sục khí…)
Nhiệt độ
Nhiệt độ là yếu tố quan trọng trong nuôi trồng vi tảo, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng sinh trưởng tạo sinh khối và sản xuất các hoạt chất có tác dụng sinh lý. Nhiệt độ tối thích tùy thuộc vào từng loài và mục đích nuôi cấỵ Trong nuôi tảo quang tự dưỡng ở các hệ thống kín, nhiệt độ là yếu tố giới hạn quan trọng. Nguồn nhiệt tạo ra trong hệ thống chủ yếu là do máy bơm và hệ thống đèn chiếu sáng trong đó, nhiệt độ máy bơm cơ học sản sinh ra là chủ yếu do đây là hệ thống bơm tuần hoàn khép kín. Chính vì vậy, trong các hệ thống kín ở quy mô nhỏ thường là tích hợp thiết bị làm mát chuyên dụng hoặc hệ thống làm mát bằng nước thông qua hệ thống bể nông, phun mù hoặc qua hệ thống ống nhỏ ngâm trong bể nước (Hall và cs., 2003; Watanabe và Hall, 1996, Briassoulis và cs., 2010). Còn các hệ thống nuôi trồng ngoài trời, việc làm mát hệ thống rất khó khăn, hiện nay, hệ thống nuôi này mới thành công với các loài tảo chịu nhiệt như Spirulina, Chlorella,… và ở các nước có nhiệt độ trung bình và thấp như Hawaii với Haematococcus,… Một xu hướng mới để giải quyết vấn đề này là hướng tới các loại bơm tuần hoàn ít gây tác động nhiệt đến dịch nuôị
Loại bơm
Chọn bơm là một khâu quan trọng trong thiết kế hệ thông kín. Từ những năm 1990, một số nhà nghiên cứu đã nhận thấy vai trò quan trọng trong việc chọn bơm vận hành hệ thống. Trong đó, bơm ly tâm, bơm nhu động, bơm màng và bơm đẩy khí nén được cho là các loại bơm thông dụng, có thể sử dụng được. Tuy nhiên, tùy từng loài tảo mà có thể sử dụng các loại bơm khác nhaụ Đối với các loài tảo có roi, bơm nhu động và bơm màng được cho là ít gây ra áp lực nhất do vậy, có thể sử dụng được (Catawatcharakul, 1994). Khi nghiên cứu ảnh hưởng của các loại bơm đến sinh trưởng của tảo Tetraselmis suecica, Jaouen và cs., (1999) cũng đã chỉ ra rằng, bơm trục vít lệch tâm và bơm nhu động không gây ảnh hưởng đến tế bào tảọ Sau đó, bơm đẩy khí nén cũng được cho là thích hợp với nuôi trồng nhiều loài tảo trong hệ thống này, tuy nhiên, người ta cũng ít quan tâm đến loại bơm này do tính không ổn định của dòng chảỵ Mặc dù vậy, loại bơm này vẫn được ứng dụng khá phổ biến nhờ khả năng ít gây tác động nhiệt đến hệ thống nuôị
Tốc độ dòng chảy
Tốc độ dòng chảy là chỉ tiêu được các nhà thiết kế đặc biệt quan tâm đối với hệ thống kín dạng ống, liên quan trực tiếp đến sinh trưởng của tảọ Một thông số quan trọng, đặc trưng cho tốc độ dòng chảy là số Reynolds (Re). Đây là đại lượng không thứ nguyên, đặc trưng cho trạng thái của dòng chảy tầng hay chảy rốị Số Re được biểu thị bằng công thức (Hoàng Văn Quý và Nguyễn Cảnh Cầm, 2009)
Trong đó, v: vận tốc dòng chảy (m/s) d: đường kính ống (m)
ν: hệ số nhớt động học (m2 /s) Các nghiên cứu đều cho rằng, để tảo sinh trưởng tốt thì cần tạo ra chế độ dòng chảy có sự đảo trộn tốt để hạn chế hiện tượng bám thành, hiệu ứng phản ứng bề mặt và giúp phân tán nhiệt tốt. Tuy nhiên, để phân định dòng chảy rối
hay chảy tầng, còn có rất nhiều quan điểm khác nhaụ Trước đây, nhiều tác giả khi đề cập đến số Re cho rằng, cần thiết lập chế độ dòng chảy sao cho số Re lớn 2 x 103– 2 x 105 (Olaizola, 2000) trong các hệ thống ống tròn có đường kính 18- 41 cm để nuôi Haematococcus. Tuy nhiên, với các nghiên cứu đối với Chlorella
(Grobbelaar, 1994), số Re chỉ khoảng 5000 – 6000. Và khi nuôi ở hệ thống ống đường kính nhỏ, số Re cũng thấp. Điều này phù hợp với việc đánh giá chế độ chảy theo Red trơn và Red nhám, phụ thuộc đường kính ống (Hoàng Văn Quý và Nguyễn Cảnh Cầm, 2009). Với các nghiên cứu khác nhau cũng cho thấy, tốc độ dòng chảy tối ưu không giống nhaụ Như vậy, chế độ dòng chảy phù hợp cho nuôi tảo không chỉ liên quan đến tốc độ dòng chảy hay số Re mà còn có thể phụ thuộc vào các yếu tố khác.
Khi nghiên cứu về tốc độ dòng chảy trong hệ thống kín dạng ống, người ta thường đề cập đến một thông số liên quan đến áp lực thành (Cf) và được xác định bằng công thức (Molina và cs., 2000) như sau:
Cf = 0.079 Re -1/4
Để đánh giá tác động của yếu tố này trong hệ thống kín, có thể đánh giá thông qua tỷ lệ tế bào bị tổn thương.
Trong hệ thống kín dạng ống có hệ thống đẩy khí (airlift), ngoài yếu tố áp lực thành, còn hai yếu tố cũng được quan tâm đến là vận tốc khí bề mặt (Ug) và vận tốc khí vào (ѵ) (Kim, 2009) Ug = = ѵ =
Khi đó, số Reynolds tại các đầu dây sục khí (ReOL) được xác định theo công thức:
Trong đó, Fg: Lưu lượng khí theo thể tích (m3/s ) r: Bán kính ống khí đẩy (m)
di : đường kính lỗ khí vào n: số lỗ khí vào
ρ: khối lượng riêng (kg/m3); η: độ nhớt động học (kg/sm)
Ảnh hưởng của các thông số trên cũng được đánh giá thông qua tỷ lệ số tế bào chết/số tế bào sống hoặc qua tỷ lệ tế bào mất roi, thay đổi đặc điểm hình thái ở H. pluvialis (Vega-Estrada và cs., 2005).
Ánh sáng
Ánh sáng là yếu tố đặc biệt quan trọng trong vận hành hệ thống kín do yêu cầu về hiệu quả ánh sáng caọ Trong hệ thống kín, các nhà nghiên cứu thường tập trung vào chất lượng ánh sáng, cường độ ánh sáng và chu kỳ sáng tối (tc). Trong đó, chu kỳ sáng tối được quan tâm một cách đặc biệt. Do trong hệ thống kín dạng ống, ánh sáng thường được chiếu từ một phía của hệ thống do vậy, sẽ hình thành nên vùng được phơi sáng gọi là vùng sáng và vùng bị khuất gọi là vùng tối (hình 3). Sở dĩ có hiện tượng này là do sự truyền ánh sáng qua ống tuân theo định luật Beer-Lambert, được xác định theo công thức tính (Lopez và cs., 2006).
Iav = Io (1- exp (-KapCb))/KapCb
Trong đó, Iav, Io là cường độ ánh sáng bên trong và ở bề mặt ống
Ka : Hệ số tắt ( Ka = 0,1 m2/g)
P: đường kính ống Cb: sinh khối tảo (g/L)
Chu kỳ sáng tối được chia làm ba loại, chu kỳ cực ngắn (cỡ µs đến 1s), chu kỳ ngắn (khoảng hàng chục s) và chu kỳ dài (tương ứng với chu kỳ ngày đêm) (Grobbelaar, 1991). Trong đó, chu kỳ cực ngắn chính là thời gian tế bào tảo qua vùng sáng và vùng tối của ống. Khi nghiên cứu vai trò của chu kỳ này, các nhà nghiên cứu cho rằng, sự chuyển đổi rất nhanh từ vùng ánh sáng có cường độ cao đến vùng tối có khả năng thúc đẩy hiệu quả của quang hợp. Chu kỳ cực ngắn này được cho là kết quả của việc giảm tốc độ vận chuyển điện tử QA đến QB ở hệ quang hóa II theo đó là hô hấp tốị Điều này dẫn đến khả năng nhận ánh sáng tốt nhất của hệ quang hóa II trong thời gian chớp sáng (Janssen, 2002). Trong nghiên cứu sinh trưởng của vi tảo ở các hệ thống kín dạng ống, thông số này đặc trưng cho mức độ khuấy trộn bên trong dòng môi trường chứa tảọ Ở các hệ thống ống có đường kính lớn, chỉ tiêu này khá quan trọng, và có thể đây chính là nguyên nhân để điều chỉnh tốc độ dòng chảy trong ống và giải thích được nguyên nhân của việc tăng số Re khi đường kính ống lớn như đã tóm lược ở trên. Tuy nhiên, chu kỳ này lại ít có ý nghĩa và không phù hợp khi nghiên cứu
người ta thường hay đề cập đến chu kỳ chiếu sáng trung bình, với thời gian hàng chục giâỵ
Từ năm 1978, nghiên cứu của Richmond và Vonshak đã công bố rằng, tốc độ sinh trưởng của tảo Spirulina tăng khi tốc độ khuấy tăng lên gấp đôị Điều này được cho là do đã tạo nên chu kỳ sáng/tối thích hợp mà ở đó, khoảng thời gian được phơi sáng ngắn hơn khi tăng mức độ chảy rốị Và chu kỳ từ vài giây đến vài phút có tác dụng làm tăng sinh khối tảọ Tuy nhiên, chu kỳ sáng: tối này còn phụ thuộc vào tốc độ quang hợp của vi tảọ Do vậy, đây là nhân tố quan trọng trong thiết kế và quản lý các hệ thống nuôi trồng (Grobbelaar, 1991). Tuy nhiên, khi nghiên cứu đối với tảo Chlorella và Senedesmus với chu kỳ cực ngắn thì lại thấy sự thay đổi về sinh lý trong thời gian ngắn lại ảnh hưởng nghiêm trọng đến năng suất sinh khối tảo (Grobbelaar, 1991). Nhìn chung, chu kỳ ngắn dưới 1 Hz thường được khuyến cáo là nên tránh (Posten, 2009).
Ánh sáng có vai trò quan trọng trong sản xuất sinh khối tảọ Cường độ ánh sáng cao thường dẫn đến hiện tượng quang hô hấp và quang ức chế nhưng cường độ ánh sáng thấp lại ức chế sinh trưởng của tảo và trở thành yếu tố giới hạn. Để giải quyết vấn đề ánh sáng cao, hiện nay người ta thường đi đến hai hướng giải quyết là nâng cao hiệu quả sử dụng ánh sáng thông qua ứng dụng công nghệ gen nhằm giảm kích thước của các phân tử chlorophyll ăngten hoặc tăng cường khả năng chống chịu với ánh sáng (Carvalho và cs., 2011). Các hệ thống kín dạng ống được cho là loại hình nuôi tảo có khả năng sử dụng ánh sáng hiệu quả nhất. Đây cũng là ưu điểm quan trọng của hệ thống kín mà người ta có thể sử dụng các loại hình này nuôi sinh khối tảo sạch với năng suất caọ Từ đầu những năm 1990, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng ánh sáng có liên quan tới lượng sinh khối mất đi trong thời gian không được chiếu sáng (Torzillo và cs., 1991). Khi nghiên cứu chu kỳ sáng: tối với tảo Scenedesmus obliquus, Grobbelaar và cs., (1996) đã phát hiện thấy, trong điều kiện cường độ ánh sáng thấp thì yêu cầu về tần số sáng: tối thấp và ngược lại, khi chiếu sáng với cường độ cao thì tần số sáng: tối này cũng caọ Điều này cũng phù hợp với các quan điểm cho rằng, trong điều kiện chiếu sáng với cường độ thấp, yêu cầu về tốc độ dòng chảy trong ống chậm hơn trong điều kiện chiếu sáng với cường độ caọ
Ngoài ra, chiếu sáng với cường độ ánh sáng phù hợp theo từng điều kiện sinh trưởng của tảo cũng đã được đề cập đến. Khi nghiên cứu trên đối tượng tảo
H. pluvialis, cường độ ánh sáng 4,5 x 10-8 µE/s/tế bào cho sinh khối bằng 250%
so với điều kiện chiếu sáng ổn định (Choi và cs., 2003).
Oxy và CO2 hòa tan
Nồng độ oxy hòa tan (DO) là thông số quan trọng trong quản lý vận hành hệ thống kín. Tùy từng loài vi tảo khác nhau mà yêu cầu về nồng độ DO khác nhaụ Khi nghiên cứu trên bốn loài tảo lam, hai loài tảo lục và một loài tảo đáy, Birmingham và cs., (1982) đã chỉ ra rằng, cường độ quang hô hấp bằng 10-28% cường độ quang hợp thực trong không khí có chứa oxỵ Khi giảm nồng độ oxy xuống khoảng 2%, cường độ quang hô hấp giảm 52-90%. Trong nâng cấp quy mô của hệ thống kín, nồng độ oxy hòa tan đóng vai trò vô cùng quan trọng. Thông thường, trong các hệ thống ống lớn thường đi kèm một hay nhiều hệ thống đẩy khí để hạn chế sự tác động của oxy lên quá trình quang hợp (Rubio và cs., 1999). Các nghiên cứu trước đây cũng đã cho thấy khi nồng độ oxy hòa tan cao kết hợp với ánh sáng cao sẽ gây đến hiện tượng quang hô hấp (Richmond, 1991) làm tiêu hao sản phẩm quang hợp. Trong lịch sử, một công ty trách nhiệm hữu hạn sản xuất photobioreactor ở Cartagena, Tây Ban Nha đã xây dựng hệ thống trên quy mô công nghiệp, dựa trên nghiên cứu chi tiết đầu tiên của Pirt và cs., công bố năm 1983 nhưng đã không đề cập đến nồng độ oxy hòa tan. Tuy nhiên, thất bại này lại chỉ ra một vấn đề quan trong khi mở rộng quy mô bằng cách kéo dài hệ thống ống đã bị giới hạn bởi sự tích lũy oxy hòa tan (Rubio và cs., 1999; Markl và Mather, 1985; Torzillo và cs., 1986). Khi nghiên cứu trên đối tượng là tảo C. vulgaris, Markl và Mather (1985) đã nhận thấy, cường độ quang hợp tăng 14% khi không có oxy hòa tan trong môi trường. Trong điều kiện môi trường có oxy hòa tan bào hòa, cường độ quang hợp giảm đến 35%. Trong thực nghiệm, thông thường, nồng độ oxy hòa tan phù hợp thấp nhất là khi nồng độ oxy trong không khí chiếm khoảng 21%, tương ứng với nồng độ oxy trong không khí, có khả năng ứng dụng rộng rãi đối với các hệ thống đẩy khí thông thường (Rubio và cs., 1999).
Bên cạnh nồng độ oxy hòa tan, nồng độ CO2 hòa tan cũng đóng vai trò quan trọng đến sản phẩm quang hợp. Đối với một số loài tảo đáy, nồng độ CO2
hòa tan khoảng 65 µM là thích hợp nhất cho tảo sinh trưởng còn với Chlorella
vulgaris, nồng độ CO2 thấp tối thiểu là 60 µM vẫn chưa gây ức chế quang hợp
(Rubio và cs., 1999).
Nồng độ O2 và CO2 hoà tan trong hệ thống có liên quan tới hệ số truyền khối từ pha khí sang pha lỏng (Rubio và cs., 1999):
QL d[O2] = K1a1lO2 ([O2]* - [O2] )Sdx + RO2(1-ε1)Sdx
QL d[CT] = K1a1lCO2 ([CO2]* - [CO2] )Sdx + RCO2(1-ε1) Sdx Trong đó, QL : lưu tốc chất lỏng (m3/s)
K1a1lO2 , K1a1lCO2 : hệ số truyền khối của O2 và CO2 vào pha lỏng (/s) RO2 , RCO2 : O2 và CO2 sinh ra trong môi trường nuôi (mol O2/m3/s)
[O2] , [CO2, [O2]*, [CO2 ]* : nồng độ O2 , CO2 trong môi trường nuôi và trong không khí
[CT ] : nồng độ carbon hữu cơ tổng số ε1 = QG/(QG+QL)
Trong đó,
QG, QL : lưu tốc khí và lưu tốc chất lỏng (m3/s) [CT] = [CO2] + [HCO3-] + [CO32-]
pH > 8,4 => không tồn tại CO2 tự do εd = (Vd – Vd’)/Vd
εr = ∆h /h; h, ∆h: khoảng cách giữa hai áp kế và hai cột đọc trên áp kế K1a1l = 0,0213 x ε10,9694
K1a1r = 0,4098 x εr0,9204
K1a1d = 0,04519 x εd 0,41
Quản lý, sử dụng CO2 trong nuôi trồng vi tảo là vấn đề rất quan trọng. Sử dụng làm sao để đạt được hiệu quả cao và ít gây tác động đến môi trường cũng đã được các nhà khoa học quan tâm. Để đảm bảo tảo sử dụng được CO2 thì áp suất riêng phần của CO2 trong pha lỏng thường là 0,1-0,2 kPa (Doucha và cs., 2005; Spalding, 2008). Thông thường, CO2 được bổ sung thêm vào thành phần không khí dùng để sục khí (Carvalho và cs., 2006) để đạt được tỷ lệ 1-2% (Tababa và cs., 2012; Powtongsook và cs., 2006) hoặc sử dụng CO2 để điều chỉnh pH môi trường (Chris và Thomas, 2011; Coleman và Colman, 1980).