Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của các điều kiện nuôi trồng đến sinh trưởng và năng suất thu dầu của vi tảo ch

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC ĐIỀU KIỆN NUÔI TRỒNG ĐẾN
SINH TRƯỞNG VÀ NĂNG SUẤT THU DẦU CỦA VI TẢO CHLORELLA VULGARIS NHẰM LÀM NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIODIESEL
EFFECT OF CULTIVATION CONDITIONS ON THE GROWTH AND LIPID CONTENT OF THE MICROALGAE CHLORELLA VULGARIS FOR BIODIESEL PRODUCTION


TÓM TẮT
Ngày nay, sinh khối vi tảo đang là đối tương nghiên cứu phổ biến trên thế giới cho mục tiêu sản xuất nhiên liệu sinh học, trong đó lipid từ vi tảo là nguồn nguyên liệu cho mục tiêu sản xuất biodiesel. Vì vậy, các biện pháp nhằm nâng cao năng suất lipid đang được chú ý hiện nay. Trong đề tài này, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện nuôi trồng trong phòng thí nghiệm như tốc độ sục khí CO2, nồng độ dinh dưỡng Nitơ, cường độ ánh sáng đến năng suất sinh khối và hàm lượng lipid trên vi tảo Chlorella Vulgaris. Đây là một trong các chủng vi tảo tiềm năng cho mục tiêu kết hợp xử lý nước thải, tận dụng CO2 từ khí thải và phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam. Kết quả ban đầu cho thấy việc tăng cường độ chiếu sáng và giảm nồng độ Nitơ có thể tăng hàm lượng lipid nhưng giảm năng suất sinh khối. Đồng thời, việc bổ sung CO2 vào môi trường cho phép tăng năng suất sinh khối và lipid. Bên cạnh đó, việc thử nghiệm nuôi trồng Chlorella Vulgaris trong nước thải hầm biogas
được pha loãng 1,25 lần cho thấy chủng này có khả năng sinh trưởng, cho dầu và giảm đáng kể nồng
độ Nitơ và Photpho trong nước thải.


ABSTRACT
Currently, microalgae biomass is a common research subject all over the world for biofuels production, in which lipids from microalgae is used as a material for biodiesel production. Therefore, many measures to improve lipid productivity are being noticed at this time. In this topic, we survey the effect of growth conditions such as CO2 aeration rate, nitrogen nutrient concentration, light intensity on the biomass yield and lipid content of microalgae Chlorella Vulgaris. This is one of the potential strain of microalgae for a combination of wastewater treatment and CO2 utilization in flue gas. Moreover, it is suitable for climatic conditions of Vietnam. The initial results showed that increasing the light intensity and diminution nitrogen concentrations can increase lipid content but reduce biomass yield. Also, the addition of CO2 into the medium allows for increasing biomass and lipid yield. Besides, the cultivation test Chlorella Vulgaris in biogas wastewater diluted 1,25 times concluded that this strain can produce the lipid and significantly reduce nitrogen and phosphorus concentrations in wastewater.
1. Đặt vấn đề
Sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng hóa thạch cùng với sự gia tăng những hậu quả của ô nhiễm môi trường là động lực thúc đẩy thế giới tìm ra các giải pháp hiệu quả cho vấn đề năng lượng và môi trường. Sự ra đời của biodiesel nói riêng và nhiên liệu sinh học nói chung đều bắt nguồn từ thực tiễn đó.
Hiện nay, nguyên liệu sản xuất biodiesel ở Việt Nam là các nguồn sinh khối (SK) truyền thống (dầu ăn phế thải, mỡ cá basa, dầu hạt jatropha) có nhược điểm thu hoạch khó khăn, hàm





lượng dầu thấp và đặc biệt ảnh hưởng đến an ninh lương thực, chiếm nhiều diện tích đất canh tác, đất rừng và cần nhiều nước tưới [1]. Để khắc phục các nhược điểm đó, sinh khối vi tảo đã ra đời và được xem là nguồn sinh khối đầy hứa hẹn để sản xuất biodiesel.
Vi tảo là các vi sinh vật đơn bào, sinh trưởng bằng quang tự dưỡng nhờ quá trình quang hợp, hoặc dị dưỡng, hoặc cả hai hình thức [1]. So với các nguồn sinh khối truyền thống, vi tảo có những ưu điểm nổi bật như: tốc độ sinh trưởng nhanh, năng suất thu sinh khối và thu dầu cao hơn các loại thực vật có dầu khác; dễ nuôi trồng, ít cạnh tranh với đất nông nghiệp và không cần nguồn nước sạch; thân thiện với môi trường. Trung bình sản xuất 1 kg sinh khối tảo thì tiêu thụ được 1,83 kg CO2 [2]. Ngoài ra, có thể tận dụng CO2 từ khí thải công nghiệp cùng với nước thải để nuôi trồng vi tảo [3], làm giảm đáng kể chi phí cho quá trình; nguồn sinh khối vi tảo ngoài mục đích sản xuất biodiesel còn có nhiều ứng dụng khác, . [3].
Năng suất thu sinh khối và hàm lượng dầu của vi tảo phụ thuộc nhiều vào điều kiện nuôi trồng [2]. Trong nhóm vi tảo lục, Chlorella Vulgaris là loài có tiềm năng sản xuất biodiesel vì tốc độ sinh trưởng cao, năng suất sinh khối cao và dễ nuôi trồng, đặc biệt có thể nuôi trong môi trường nước thải [4]. Hơn nữa, chúng có khả năng hấp thụ CO2 [5], có hàm lượng dầu dao động từ 5-58% khối lượng [3]. Do vậy, với định hướng của đề tài là tận dụng nguồn khí thải CO2 và nước thải từ hầm ủ biogas để nuôi trồng vi tảo sản xuất biodiesel, chúng tôi chọn Chlorella Vulgaris là chủng vi tảo để nghiên cứu ảnh hưởng của một số điều kiện nuôi trồng đến năng suất thu hồi dầu, đồng thời định hướng nuôi trong môi trường nước thải.
2. Vật liệu và phương pháp


2.1. Môi trường nuôi trồng
Sử dụng môi trường nuôi tảo có thành phần như sau:


Bảng 1: Thành phần dung dịch vi lượng Bảng 2:Thành phần môi trường nuôi trồng


Composition Concentration, g/l Composition Concentration, g/l
ZnSO4.7H2O 22 NH4Cl 725
MnCl2.4H2O 5,06 CaCl2.2H2O 25
CoCl2.6H2O 1,61 MgSO4.7H2O 140
CuSO4.5H2O 1,57 KH2PO4 350
H3BO3 11,4 NaHCO3 840
FeSO4.7H2O 4,99 Vi lượng 0,5 ml/l
(NH4)6Mo7O24 .4H2O 1,1
Na2EDTA 50
2.2. Nguồn giống vi tảo
Chủng Chlorella Vulgaris với kích thước tế bào từ 5-10 µm, là một trong các chủng vi tảo được nghiên cứu nhiều nhất cho mục tiêu sản xuất biodiesel [9]. Giống tảo thuần chủng lấy từ Viện Công nghệ Sinh học, Hà Nội.





2.3. Các phương pháp đo đạc
2.3.1. Phương pháp đo mật độ quang OD (Optical Density)


Mục đích: định tính nồng độ sinh khối trong môi trường, dựa vào độ hấp thụ quang của các sắc tố Chlorophyll trong tế bào. Các sắc tố này hấp thụ chủ yếu 2 bước sóng trong ánh sáng mặt trời tương ứng là 420 nm và 665 nm [7]. Do vậy, ta đo đạc OD ở 2 bước sóng 420 và 665 nm bằng máy Ultrospec 2000 UV/Visible Spectrophotometer.
2.3.2. Phương pháp đo nồng độ Chlorophyll a


Dựa vào khả năng hấp thụ ánh sáng của các loại sắc tố ở những bước sóng nhất định để xác định hàm lượng của chúng có trong mẫu. Mẫu được ly tâm 15000 vòng/phút ở 40C trong 5 phút để thu sinh khối mẫu. Phần sinh khối này được bổ sung 1 ml acetone vào ống eppendorf. Sau đó đem ly tâm 13000 vòng/phút ở 40C trong 5 phút. Lấy dịch nổi và đo ở bước sóng 664 nm, 647 nm. Áp dụng công thức xác định nồng độ chlorophyll a:
Chlorophyll a (àg/ml) = 11,93.E664 – 1,93.E647
2.4. Phương pháp bảo quản giống
Trong số các phương pháp đã thử nghiệm như: bảo quản trên đĩa thạch, thạch nghiêng, giữ giống bằng Glycerol, giữ giống bằng đông khô, kết quả cho thấy thời gian giữ giống bằng phương pháp bảo quản trên đĩa thạch dài hơn, đồng thời việc hoạt hóa giống dễ dàng hơn.
2.5. Phương pháp nhân giống
Để bảo đảm đủ lượng giống nuôi trong nhiều điều kiện khác nhau, ta cần tiến hành nhân giống. Giống ban đầu được nhân cấp 1, cấp 2, hay cấp 3 tùy thuộc vào yêu cầu lượng giống cần cho mỗi lần nuôi.
2.6. Phương pháp nuôi trồng
Tiến hành các thí nghiệm nuôi trồng vi tảo trong bình Erlen, dung tích nuôi 1 lít. Thể tích giống cho vào chiếm 10% thể tích môi trường. Giống sử dụng là giống cấp 1 được nhân trong vòng 7 ngày. Các mẫu thí nghiệm được chiếu sáng bằng ống đèn huỳnh quang 20W, chu kỳ chiếu sáng 12h sáng:12h tối, quang thông được đo bằng máy Advance Light Meter. Nhiệt độ thí nghiệm được duy trì 27-28oC.
Tiến hành khảo sát sinh trưởng bằng cách đo mật độ quang cùng một thời điểm trong từng ngày nuôi trồng. Tiến hành thu hoạch sinh khối và trích ly lipid khi sinh trưởng đi vào giai đoạn suy vong (tương ứng với 2 ngày giảm trên đường cong OD).
2.7. Phương pháp thu hoạch sinh khối
Để thu hồi triệt để và đánh giá chính xác khối lượng sinh khối thu được, ta sử dụng phương pháp ly tâm. Mẫu được ly tâm bằng máy ly tâm Hettich ZENTRIFUGEN với tốc độ 6000 vòng/phút, trong 10 phút. Sau khi ly tâm, mẫu được sấy khô ở 50oC trong 12h.
2.8. Phương pháp trích ly lipid
Áp dụng phương pháp tách lipid theo phương pháp Bligh và Dyer (1959) và được cải tiến bởi Benemann và Tillett (1987). Đây là phương pháp trích ly dầu hiệu quả nhất theo





Attilio [7,2]. Mẫu sinh khối khô được bổ sung hỗn hợp CH3OH, CHCl3, sau đó được siêu âm để phá vỡ màng tế bào ở tần số sóng 20 kHz trong 10 phút rồi được bổ sung nước và ly tâm 6000 vòng/phút trong 10 phút để phân thành 3 lớp: lớp MeOH và nước ở trên, lớp sinh khối ở giữa, dưới cùng là lớp Chloroform và lipid hòa tan. Phần Chloroform và lipid ở dưới được chiết và chưng cất để thu lipid. Thể tích tổng dung môi bổ sung vào mẫu sinh khối được lấy theo quy tắc 100 ml dung môi trên 1 gam sinh khối. Tỷ lệ thể tích dung môi bổ sung là CH3OH:CHCl3:H2O = 10:10:9.
3. Kết quả và thảo luận