nguồn nguyên liệu tiềm năng để sản xuất diesel sinh học do sự cung cấp hạn chế của các nguồn thực phẩm khác như mỡ động vật, dầu ăn thải và các loài dầu thực vật khác. Vi tảo có khả năng sinh
trưởng nhanh ở dải nhiệt độ và môi trường khác nhau. Hàm lượng dầu trong vi tảo chiếm đến 80% trọng lượng khô. Diesel sinh học được sản xuất từ vi tảo có giá trị năng lượng cao, không chứa lưu huỳnh do vậy giúp giảm đáng kể lượng phát thải cacbon monoxide. Các nghiên cứu của Mahmah và cộng sự (2011) và Bhalamurugan và cộng sự (2018) cho thấy Chlorella. vulgaris và Chlorella. sorokiniana có thể tích luỹ một lượng lớn axit béo, lipid sử dụng để làm nguyên liệu sản xuất diesel sinh học chất lượng tốt [67].
1.6.2. Thức ăn cho người và động vật Thức ăn cho người Thức ăn cho người
Vi tảo được biết đến như một nguồn giàu cacbonhydrat, protein, vitamin, axit béo và lipid. Tại các nước như Trung Quốc, Nhật Bản, Châu Phi và Mexico, vi tảo được sử dụng làm nguồn thức ăn cho con người [67]. Trong đó, những thực phẩm từ vi tảo Chlorella và Spirulina thường phổ biến nhất. Những sản phẩm từ những vi tảo này được sản xuất ở dạng viên nang hoặc chất lỏng với nhiều công dụng như một nguồn cung cấp vitamin dồi dào và chất chống oxy hóa.
Thức ăn cho động vật
Việc sử dụng một số vi tảo như Chlorella, Scenedesmus, Spirulina, Chaetoceros, Skeletonema…làm nguồn thức ăn cho cá và các động vật nuôi (gà, bò, lợn) đã được phát triển nhanh chóng trong nhiều thập kỷ qua. Theo nghiên cứu của Spolaore và cộng sự (2006), 30% sinh khối vi tảo sản xuất trên toàn thế giới là nguồn thức ăn cho gia súc, gia cầm [68]. Nghiên cứu của Kang và cộng sự (2013) cho thấy khi bổ sung 1% sinh khối tươi Chlorella vào chế độ ăn của gà con giúp tăng hệ vi sinh trong đường ruột, cải thiện chức năng của hệ thống miễn dịch và tăng trưởng cao [69]. Khi bổ sung 1 đến 2% sinh khối Chlorella vulgaris vào thức ăn gia cầm khác có tác dụng trong sản xuất trứng, chất lượng trứng được nâng cao (tăng trọng lượng lòng đỏ trứng), ảnh hưởng tích cực đến hệ vi sinh vật đường ruột, triglycerol gan của gà mái được cải thiện [70].
1.6.3. Sản xuất phân bón sinh học
Phân bón đóng một vai trò quan trọng trong việc cải thiện tăng sản lượng nông nghiệp do chứa các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự tăng trưởng của thực
vật. Phân bón hóa học thường có chi phí sản xuất và giá thành sản phẩm cao. Việc sản xuất phân bón sinh học từ vi tảo là một giải pháp cần thiết trong canh tác nông nghiệp hiện nay. Do phân sinh học chứa các hợp chất tự nhiên có nguồn gốc từ vi sinh vật, vi tảo, nấm, vi khuẩn giúp cải thiện chất lượng đất, kích thích tăng trưởng thực vật, không gây ô nhiễm môi trường và có giá thành thấp [67]. Theo nghiên cứu của Faheed và cộng sự (2008) sử dụng Chlorella vulgaris làm phân bón sinh học có tác động lớn đến sự tăng trưởng cũng như tăng đáng kể hàm lượng sắc tố (chlorophyl a, b và carotenoids) trong cây rau diếp [71]. Sinh khối khô của vi tảo Chlorella vulgaris được xem là nguồn dinh dưỡng thích hợp cho quá trình nảy mầm hạt Lactuca sativaas. Nghiên cứu của Dineshkumar và cộng sự (2017) khi trộn lẫn phân bò và phân bón sinh học hỗn hợp vi tảo Chlorella vulgaris, Spirulina bón cho cây ngô đã làm tăng năng suất, sinh trưởng lên đến 51,1% sau 60 ngày trồng [72].
1.6.4. Sản xuất mỹ phẩm, dược phẩm
Hiện nay, sử dụng mỹ phẩm có nguồn gốc từ vi tảo đang được chú ý do hiệu quả mang lại trong việc cải thiện chức năng sinh học, điều trị các vấn đề về rối loạn, lão hóa và các vấn đề liên quan đến sắc tố da. Các loài vi tảo thường được sử dụng trong ngành công nghiệp mỹ phẩm như là Spirulina sp.,Chlorella sp.,Arthrospira sp. [67]. Các chiết suất thu được từ sinh khối của Chlorella và Spirulina đã được sử dụng trong sản xuất kem chống nắng, sữa dưỡng da và dầu gội. Vi tảo được coi là một triển vọng lớn trong việc đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường dược phẩm, đặc biệt là các. Chlorella, Dunaliella, Haematococcus và Nostoc là những loài vi tảo phổ biến nhất cho việc sản xuất các hợp chất hoạt tính sinh học trong dược phẩm. Theo nghiên cứu của Santhosh và cộng sự (2016) sinh khối vi tảo Chlorella được biết đến giàu vitamin B, đặc biệt là B12, α-carotene, lutein, axit ascorbic và α-tocopherol [73]. Những hợp chất này có thể ức chế sự phát triển của các tế bào ung thư và ngăn ngừa thoái hóa điểm vàng. Tuy nhiên, hoạt động thương mại hóa các sản phẩm mỹ phẩm, dược phẩm từ vi tảo cần phải được tiến hành nghiên cứu một cách cẩn thận về tính ổn định và độc tính để đảm bảo an toàn và hiệu quả sử dụng.
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Vi tảo Chlorella sorokiniana TH02 phân lập từ nước thải nhà máy nhiệt điện Cẩm Phả, Quảng Ninh, Việt Nam và được lưu giữ trong bộ sưu tập giống của phòng Hoá học xanh, Viện Hoá học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Chủng TH02 được duy trì trên môi trường BG-11 rắn, dưới ánh sáng 60 µmol/m2∙s, chu kỳ chiếu sáng 12h/12h, nhiệt độ 25 oC, pH=6.98.
Chủng Chlorella sorokiniana TH02 đã được sàng lọc là chủng có tốc độ sinh trưởng nhanh trong phạm vi thay đổi môi trường và dinh dưỡng rộng (nhiệt độ, 20 – 50 oC; pH, 4 – 10; CO2, 0 – 30%; N/P, 4:1 – 80/1) và đạt được năng suất sinh khối cao. Ngoài ra, chủng TH02 có khả năng sinh trưởng trong môi trường bổ sung cacbon hữu cơ (aceate, glucose, glycerol), nên dễ dàng kết hợp hai nguồn cacbon vô cơ như CO2, HCO3- và hữu cơ như acetate để tăng năng suất sinh khối. Do vậy, chúng tôi lựa chọn chủng TH02 là đối tượng nghiên cứu của luận văn.
2.2. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu sẽ được thực hiện trên hệ phản ứng panel phẳng trong phòng thí nghiệm và hệ mở ngoài trời tại Phòng Hóa học xanh, Viện Hóa học, Viện Hàn lâm KHCNVN
2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.3.1. Hóa chất 2.3.1. Hóa chất
Các hóa chất sử dụng trong nuôi cấy do Sigma, Mỹ và Trung Quốc sản xuất dùng trong nghiên cứu này được liệt kê trong Bảng 2.1. Thành phần và cách pha môi trường BG-11 nêu trên được tham khảo theo tác giả Đỗ Thị Cẩm Vân và cộng sự [74].
Bảng 2. 1. Các hoá chất thí nghiệm STT Tên hóa chất/công thức phân tử Độ tinh
khiết Xuất xứ
1 Sodium nitrate (NaNO3) 95% Sigma
2 Dipotassium phosphate (K2HPO4) 95% Sigma 3 Magnesium sulphate heptahydrate
(MgSO4•7H2O) 95% Sigma
4 Calcium chloride dihydrate (CaCl2•2H2O) 95% Sigma
5 Citric acid (C₆H₈O₇) 95% Sigma
6 Ferric ammonium citrate
((NH4)5[Fe(C6H4O7)2]) 95% Sigma 7 EDTA (disodium magnesium salt) 95% Sigma 8 Sodium carbonate (Na2CO3) 95% Merck
9 Axit boric (H3BO3) 95% Trung Quốc
10 Manganese(II) chloride tetrahydrate
(MnCl2•4H2O) 95% Trung Quốc
11 Zinc sulfate heptahydrate (ZnSO4•7H2O) 95% Merck 12 Sodium molybdate dihydrate
(Na2MoO4•2H2O) 95% Merck
13 Copper sulfate pentahydrate
(CuSO4•5H2O) 95% Merck
14 Cobaltous nitrate hexahydrate (Co(NO
3)2•6H2O) 95% Merck
15 Agar 95% Merck
16 Sodium thiosulphate (Na2S2O3·5H2O) 95% Sigma- Aldrich, Mỹ
17 Cồn công nghiệp 96% Việt Nam
18 Sodium bicarbonate (NaHCO3) 95% Trung Quốc 19 Ferrous sulphate heptahydrate (FeSO
STT Tên hóa chất/công thức phân tử Độ tinh
khiết Xuất xứ
20 Sodium chloride (NaCl) 95% Việt Nam
21 Hexane 95% Trung Quốc
22 Sulfuric acid (H2SO4) 98% Trung Quốc
23 Methanol 98% Trung Quốc
24 Acetanilide ≥99,5% (CHN) Aldrich, Mỹ Sigma-
25 NaHCO3 ≥99.7% Sigma-
Aldrich, Mỹ 2.3.2. Thiết bị & dụng cụ
Hệ thống kín panel tấm phẳng được thiết kế, chế tạo và vận hành bởi Viện Hóa học. Thiết bị làm bằng vật liệu acrylic trong suốt (với độ dày 10 mm) dạng hình hộp chữ nhật, có kích thước dài × rộng × cao = 120 cm ×15 cm × 61 cm, tổng dung tích 100 L (thể tích làm việc 90 L). Thiết bị panel phẳng được trang bị một ống nhựa tiền phong ϕ21 nối với ống nano phân phối khí dạng chữ T. Ống phân phối khí được nối với téc CO2 qua ống silicon ϕ8 và các đầu lọc khí (PTTE 0,22 µm, 5 cm, Rocker Scientific Co., Ltd, Taipei, Đài Loan) (Hình 2.2).
Một số thiết bị sử dụng trong nghiên cứu như máy đo cường độ ánh sáng (TM-204, Tenmars Electronics CO., Ltd, Taiwan), máy khuấy (AREX, Velp, Ý), máy thổi khí (MAC40R, Fujimac, Nhật), Téc CO2 (Loại 25 kg, Indochina Gas, Việt Nam), thiết bị điều chỉnh lưu lượng khí (DFG-6T, Darhor Technology Co., Limited, Hangzhou, Zhejiang, Trung Quốc), hệ thiết bị phân tích tổng cacbon và tổng nitơ (TOC/TN) (MultiN/C, Analytik Jena, Đức) của Trung tâm Nghiên cứu và Chuyển giao Công nghệ, Viện Hóa học, máy phân tích thành phần nguyên tố (CHNSO Analyzer) (2400 CHNS/O Series II System, PerkinElmer, Mỹ) của trung tâm Nghiên cứu và Chuyển giao Công nghệ, máy quang phổ tử ngoại khả kiến UV-Vis (U2900, Hitachi, Nhật Bản) của Phòng Hóa học xanh, Viện Hóa học. Ngoài ra có sử dụng một số dụng cụ như bình nuôi tảo, giấy lọc, đầu lọc khí, dây silicon… được sử dụng trong quá trình nuôi cấy và theo dõi sinh trưởng của tảo (Bảng 2.2).
Bảng 2. 2. Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm.
STT Tên thiết bị/dụng cụ Model Xuất xứ Địa điểm đặt 1 Máy đo cường độ ánh sáng TM-204
Tenmars Electronics CO., Ltd, Taiwan Phòng Hóa học xanh, Viện Hóa học
2 Bình thủy tinh tam
giác 250 mL Trung Quốc
Phòng Hóa học xanh, Viện Hóa học
3 Chai thủy tinh 1 L Đức Phòng Hóa học xanh,
Viện Hóa học
4 Chai thủy tinh 5 L Đức Phòng Hóa học xanh,
Viện Hóa học
5 Giấy lọc 3 μm (4 cm) Whatman Phòng Hóa học xanh, Viện Hóa học 6 Đầu lọc khí 0,22 μm PTTE 0,22 µm × 5 cm Rocker Scientific Co., Ltd, Taipei, Đài Loan Phòng Hóa học xanh, Viện Hóa học
7 Máy khuấy từ AREX Velp, Ý Phòng Hóa học xanh, Viện Hóa học
8 Đền LED BD M16L 120/36W Rạng Đông, Việt Nam Phòng Hóa học xanh, Viện Hóa học 9 Ống dây silicon Việt Nam Phòng Hóa học xanh,
Viện Hóa học 10 Máy thổi khí MAC40R Fujimac,
Nhật Phòng Hóa học xanh, Viện Hóa học 11 Téc CO2 Loại 25 kg Indochina Gas, Việt Nam Phòng Hóa học xanh, Viện Hóa học
STT Tên thiết bị/dụng cụ Model Xuất xứ Địa điểm đặt
12 Thiết bị điều chỉnh lưu
lượng khí DFG-6T Darhor Technology Co., Limited, Hangzhou, Zhejiang, Trung Quốc Phòng Hóa học xanh, Viện Hóa học
13 Que cấy tảo Việt Nam Phòng Hóa học xanh, Viện Hóa học
14 Băng dính Việt Nam Phòng Hóa học xanh,
Viện Hóa học
15 Parafin Mỹ Phòng Hóa học xanh,
Viện Hóa học
16 Máy đo pH HI2211-02 Hana, Mỹ Phòng Hóa học xanh, Viện Hóa học
17 Đèn cồn Việt Nam Phòng Hóa học xanh, Viện Hóa học
18 Giấy bạc Việt Nam Phòng Hóa học xanh,
Viện Hóa học 19
Hệ thiết bị phân tích tổng cacbon và tổng nitơ (TOC/TN)
MultiN/C Analytik Jena, Đức
Trung tâm Nghiên cứu và Chuyển giao Công nghệ, Viện Hóa học 20 Máy phân tích thành phần nguyên tố (CHNSO Analyzer) 2400 CHNS/O Series II System PerkinElmer, Mỹ
Trung tâm Nghiên cứu và Chuyển giao Công nghệ
2.3.3. Phương pháp thực nghiệm 2.3.3.1. Nhân giống tảo 2.3.3.1. Nhân giống tảo
Tảo giống Chlorella sorokiniana TH02từ bình giống cấy sang bình tam giác 500 mL chứa 250 mL BG-11 (Bảng 2.3). Tảo giống liên tục được lắc đều 100 vòng/phút và ánh sáng chiếu liên tục chiếu sáng suốt 24 giờ trong 1 tuần để đạt tảo giống có nồng độ tế bào 2,5×106 tế bào/mL. Nhiệt độ sinh trưởng của tảo được điều chỉnh ở 25 oC, ánh sáng nhân tạo dùng đèn LED có cường độ 60 µmol/m2∙s(Hình 2.1A). Tảo được tiếp tục nuôi nâng cấp trong bình thủy tinh Simax 5 L chứa 4 L môi trường BG-11 và nuôi trong vòng 1 tuần để đạt nồng độ 4,2×107 tế bào/mL. Khí được sục vào thiết bị phản ứng quang sinh học qua đầu lọc khí (PTTE 0,22 µm, 5 cm, Rocker Scientific Co., Ltd, Taipei, Đài Loan) (bằng máy sục khí với tốc độ 400 mL/phút) điều chỉnh bằng thiết bị đo lưu lượng (DFG-6T, 0,1 – 0,8 L/min, Darhor Technology Co., Limited, Hangzhou, Zhejiang, Trung Quốc) để tạo dòng khí có hàm lượng CO2 0,04% (Hình 2.1B). Thiết bị phản ứng được chiếu sáng bằng hệ thống đèn LED, tạo ra cường độ ánh sáng 60 µmol/m2∙s, (chu kỳ 16 giờ/8 giờ). Mẫu tảo được lấy hàng ngày để đo diễn biến của nhiệt độ, pH, mật độ quang (OD), nồng độ sinh khối của mẫu tảo 1 lần/ngày.
Hình 2. 1. Nhân nuôi tảo Chlorella sorokiniana TH02giống. Trong bình tam giác 500 mL (A), trong chai trung tính 5 L (B).
Bảng 2. 3.Thành phần dinh dưỡng môi trường BG 11.
Thành phần Đơn vị (g/L) NaNO3 1,5 K2HPO4 0,04 MgSO4·7H2O 0,075 CaCl2·2H2O 0,036 Citric acid 0,006
Ferric ammonium citrate 0,006
Na2EDTA·2H2O 0,001
Na2CO3 0,02
Hỗn hợp vi lượng-kim loại (mix A5) 1 mL/L
Hỗn hợp Mix A5 bao gồm: H3BO3, 2,86 g/L; MnCl2·4H2O, 1,81 g/L;
ZnSO4·7H2O, 0,222 g/L; Na2MoO4·2 H2O, 0,39 g/L; CuSO4·5H2O, 0,079 g/L; Co(NO3)2·6H2O, 0,0494 g/L.
2.3.3.2. Nghiên cứu sinh trưởng và xử lý CO2 của Chlorella sorokiniana TH02 trong thiết bị panel phẳng
Sinh trưởng và hiệu quả cố định CO2 của Chlorella sorokiniana TH02 dưới nồng độ CO2 khác nhau
Thiết bị phản ứng tấm panel phẳng được chiếu sáng với hệ đèn bóng đèn LED công suất cao mua từ Công ty Phíc nước Rạng Đông (Thanh Xuân, Hà Nội) tạo ra cường độ ánh sáng 60 µmol/m2∙s (16 giờ/8 giờ). Nhiệt độ trong phòng thí nghiệm duy trì từ 25-27 oC. Nồng độ CO2 được hiệu chỉnh theo lưu lượng kế và được liệt kê trong Bảng 2.4 sau. Mẫu được lấy trong hàng ngày 100 mL và thực hiện các phép đo mật độ quang, pH và tính các thông số tăng trưởng của vi tảo và hiệu suất xử lý CO2. Mẫu tảo được lọc và sấy tảo thành sinh khối khô để phân tích thành phần cacbon trong sinh khối tảo phục vụ tính toán hiệu quả xử lý CO2.
Téc CO2 Van Van Bơm không khí Lưu lượng kế Lưu lượng kế Lưu lượng kế Bóng đèn LED Bóng đèn LED Đầu lọc khí
Ống naotube phân phối khí (A)
Hình 2. 2. Mô hình thiết bị phản ứng panel phẳng (A) và mô hình thiết bị thực (B).
Bảng 2. 4. Nồng độ CO2 khác nhau điều chỉnh bởi lưu lượng CO2 và lưu lượng không khí thông qua lưu lượng kế.
Nồng độ CO2 (%) Lưu lượng CO2 công nghiệp (L/phút)a Lưu lượng không khí (L/phút)b Lương hỗn hợp CO2 + không khí (L/phút)c 0,04 0 10 1 5 0,5 9,5 1 10 1,0 9,0 1 15 1,5 8,5 1 20 2,0 8,0 1
aLưu lượng CO2 công nghiệp (99,99%) điều chỉnh bởi lưu lượng kế (DFG- 6T, 0,1 – 5 L/phút, Darhor Technology Co., Limited, Hangzhou, Zhejiang, Trung Quốc)
bKhông khí bơm bởi máy thổi khí được điều chỉnh bởi lưu lượng kế (DFG- 6T, 2 – 20 L/phút, Darhor Technology Co., Limited, Hangzhou, Zhejiang, Trung Quốc)
cLưu lượng hỗn hợp CO2+không khí được điều chỉnh bởi lưu lượng (DFG- 6T, 0,1 – 5 L/phút, Darhor Technology Co., Limited, Hangzhou, Zhejiang, Trung Quốc)
Sinh trưởng và hiệu quả cố định CO2 của Chlorella sorokiniana TH02 dưới cường độ ánh sáng khác nhau
Cường độ ánh sáng nghiên cứu là các giá trị 60, 100, 150, 200, 250, 300 và 400 µmol/m2/s theo chu kỳ chiếu sáng 16 giờ/8 giờ. Các cường độ ánh sáng khác nhau được tạo bởi bóng đèn LED có công suất phù hợp. CO2 được điều chỉnh theo nồng độ tối ưu cho sự tăng trưởng của sinh khối tảo Chlorella sorokiniana TH02 đạt được ở bước nghiên cứu trên. Nhiệt độ thí nghiệm được duy trì ở 25 – 27 oC. Mẫu được lấy trong hàng ngày 100 mL và thực hiện các phép đo mật độ quang, pH và tính các thông số tăng trưởng của vi tảo và hiệu suất hấp thụ CO2. Mẫu tảo được lọc và sấy khô để xác định sinh khối khô để phân tích thành phần cacbon trong sinh khối tảo phục vụ tính toán hiệu quả hấp thụ CO2.
Sinh trưởng và hiệu quả cố định CO2 của Chlorella sorokiniana TH02 dưới tốc độ sục khí khác nhau
Tốc độ sục khí nghiên cứu là các giá trị 0,5, 1, 2, 3 và 4 L/phút. Cường độ ánh sáng và nồng độ CO2 được kiểm soát tương ứng tại 100 – 150 µmol/m2∙s và 5%. Mẫu được lấy trong hàng ngày 100 mL và thực hiện các phép đo mật độ quang, pH và tính các thông số tăng trưởng của vi tảo và hiệu suất xử lý