Tiềm năng của hệ thống nuôi trồng vi tảo cố định trên màng sinh học (biofilm) so với các phương pháp truyền thống

Chia sẻ: Liễu Yêu Yêu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết "Tiềm năng của hệ thống nuôi trồng vi tảo cố định trên màng sinh học (biofilm) so với các phương pháp truyền thống" giới thiệu mô hình nuôi vi tảo bằng phương pháp nuôi cố định trên màng sinh học được xem một hướng mới và có nhiều ưu điểm so với phương pháp thủy canh truyền thống. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tiềm năng của hệ thống nuôi trồng vi tảo cố định trên màng sinh học (biofilm) so với các phương pháp truyền thống

TIỀM NĂNG CỦA HỆ THỐNG NUÔI TRỒNG VI TẢO CỐ ĐỊNH TRÊN MÀNG SINH HỌC (BIOFILM) SO VỚI CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG Nguyễn Thị Liên1 1. Viện phát triển ứng dụng. Email: liennt@tdmu.edu.vn TÓM TẮT Hầu hết các hệ thống nuôi trồng vi tảo hiện nay như hệ thống nuôi hở trong các ao hay hệ thống kín photobioreactor (PBRs) thì hệ thống luôn được thiết kế sao cho giữ các tế bào vi tảo không dính vào nhau hoặc không lắng trên bề mặt đảm bảo cho các tế bào vi tảo luôn lơ lửng trong môi trường dinh dưỡng. Các hệ thống nuôi cấy vi tảo kết hợp với màng sinh học thì hoàn toàn ngược lại, những hệ thống này khuyến khích vi tảo lắng hoặc bám trên bề mặt mong muốn bằng cách cho phép các tế bào gắn vào màng sinh học, vi tảo sẽ được cô đặc một cách tự nhiên và dễ dàng thu hoạch. Trong phương pháp này môi trường nước và sinh khối phần lớn tách ra do đó việc thu hoạch sinh khối sẽ dễ dàng, tiết kiệm nước, năng suất sinh khối và hiệu quả thu hoạch cao. Sinh khối vi tảo thu được từ bề mặt của màng sinh học có độ ẩm tương tự như vi tảo thu được từ hệ thống nuôi hở hay kín sau khi ly tâm. Do đó, thời gian và chi phí cho việc thu hoạch sẽ rút ngắn và tiết kiệm. Từ khóa: Hệ thống nuôi vi tảo cố định trên màng sinh học, hệ thống nuôi trồng vi tảo hở và kín 1. GIỚI THIỆU Hầu hết những mô hình nuôi trồng tảo hiện nay đều sử dụng phương pháp thủy canh truyền thống thông qua hai hệ thống nuôi hở và kín. Tuy nhiên, cả hai hệ thống nuôi trồng tảo nêu trên đều có những ưu, nhược điểm nhất định và không phải là hệ thống có thể sản xuất sinh khối tảo cho năng suất tối ưu nhất. Ngoài ra khi sử dụng hai hệ thống này để nuôi tảo thì môi trường liên tục được khuấy trộn, điều này sẽ ảnh hưởng xấu đến cấu trúc hình thái của tảo. Hơn nữa, để thu hoạch tảo từ các hệ thống này thì chi phí cho quá trình loại nước khá cao chiếm từ 21-30% trên tổng chi phí sản phẩm và tốn nhiều thời gian (Davis và nnk., 2011). Hệ thống nuôi trồng vi tảo kết hợp với màng sinh học là một hệ thống khá độc đáo và rất khác so với các hệ thống nuôi trồng vi tảo hiện nay. Dựa theo vị trí đặt của vật liệu được sử dụng để làm màng sinh học trong môi trường nuôi thì hệ thống này được chia làm 2 loại: hệ thống bán chìm và hệ thống có màng sinh học nằm chìm trong môi trường. Mô hình nuôi vi tảo bằng phương pháp nuôi cố định trên màng sinh học được xem một hướng mới và có nhiều ưu điểm so với phương pháp thủy canh truyền thống. 2. ƯU ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG NUÔI VI TẢO KẾT HỢP VỚI MÀNG SINH HỌC SO VỚI PHƯƠNG PHÁP THỦY CANH TRUYỀN THỐNG (BÀNG 1) 2.1. Thu hoạch dễ dàng, đơn giản và chi phí năng lượng thấp Chi phí năng lượng thấp và quá trình thu sinh khối đơn giản và dễ dàng hơn là lợi thế nổi bật của hệ thống nuôi này (Zhuang và nnk., 2014). Trong hệ thống nuôi cấy vi tảo theo phương 216
pháp thủy canh truyền thống thì nồng độ sinh khối vi tảo thường dưới 1%. Vì vậy, chi phí cho thu hoạch/ loại nước khỏi sinh khối chiếm 21 - 30% trên tổng chi phí. Vi tảo được thu hồi từ môi trường nuôi cấy thường bằng cách lọc, ly tâm hoặc tuyển nổi (Hình 1). Sau đó, sinh khối phải được loại nước để cô đặc nồng độ hơn nữa (Barlow và nnk., 2016). Hình 1. Một số thiết bị sử dụng cho quá trình tách sinh khối vi tảo từ môi trường nuôi (Davis và nnk., 2011) Ngược lại, trong hệ thống nuôi kết hợp với màng sinh học thì quá trình thu hoạch lại dễ dàng, đơn giản chỉ cần một lực cơ học nhỏ tác động lên bề mặt màng là có thể thu lấy sinh khối (Hình 2). Ngoài ra, sinh khối vi tảo thu được có nồng độ 10-20% (trọng lượng khô), bằng với nồng độ sinh khối thu được bằng phương pháp thủy canh truyền thống sau ly tâm (Gross và nnk., 2013; Johnson và Wen 2010). Như vậy, chi phí năng lượng cho quá trình loại nước theo phương pháp nuôi kết hợp với màng sinh học đã giảm đáng kể 99,7% so với phương pháp thủy canh truyền thống (Huang và nnk., 2016). Hình 2. Qúa trình thu sinh khối vi tảo từ màng sinh học (Johnson và Wen, 2010; Lanlan và nnk., 2015) 217
2.2. Linh hoạt, dễ dàng cho mục tiêu tăng hàm lượng lipid trong sinh khối vi tảo Trong phương pháp thủy canh truyền thống thường để tăng sự tích lũy lipid trong tế bào thì các tế bào vi tảo được thu hoạch trước tiên sau đó chuyển các tế bào này sang môi trường bị giới hạn nồng độ chất dinh dưỡng. Tuy nhiên, quá trình thu sinh khối vi tảo từ môi trường đã được pha loãng nhiều thì rất khó khăn và chi phí cao. Trong khi đó, đối với hệ thống nuôi sử dụng màng sinh học thì với mật độ cao của vi tảo trên bề mặt màng để thúc đẩy quá trình tích lũy lipid trong tế bào chỉ cần thay thế môi trường nuôi cấy giàu nitơ bằng môi trường nuôi cấy bị giới hạn nguồn nitơ. Như vậy với cách thức này thì quá trình thực hiện dễ dàng, linh hoạt hơn và chi phí cũng thấp hơn (Cheng và nnk., 2013). 2.3. Sự tiêu thụ nước ít hơn Hệ thống nuôi cấy vi tảo kết hợp với màng sinh học làm giảm đáng kể lượng nước và yêu cầu năng lượng đầu vào (Yin và nnk., 2015). Theo nghiên cứu của Yin và nnk (2015) thì thể tích nước giảm đáng kể khi sử dụng hệ thống này. Yin và nnk đã cải tiến hệ thống nuôi của Zhang và nnk (2014) bằng cách thu nhỏ lại khoang hẹp kín kết hợp với tốc độ sục khí chậm khi nuôi Haematococcus pluvialis. Kết quả thu được lượng nước sử dụng giảm 90%. Trong hệ thống nuôi Chlorella vulgaris và Haematococcus pluvialis gắn màng của Wan (2014) và Huang (2016) thì kết quả cho thấy nhu cầu nước sử dụng chỉ bằng 30% và 55% so với hệ thống nuôi thủy canh trong các ao hở truyền thống không gắn màng (Wan và nnk., 2014; Huang và nnk., 2016). 2.4. Năng suất cao hơn và tiết kiệm không gian, diện tích hơn Trong hệ thống nuôi gắn màng mật độ tế bào trên bề mặt màng rất lớn. Vì vậy năng suất sinh khối thu được trực tiếp từ màng sinh học rất cao đạt 96,4 kg/m3, kết quả này cao gấp 300 lần so với hệ thống nuôi trong ao hồ - một hình thức nuôi thủy canh truyền thống không gắn màng (Ozkan và nnk., 2012). Do đó, bên cạnh lợi thế về khía cạnh thu hoạch dễ dàng hơn thì việc sử dụng hệ thống này để nuôi vi tảo có thể tiết kiệm nhiều hơn không gian vì mật độ sinh khối cao hơn nhiều so với hệ thống nuôi thủy canh truyền thống. Vi tảo trong các hệ thống nuôi có gắn màng sinh học cho năng suất cao hơn do khả năng truyền ánh sáng hoặc truyền CO2 (Huang và nnk., 2016; Cheng và nnk., 2017) hiệu quả hơn. Theo Lee và nnk (2014) trong hệ thống nuôi cấy vi tảo mà màng sinh học được đặt theo hướng dọc chìm trong môi trường, độ xuyên thấu của ánh sáng xuống đáy cao hơn nhiều so với của hệ thống thủy canh truyền thống không gắn màng. Kết quả cho thấy sau 4 ngày nuôi, tỷ lệ ánh sáng có thể xuyên xuống đáy trong hệ thống gắn màng và hệ thống không gắn màng lần lượt là gần 5% và 12%. Đối với hệ thống nuôi cấy vi tảo không chìm và bán chìm trong môi trường nuôi thì các tế bào vi tảo trên màng dễ dàng sử dụng CO2 từ pha khí giàu CO2 thông qua một màng chất lỏng mỏng, trong khi trong hệ thống nuôi trồng vi tảo thủy canh truyền thống thì CO2 cần khuếch tán qua pha khí, pha lỏng trước khi chuyển hoàn toàn vào môi trường nuôi để vi tảo sử dụng. Do đó, vi tảo trong hệ thống nuôi kết hợp với màng có sự tăng trưởng nhanh hơn. Theo nghiên cứu của Lee (2014), sinh khối vi tảo trong hệ thống gắn màng cho năng suất 1,9 g/m2/ngày, kết quả này cao gấp 2,8 lần so với hệ thống nuôi thủy canh không gắn màng. Trong một nghiên cứu khác, Liu và nnk (2013) khi nuôi Botryococcus braunii bằng hệ thống gắn màng đặt theo chiều dọc (không chìm trong môi trường nuôi), kết quả thu được năng suất sinh khối đạt 5,7 g/m2/ngày, tăng 150% so với hệ thống nuôi cấy không gắn màng ở cùng điều kiện. 218
Vi tảo trong hệ thống có gắn màng sinh học thì các tế bào sẽ gắn cố định trên màng thay vì lơ lửng và phân tán khắp trong môi trường nuôi như hệ thống không gắn màng (Lee và nnk., 2014). Vi tảo trong hệ thống nuôi có gắn màng vẫn có thể nhận được đủ ánh sáng (191 -354 μmol/m2/s) cho quá trình quang hợp và tăng trưởng của chúng thậm chí ngay cả lớp đáy ở dưới cùng của hệ thống nuôi. Trong hệ thống nuôi này lượng ánh sáng mà mọi tế bào vi tảo nhận được có thể cân bằng hơn. Điều này có thể tránh được tình trạng thường thấy trong hệ thống nuôi thủy canh không gắn màng đó là tế bào vi tảo lớp trên bị bão hòa ánh sáng trong khi ở lớp dưới thường bị thiếu ánh sáng. Vì vậy, hệ thống nuôi có gắn màng sinh học thì cho năng suất cao hơn nhiều so với hệ thống thủy canh không gắn màng. Tuy nhiên có những ý kiến khác nhau về vấn đề này, theo Lutzu và nnk (2017) khi màng sinh học dày hơn với sự phát triển của vi tảo thì cường độ ánh sáng giảm dần trong màng, nguyên nhân có thể là do các tế bào vi tảo cố định ở lớp bề mặt màng dày lên nên các vi tảo ở lớp dưới cùng của màng có thể không thể nhận được đủ ánh sáng. 2.5. Hiệu quả xử lý nước cao hơn Công nghệ sản xuất sinh khối vi tảo kết hợp với xử lý nước thải ngày càng phổ biến và được nghiên cứu nhiều nhờ khả năng sử dụng nitơ và phốt pho trong nước của vi tảo (Choudhary và nnk., 2017; Lee và nnk., 2014). So với nuôi cấy vi tảo bằng hệ thống thủy canh không gắn màng thì hệ thống gắn màng sẽ không bị cuốn theo nước chảy ra khỏi hệ thống cùng với nước được xử lý. Do đó, thời gian lưu nước không lâu như thời gian lưu bùn và nó có thể ngắn hơn nhưng vẫn cho hiệu suất xử lý nước cao, trong khi thời gian lưu bùn có thể lâu hơn để duy trì nồng độ sinh khối vi tảo cao trong hệ thống nhằm đạt được hiệu quả xử lý tối ưu. Bảng 1. So sánh hệ thống nuôi vi tảo kết hợp với màng sinh học so với phương pháp thủy canh truyền thống Thông số Phương pháp thủy canh truyền thống Hệ thống nuôi vi tảo kết hợp với màng sinh học Diện tích Diện tích nuôi trồng lớn Diện tích nuôi trồng lớn nhỏ Rất cao, có thể là nguyên nhân gây ra kết Sự mất nước Thấp tủa muối Tổn thất CO2 Cao, phụ thuộc vào độ sâu Thấp Tích lũy của O2 trong hệ thống yêu cầu các thiết bị Nồng độ oxy Thường thấp chuyên dụng để đảm bảo sự trao đổi khí Biến đổi rất cao, kiểm soát nhiệt độ có Nhiệt độ được làm mát nhờ những thiết bị ấn định Nhiệt độ thể thông qua việc điều chỉnh độ sâu của tự động hồ nuôi Xuất hiện do quá trình khuấy trộn nhẹ Stress trên tế bào Không phát hiện do không quá quá trình khuấy trộn nhàng Vệ sinh Đơn giản, không phức tạp Phức tạp. Nguy cơ nhiễm bẩn Cao Thấp Chịu tác động bởi yếu tố ngoại cảnh, do Sự phụ thuộc vào Hệ thống không chịu tác động bởi thời tiết. Việc đó việc quản lý các yếu tố hóa lý bị thụ điều kiện thời tiết quản lý các yếu tố vật lý chủ động. động. Sự linh động nuôi Chỉ nuôi được vài loài, vấn đề nếu thay đổi Có khả năng linh động nuôi được nhiều chủng tảo các chủng tảo nuôi loài khác thì dễ dẫn đến bị nhiễm. khác nhau mà không bị nhiễm. Chi phí vận hành Thấp Cao hơn Cao, tùy thuộc vào loài nuôi cấy Thấp hơn do nồng độ cao của sinh khối, thu hoạch Chi phí quá trình dễ dàng và kiểm soát tốt hơn điều kiện nuôi của nuôi trồng các loài nuôi cấy 219
Hiệu quả xử lý nước bằng hoặc cao hơn so với hệ thống thủy canh không gắn màng (Iman và nnk., 2016). Theo nghiên cứu của Choudhary và nnk (2017) đã sử dụng nước thải chăn nuôi để làm nguồn dinh dưỡng nuôi vi tảo. Kết quả hệ thống có gắn màng cho hiệu quả loại bỏ COD, NO3-, TDP, TAN lần lượt là 87%, 91%, 93% và 98% với thời gian lưu nước là 6 ngày. Trong khi đó hệ thống thủy canh không gắn màng có hiệu suất loại bỏ COD, NO3-, TDP, TAN lần lượt là 80%, 87%, 83% và 99% với thời gian lưu nước là 12 ngày. 4. KẾT LUẬN Mô hình nuôi vi tảo bằng phương pháp nuôi cố định trên màng sinh học được xem là một lựa chọn hợp lý, một hướng mới khắc phục được những hạn chế của phương pháp thủy canh truyền thống và hứa hẹn mang lại hiệu quả cao. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Barlow J., Sims R. . and Quinn .J. C., 2016. Techno-economic and life-cycle assessment of an attached growth algal biorefinery. Bioresour Technol, 220:360–8. 2. Cheng P., Ji B., Gao L., Zhang W., Wang J. and Liu T., 2013. The growth, lipid and hydrocarbon production of Botryococcus braunii with attached cultivation. Bioresour. Technol, 138: 95–100. 3. Cheng P., Wang Y., Yang Q. and Liu T., 2017. Comparison of growth, hydrocarbon accumulation and metabolites of Botryococcus braunii between attached cultivation and aqueoussuspension cultivation. Int J Agric Biol Eng, 10(1):134–41. 4. Choudhary P., Prajapati S. K., Kumar P., Malik A. and Pant K. K., 2017. Development and performance evaluation of an algal biofilm reactor for treatment of multiple wastewaters and characterization of biomass for diverse applications. Bioresour Technol, 224:276–84. 5. Davis R., Aden A. and Pienkos P., 2011. Techno-economic analysis of autotrophic microalgae for fuel production. Appl. Energy, 88: 3524–3531. 6. Davis R., Aden A. and Pienkos P., 2011. Techno-economic analysis of autotrophic microalgae for fuel production. Appl. Energy, 88: 3524–3531. 7. Gross M., Henry W., Michael C. and Wen Z., 2013. Development of a rotating algal biofilm growth system for attached microalgae growth with in situ biomass harvest. Bioresource Technology, 150: 195-201. 8. Huang Y., Xiong W., Liao Q., Fu Q., Xia A., Zhu X. and Sun Y., 2016. Comparison of Chlorella vulgaris biomass productivity cultivated in biofilm and suspension from the aspect of light transmission and microalgae affinity to carbon dioxide. Bioresour Technol, 222:367–73. 9. Iman Shayan S., Agblevor F. A., Bertin L. and Sims R. C., 2016. Hydraulic retention time effects onwastewater nutrient removal and bioproduct production via rotating algal biofilm reactor. Bioresour Technol, 211:527–33. 10. Johnson M. B. and Wen Z., 2010. Development of an attached microalgal growth system for biofuel production. Appl Microbiol Biotechnol, 85:525–534. 11. Lanlan Z., Lin C., Junfeng W., Yu C., Xin G., Zhaohui Z. and Tianzhong L., 2015. Attached cultivation for improving the biomass productivity of Spirulina platensis. Bioresource Technology, 181: 136-142 12. Lutzu G. A., Zhang L., Zhang Z. and Liu T., 2017. Feasibility of attached cultivation for polysaccharides production by Porphyridium cruentum. Bioprocess Biosyst Eng, 40(1):73–83. 220
13. Liu T, Wang J, Hu Q, Cheng P, Ji B, Liu J, Chen Y, Zhang W, Chen X, Chen L, Gao L, Ji C and Wang H, 2013. Attached cultivation technology of microalgae for efficient biomass feedstock production. Bioresour Technol, 127: 216–22. 14. Lee S-H., Oh H-M., Jo B-H., Lee S-A., Shin S-Y., Kim H-S., Lee S-H and, Ahn C-Y., 2014. Higher biomass productivity of microalgae in an attached growth system, using wastewater. J Microbiol Biotechnol, 24(11):1566–73. 15. Ozkan A., Kinney K., Katz L. and Berberoglu H., 2012. Reduction of water and energy requirement of algae cultivation using an algae biofilm photobioreactor. Bioresour Technol, 114:542–8. 16. Wan M., Hou D., Li Y., Fan J., Huang J., Liang S., Wang W., Pan R., Wang J. and Li S., 2014. The effective photoinduction of Haematococcus pluvialis for accumulating astaxanthin with attached cultivation. Bioresour Technol, 163:26–32. 17. Yin S., Wang J., Chen L. and Liu T., 2015. The water footprint of biofilm cultivation of Haematococcus pluvialis is greatly decreased by using sealed narrow chambers combined with slow aeration rate. Biotechnol Lett, 37(9):1819–27. 18. Zhuang L. L., Hu H. Y., Wu Y. H., Wang T. and Zhang T. Y., 2014. A novel suspended-solid phase photobioreactor to improve biomass production and separation of microalgae. Bioresour Technol, 153:399–402. 19. Zhang Zhou W., Chen, P., Min, M., Ma, X., Wang, J., Griffith, R., Hussain, F., Peng, P., Xie, Q., Li, Y., Shi, J., Meng, J., Ruan, R., 2014. Environment-enhancing algal biofuel production using wastewaters. Renew. Sust. Energ. Rev., 36: 256-269. 221