Thiết kế và vận hành hệ thống kín quang phản ứng sinh học để nuôi thâm canh vi tảo biển
VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN 2
THIẾT KẾ VÀ VẬN HÀNH HỆ THỐNG KÍN QUANG PHẢN ỨNG
SINH HỌC ĐỂ NUÔI THÂM CANH VI TẢO BIỂN
Đặng Tố Vân Cầm1, Trꢀnh Trung Phi1, Diêu Phạm Hoàng Vy1,
Lê Thanh Huân1, ĐặngThị Nguyên Nhàn1, Trần Thị Tuyết Lan2
TÓM TẮT
Hai kiểu hệ thống kín quang phản ứng sinh học khác nhau được thiết kế tại Trung tâm Quốc gia
Giống hải sản Nam bộ, Viện Nghiên cứu Nuôi trồng Thủy sản 2. Hệ thống tấm bao gồm 12 đơn vị
nuôi, mỗi đơn vị nuôi có thể tích 72 lít, đường dẫn ánh sáng 10cm. Hệ thống ống bao gồm 6 đơn vị
nuôi, thể tích 85 lít cho mỗi đơn vị nuôi, được thiết kế bằng ống nhựa acrylic Ф60mm. Cả hai hệ
thống được vận hành thử nghiệm trên vi tảo biển, loài Nannochloropsis oculata. Ở hệ thống tấm,
tốc độ sục khí tối ưu ở 0,9-1,0 L/L/phút, tảo đạt mật độ 311x106 tb/mL. Ở hệ thống ống, khí CO2
đưa vào hệ thống tại điểm giữa đầu bơm và ống ở vị trí thấp nhất, dòng chảy tối ưu ở vận tốc 0,6-0,7
m/s, tảo đạt đến mật độ 520x106 tb/mL. Kết quả nghiên cứu cho thấy cả hai hệ thống đã thiết kế có
thể ứng dụng để nuôi thâm canh N. oculata nói riêng và các loài vi tảo biển nói chung nhằm phục
vụ sản xuất giống hải sản chất lượng cao.
Từ khóa: hệ thống kín quang phản ứng sinh học, hệ thống ống, hệ thống tấm, Nannochloropsis
oculata
I. MỞ ĐẦU
được sử dụng nhất là Chlorella, Tetraselmis,
Isochrysis, Pavlova, Phaeodactylum,
Vi tảo biển là thức ăn tươi sống đặc biệt
quan trọng cho tất cả các giai đoạn phát triển của
các loài nhuyễn thể hai mảnh vỏ, các giai đoạn
ấu trùng của hầu hết các loài tôm, cá biển và cho
các động vật phù du. Sản lượng vi tảo sản xuất
hàng năm cho ngành nuôi trồng thủy sản vào
năm 1999 là 1000 tấn trọng lượng khô (Muller-
Feuga, 2004), năm 2009 lên đến vài ngàn tấn
(Posten, 2009), trong đó 62% cho nhuyễn thể,
21% cho tôm và 16% cho cá. Tốc độ phát triển
và tỷ lệ sống của ấu trùng có liên quan mật
thiết với chất lượng tảo đã sử dụng (Korstad
và ctv., 1995). Cho đến nay chỉ có khoảng 20
loài tảo được sử dụng làm thức ăn trong nuôi
trồng thủy sản (Brown, 2002). Các loài thường
Chaetoceros, Nannochloropsis, Skeletonema và
Thalassiosira.
Ở nước ta, nhu cầu sử dụng vi tảo biển cho
sản xuất giống hải sản ngày càng nhiều, nhất
là khi con số các công trꢀnh nghiên cứu sinh
sản nhân tạo thành công trên nhiều đối tượng
cá biển, nhuyễn thể ngày càng tăng. Việc nuôi
không ổn định, rủi ro do bị nhiễm bẩn và tàn
lụi đột ngột, mật độ thấp là những vấn đề tồn
tại đối với bất kỳ hoạt động nuôi trồng thủy
sản nào tùy thuộc vào việc nuôi hàng loạt các
vi tảo biển. Công nghệ nuôi vi tảo cho đến nay
vẫn còn lạc hậu, chỉ theo các phương pháp cổ
truyền, bán liên tục, như nuôi kín trong bịch
1
2
Trung tâm Quốc gia Giống Hải sản Nam bộ, Viện Nghiên cứu Nuôi trồng Thủy sản 2.
Email: [email protected]
Tổng Cục Thủy Sản
TAÏP CHÍ NGHEÀ CAÙ SOÂNG CÖÛU LONG - 1 - THAÙNG 7/2013
73
VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN 2
nhựa, nuôi hở trong bể xi măng, bể sợi thủy thống kín quang phản ứng sinh học đó là hệ
tinh, thậm chí chưa nuôi nhiều trong hệ thống thống tấm và hệ thống ống bởi tính ưu việt về
raceway, là hệ thống nuôi mà thế giới cho là chi phí lắp đặt và vận hành, nhằm nâng cao
lạc hậu và nhiều khuyết điểm. Nhiều nước công nghệ nuôi vi tảo biển, không những cho
trên thế giới như Ý, Úc, Israel… đã từ bỏ công năng suất cao mà còn chất lượng tốt, phục vụ
nghệ nuôi theo phương pháp cổ truyền từ lâu, cho nhu cầu ngày càng cao của sản xuất giống
thay vào đó là việc nghiên cứu và ứng dụng hải sản.
hệ thống nuôi kín quang phản ứng sinh học
và ngày càng có nhiều kiểu thiết kế khác nhau
nhằm hoàn thiện và nâng cao công nghệ nuôi.
Cho đến nay, trên thế giới có 4 kiểu thiết kế
khác nhau cho 4 loại hệ thống nuôi kín quang
phản ứng sinh học đó là hệ thống tấm (Zou
và ctv, 2000; Zhang và ctv, 2001), hệ thống
ống (Lee và Low, 1991; Grima và ctv, 1996;
Borowitzka, 1997; Zittelli và ctv, 1999), hệ
thống hꢀnh vành khuyên (Zittelli và ctv, 2003)
và hệ thống bảng (Zittelli và ctv, 2000). Tất
cả 4 kiểu thiết kế khác nhau của hệ thống kín
quang phản ứng sinh học đều có cùng nguyên
lý là có độ sâu hoặc chiều rộng cột nước (gọi
là đường dẫn ánh sáng, light-path) hẹp, nhằm
đảm bảo sự tồn tại của ánh sáng trong hệ thống
nuôi, tỷ lệ diện tích/thể tích của hệ thống cao
và cùng ưu điểm là cho mật độ và năng suất
cao, ít tốn công lao động, không bị nhiễm
tạp trong quá trꢀnh nuôi, sinh khối tảo thu đạt
chất lượng cao (Richmond, 2000; Pulz, 2001;
Posten, 2009).
II. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
2.1. Hệ thống tấm
Thiết kế hệ thống
Một đơn vị nuôi trong hệ thống tấm bao
gồm 2 tấm kiếng thủy tinh dày 10mm, chiều
dài 120cm, chiều rộng 60cm, đặt song song
theo chiều thẳng đứng cách nhau 10cm, hàn kín
mặt đáy và hai mặt xung quanh bằng kiếng dày
10mm tạo nên hꢀnh hộp chữ nhật, đặt trên giá đỡ
làm bằng inox. Mặt trên hꢀnh hộp là tấm nhựa
có nút đậy, là nơi đóng và mở của hệ thống nuôi,
có 1 lỗ nhỏ cho đường ống khí đi vào. Mặt dưới
hꢀnh hộp thông với van Ф34 là nơi thu hoạch
tảo và xả nước khi vệ sinh. Khoảng không gian
bên trong hꢀnh hộp chữ nhật có thể tích 72 lít
dùng để nuôi sinh khối. Ống dẫn khí lắp đặt
bên trong hꢀnh hộp chữ nhật nằm song song với
cạnh đáy, với lỗ khí có đường kính 0,7-1mm,
cách nhau 5cm. Đường ống dẫn khí thông với
cột lọc không khí, từ máy nén khí có công suất
1,5m3/phút.
Nhóm nghiên cứu của Bùi Bá Trung và ctv
(2009) lần đầu tiên đã thiết kế hệ thống nuôi kín
quang phản ứng sinh học theo nguyên lý của hệ
thống ống dẫn, nhưng kết quả thử nghiệm nuôi
N. oculata chỉ nâng lên được mật độ 61x106 tế
bào/mL. Ngoài ra, Công ty Cổ phần Chăn nuôi
CP Việt Nam đã sử dụng hệ thống ống nhưng
nhập hoàn toàn thiết bị để nuôi các loài tảo cho
ấu trùng tôm biển.
Hai đơn vị nuôi đặt song trên giá đỡ có
nguồn sáng ở giữa, khoảng cách từ nguồn sáng
đến bề mặt đơn vị nuôi là 10cm. Nguồn sáng là
9 bóng đèn huỳnh quang dài 1,2m, công suất
40W, tạo thành 3 mức cường độ chiếu sáng khác
nhau, hộp điều khiển điện gắn bên trên giá đỡ.
Bốn đơn vị nuôi đặt song song thành 2 tầng trên
1 giá đỡ, toàn bộ hệ thống có 12 đơn vị nuôi,
xếp song song thành 3 hàng.
Nghiên cứu này thiết kế 2 kiểu của hệ
TAÏP CHÍ NGHEÀ CAÙ SOÂNG CÖÛU LONG - 1 - THAÙNG 7/2013
74
VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN 2
Hꢀnh 1: Sơ đồ thiết kế hệ thống tấm
(1) Mặt trước và sau, kiếng dày 10mm; (2) tấm đậy và nơi đóng mở của hệ thống; (3) đường
dẫn khí; (4) lỗ thoát khí; (5) bọt khí; (6) dịch tảo nuôi; (7) giá đỡ hệ thống bằng inox; (8) tấm inox
chịu lực.
Thí nghiệm 1: Tối ưu hóa thiết kế hệ thống dinh dưỡng F/2 (Guillard và Ryther, 1962).
tấm cho N. oculata về tốc độ sục khí
Tất cả các thí nghiệm được kéo dài cho đến
Thí nghiệm bao gồm 3 nghiệm thức khác khi tảo ở một trong các nghiệm thức đạt đến pha
nhau về tốc độ sục khí 0,3-0,4 ; 0,6-0,7 và dừng.
0,9-1,0 L khí/L nước nuôi/phút (đo bằng flow
meter), mỗi nghiệm thức được lặp lại 4 lần.
2.2. Hệ thống ống
Thiết kế hệ thống
Điều kiện thí nghiệm: tảo N. oculata
có nguồn gốc từ phòng thí nghiệm biển
Dunstaffnagge của CCAP (the Culture
Collection of Algae and Protozoa, Oban, UK),
được lưu giữ trong tủ chuyên dụng (hiệu MLR-
350H, SANYO, Nhật) và nhân giống ở điều
kiện vô trùng trong bꢀnh thủy tinh 1 và 5 lít.
Tảo giống cho tất cả các thí nghiệm được lấy
ở pha tăng trưởng, mật độ ban đầu 20x106 tế
bào/mL. Nước nuôi có độ mặn 25‰, xử lý diệt
trùng bằng calcium hypochlorite Ca(OCl)2 nồng
độ 30ppm, trung hòa bằng sodium thiosulfate
(Na2S2O3), sau cùng lọc qua cột lọc kích cỡ
1µm. Cường độ ánh sáng tại bề mặt trong của
đơn vị nuôi 9.000-10.000 lux (đo bằng máy đo
cường độ ánh sáng, Sper Scientific 840020, Đài
loan). Nhiệt độ nước nuôi 28±0.5ºC, môi trường
Sử dụng ống nhựa acrylic trong suốt
Ф60mm, chiều dày 2mm, chiều dài 2m. Một
đơn vị nuôi bao gồm hai dãy ống đặt song song
và cách nhau 22cm, mỗi dãy bao gồm 6 ống đặt
theo chiều thẳng đứng và cách nhau 6cm. Các
ống nối với nhau bởi các co hꢀnh dạng chữ U
chiều dài 50cm. Ống ở vị trí thấp nhất và cao
nhất được nối trực tiếp với 2 đầu của đầu bơm
tạo thành một vòng xoắn kín có chiều dài 34m,
tạo nên thể tích nuôi 85 lít. Đầu bơm sẽ đẩy
nước và tảo vào ống ở vị trí thấp nhất chảy qua
các ống bên trên, đồng thời nước và tảo sẽ bị
đầu bơm hút về từ ống ở vị trí cao nhất tạo thành
dòng tuần hoàn liên tục trong hệ thống nuôi.
Nơi đóng và mở của hệ thống nuôi là 1 van
Ф60mm nằm giữa ống ở vị trí thấp nhất và đầu
bơm để thu hoạch tảo hoặc xả nước khi vệ sinh,
TAÏP CHÍ NGHEÀ CAÙ SOÂNG CÖÛU LONG - 1 - THAÙNG 7/2013
75
VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN 2
2 lỗ Ф60mm có nút đậy bằng lưới nằm giữa ống 2Hp với trục quay có tốc độ 2-10 vòng/giây,
ở vị trí cao nhất và đầu bơm là nơi cung cấp tương ứng với vận tốc nước chảy trong ống 0,1-
nước, tảo, chất dinh dưỡng cho hệ thống, đồng 1 m/giây. Mỗi đơn vị nuôi được cung cấp khí
thời là nơi thoát khí O2. Hệ thống chiếu sáng là CO2 tinh khiết từ bꢀnh CO2 thông qua hộp điều
12 bóng đèn huỳnh quang dài 1,8 m, công suất khiển tốc độ.
40W, đặt theo chiều nằm ngang ở giữa hai dãy
ống và khoảng cách đến mỗi dãy ống là 10cm,
tạo thành 3 mức cường độ chiếu sáng khác nhau.
Hai đơn vị nuôi đặt theo chiều thẳng đứng
thành 2 tầng trên cùng 1 giá đỡ inox, sử dụng
chung 1 hộp điều khiển điện, toàn bộ hệ thống
Đầu bơm hút và đẩy được gắn với mô tơ có 6 đơn vị nuôi, xếp song song thành 3 hàng.
Hꢀnh 2: Sơ đồ thiết kế hệ thống ống
(1) Ống acrylic trong; (2) ống PVC mờ; (3) co nối hꢀnh chữ U bằng nhựa PVC; (4) đầu bơm;
(5) motor điện; (6) van thu hoạch; (7) điểm đưa CO2 vào hệ thống; (8) (9) các van chức năng; (10)
(11) nơi thoát khí O2 và cung cấp dịch nuôi vào hệ thống (11); (12) hướng dòng chảy; (13) giá đỡ
hệ thống bằng inox.
Thí nghiệm 2: Tối ưu hóa thiết kế hệ thống 0,5m/giây và 0,6-0,7m/giây. Vận tốc dòng chảy
ống cho N. oculata về vị trí cung cấp khí CO2.
được đo theo phương pháp của Molina và ctv
(2001), Hàm lượng oxy hòa tan (DO) được đo
bằng máy YSI (model 556 MPS, USA). Mỗi
nghiệm thức được lặp lại 2 lần.
Thí nghiệm bao gồm 2 nghiệm thức khác
nhau về vị trí cung cấp CO2, vị trí 1 thông qua
nút đậy, đặt tại khoảng giữa ống cao nhất và đầu
bơm, vị trí 2 tại khoảng giữa đầu bơm và ống
thấp nhất, mỗi nghiệm thức được lặp lại 3 lần.
Điều kiện thí nghiệm tương tự với thí
nghiệm 1. Hệ thống được cung cấp CO2 tại vị trí
từ kết quả của thí nghiệm 2.
Điều kiện thí nghiệm tương tự với thí
nghiệm 1. Vận tốc dòng chảy trong ống 0,4-
0,5m/s.
2.3. Thu thập và xử lý số liệu
So sánh mật độ và tốc độ tăng trưởng của vi
tảo N. oculata giữa các nghiệm thức khác nhau
trong cùng một thí nghiệm.
Thí nghiệm 3: Tối ưu hóa thiết kế hệ thống
ống cho N. oculata về vận tốc dòng chảy.
Thí nghiệm bao gồm 3 nghiệm thức khác
nhau về vận tốc dòng chảy: 0,2-0,3m/giây, 0,4-
Mật độ tảo được xác định hàng ngày bằng
buồng đếm Neubauer Haemocytometer (độ sâu
TAÏP CHÍ NGHEÀ CAÙ SOÂNG CÖÛU LONG - 1 - THAÙNG 7/2013
76
VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN 2
0.1mm, dùng để đếm các loài vi tảo có kích Sử dụng phân tích Paired-samples T Test
thước 2-30µm, mật độ 104-107 tb/mL), mật độ (SPSS version 16.0) để so sánh sự khác biệt về
tảo đo được là giá trị trung bꢀnh của 4 lần đếm.
tốc độ tăng trưởng của tảo giữa 2 nghiệm thức
của thí nghiệm 2.
Xác định tốc độ tăng trưởng (µ) theo công
thức của Abu-Rezq và ctv (1999)
III. KẾT QUẢ
µ = (LnNt-LnNo)/t
3.1. Hệ thống tấm
Nt là mật độ tại thời điểm t, No là mật độ tại
thời điểm ban đầu và t khoảng thời gian (ngày)
Thí nghiệm 1 được thực hiện nhằm tối ưu
hóa hệ thống tấm đã thiết kế, thử nghiệm cho
loài N. oculata ở 3 tốc độ sục khí khác nhau 0,3-
0,4; 0,6-0,7 và 0,9-1,0 L/L/phút. Kết quả được
trꢀnh bày ở đồ thị 1.
Sử dụng phân tích One-Way ANOVA và
phép thử Duncan (SPSS version 16.0) để so
sánh sự khác biệt về tốc độ tăng trưởng của tảo
giữa 3 nghiệm thức của thí nghiệm 1 và 3.
Đồ thị 1: Mật độ của N. oculata nuôi trong hệ thống tấm ở 3 tốc độ sục khí khác nhau
Đồ thị 1 biểu diễn đường cong tăng trưởng độ cao hơn. Cụ thể ở mức độ sục khí 0,3-0,4 L/L/
của N. oculta khi nuôi trong hệ thống tấm ở 3 phút, tảo bắt đầu đi vào pha dừng sau 12 ngày
tốc độ sục khí khác nhau. Cả 3 đường cong tăng nuôi, khi đã đạt mật độ 220x106 tb/mL, trong khí
trưởng gần như trùng lắp nhau cho đến ngày đó tảo ở hai tốc độ sục khí cao hơn vẫn tiếp tục
nuôi thứ 5, từ ngày nuôi thứ 6 trở đi theo khuynh tăng và đạt mật độ cực đại vào ngày nuôi thứ 14
huớng tảo nuôi ở tốc độ sục khí cao hơn cho mật ở mức 278x106 tb/mL và 311x106 tb/mL lần lượt
TAÏP CHÍ NGHEÀ CAÙ SOÂNG CÖÛU LONG - 1 - THAÙNG 7/2013
77
VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN 2
ở tốc độ 0,6-0,7 và 0,9-1,0 L/L/phút. Tốc độ tăng thống nuôi. Nếu CO2 được đưa vào hệ thống tại
trưởng của N. oculata đạt 0,22/ngày ở tốc độ sục vị trí 1, từ mật độ ban đầu 20x106 tb/mL, vi tảo
khí 0,6-0,7 L/L/phút, thấp hơn tốc độ sục khí 0,9- N. oculata chỉ đạt mật độ 109x106 tb/mL sau 10
1,0 L/L/phút (0,23/ngày). Tuy nhiên sự khác biệt ngày nuôi (đồ thị 2), tương ứng với tốc độ tăng
này không có ý nghĩa thống kê, cả hai đều cao trưởng 0,17/ngày. Trong khí đó tảo ở hệ thống
khác biệt so với tốc độ tăng trưởng ở tốc độ 0,3- đưa CO2 tại vị trí 2 đạt mật độ 399x106 tb/mL,
0,4 L/L/phút là 0,20/ngày.
tương ứng với tốc độ tăng trưởng cao khác biệt
hơn vị trí 1 là 0,30/ngày.
3.2. Hệ thống ống
Thí nghiệm 2 khảo sát vị trí đưa CO2 vào hệ
Đồ thị 2: Mật độ của N. oculata nuôi ở hệ thống ống ở 2 vị trí CO2 khác nhau
Thí nghiệm 3 vận hành thử hệ thống trên thấp hơn 0,4-0,5m/giây. Tuy nhiên mức độ khác
loài N. oculata ở 3 vận tốc dòng chảy khác nhau biệt về tốc độ tăng trưởng giữa hai vận tốc là
0,2-0,3; 0,4-0,5 và 0,6-0,7 m/giây. Tại vận tốc không có ý nghĩa. Quần thể N. oculata ở vận tốc
cao nhất, quần thể N. oculata đạt mật độ 520x106 chảy thấp nhất (0,2-0,3 m/giây) chỉ đạt mật độ
tb/mL, tương ứng với tốc độ tăng trưởng 0,27/ 81x106 tb/mL vào ngày nuôi thứ 10 và suy tàn
ngày. Mật độ thấp hơn 427x106 tb/mL, tương sau đó (đồ thị 3).
ứng với tốc độ tăng trưởng 0,26/ngày ở vận tốc
TAÏP CHÍ NGHEÀ CAÙ SOÂNG CÖÛU LONG - 1 - THAÙNG 7/2013
78
VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN 2
Đồ thị 3: Mật độ của N. oculata nuôi ở hệ thống ống ở 3 vận tốc dòng chảy khác nhau
IV. THẢO LUẬN
của quần thể tiếp xúc được với ánh sáng và
các chất dinh dưỡng như nhau, tránh sự phân
tầng nhiệt và cải thiện sự trao đổi khí giữa môi
trường nuôi và không khí. Ở hệ thống nuôi
không bổ sung khí CO2, không khí là yếu tố
quan trọng hàng đầu, vꢀ chứa nguồn carbon ở
dạng CO2 phục vụ cho quang hợp. Trường hợp
nuôi ở mật độ cao, CO2 giải phóng ra từ không
khí sẽ sủi bọt làm hạn chế sức sinh trưởng của
tảo (Michels và ctv, 2010). Tuy nhiên, đảo trộn
mạnh sẽ gây ra hiện tượng “shear tress” làm
tổn hại tế bào tảo và mỗi loài tảo có mức độ
chịu đựng khác nhau. Đã có không ít nghiên
cứu để xác định mức độ shear stress cùa từng
loài tảo như Contreras và ctv (1998) trên
Phaeodactylum tricornutum; Garcıa và ctv
(2007) trên Protoceratium reticulatum. Vꢀ vậy,
hệ thống thiết kế sẽ tối ưu khi vận hành nuôi
Để tiếp cận với công nghệ nuôi vi tảo biển
bằng hệ thống kín quang phản ứng sinh học,
nghiên cứu đã chọn kiểu thiết kế của hệ thống
tấm theo Posten (2009), là kiểu thiết kế dễ lắp
đặt nhất. Trên cơ sở nghiên cứu về đường dẫn
ánh sáng trong hệ thống tấm của Richmond và
Zhang (2001), trong khoảng từ 1,3 đến 17cm,
đường dẫn ánh sáng càng ngắn, năng suất tính
theo thể tích (g/L/ngày) càng cao và ngược lại
năng suất tính theo diện tích (g/m2/ngày) càng
thấp; nhưng năng suất (g/m2/ngày) cao nhất ở
hệ thống có đường dẫn ánh sáng 10cm. Thiết kế
trong nghiên cứu này đã ứng dụng thông số về
đường dẫn ánh sáng, hay nói cách khác chiều
rộng của các đơn vị nuôi là 10cm.
Sự đảo nước mạnh là rất cần thiết để ngăn
tảo không bị lắng, đảm bảo tất cả các tế bào
TAÏP CHÍ NGHEÀ CAÙ SOÂNG CÖÛU LONG - 1 - THAÙNG 7/2013
79
VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN 2
một loài tảo nào đó là khi xác định được sự cân 24mm và 30 mm lần lượt theo thiết kế của Lee
bằng giữa mức độ sục khí tối đa và ngưỡng và Low (1991); Borowitzka (1997) và Molina
chịu đựng shear stress của loài tảo đó.
Grima và ctv (1996).
Khi nuôi N. oculata ở hệ thống tấm,
Khác với hệ thống tấm, ở đó sự đảo trộn là
Richmond và Zhang (2001) đã vận hành ở tốc sục khí nên vi tảo nuôi có thể sử dụng carbon
độ sục khí 0,3 L/L/phút , Zou và Richmond từ thành phần CO2 trong không khí, hệ thống
(1999) và Gitelson và ctv (2000) đều ở tốc độ ống là dòng chảy tuần hoàn của nước nuôi,
0,84 L/L culture/min, và các tác giả Alias và ctv nên việc cung cấp CO2 cho quang hợp là điều
(2004) và Wang và ctv (2005) thậm chí đến tốc không thể thiếu. Nhu cầu CO2 cần thiết theo
độ 2,0 L/L/giây.
Posten (2009) là khoảng 1,85 gCO2/g sinh
khối hoặc cao hơn. Nghiên cứu này đã đưa
CO2 tinh khiết vào hệ thống thiết kế tại 2 vị trí
khác nhau như đã mô tả ở phần phương pháp
nghiên cứu.
Hệ thống tấm trong nghiên cứu này với tốc
độ sục khí 0,9-1,0 L/L/phút, loài N. oculata đạt
tốc độ tăng trưởng 0,25/ngày, mật độ 310x106
tb/mL. So với kết quả nghiên cứu trong nước
trước đây, mật độ đạt được cao gấp 6-14 lần,
Công bố của Doucha và ctv (2005) và
cụ thể là mật độ N. oculata chỉ đạt 22x106 Spalding (2008) là lời giải thích cho kết quả
tb/mL khi nuôi sinh khối làm thức ăn cho ấu khác biệt về tốc độ tăng trưởng và mật độ đạt
trùng cá mú đen (Epinephelus coioides) tại được của N. oculata. Để đảm bảo tế bào tảo có
Viện Nghiên cứu Nuôi trồng Thủy sản I (Lê thể sử dụng được nguồn carbon, áp lực nước
Xân và Đỗ Xuân Hải, 2004), 30-50x106 tb/mL nuôi 0,1-0,2 kPa là cần thiết. Tuy hạn chế của
khi nuôi sinh khối làm thức ăn cho ấu trùng nghiên cứu này là chưa đo được áp lực nước
cá măng (Đặng Tố Vân Cầm và ctv, 2009) tại nuôi tại các điểm khác nhau trong suốt vòng
Viện Nghiên cứu Nuôi trồng Thủy sản II. Kết tuần hoàn trong hệ thống ống, nhưng chắn
quả nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Nuôi trồng chắn là áp lực nước trong hệ thống đã thiết kế
Thủy sản III chỉ là bước đầu xây dựng qui trꢀnh sẽ khác nhau do chênh lệch về độ cao và do
lưu giữ và nuôi sinh khối (Nguyễn Thị Xuân đầu bơm hút đẩy gây ra, vị trí 2 sẽ có áp lực
Thu và ctv, 2004). So với kết quả nghiên cứu cao hơn vị trí 1.
ngoài nước, mật độ cao nhất của N. oculata
nuôi trong hệ thống tấm có cùng đường dẫn
ánh sáng là 10cm được công bố là 550x106 tb/
mL khi nuôi ở thể tích 200L cho mỗi đơn vị
nuôi của Richmond và Zhang, (2001) cũng
như Zhang và ctv (2001). Nguyên nhân là do
hệ thống tấm trong nghiên cứu này chưa bổ
sung CO2 so sánh với hệ thống của hai tác giả
nêu trên được bổ sung 1,5% CO2. Hệ thống
tấm có đường dẫn ánh sáng hẹp 1,4cm của Zou
và ctv (2000) cho năng suất lên đến 2,9g trọng
lượng khô/L/ngày.
Đối với việc tối ưu hóa hệ thống ống dẫn,
ngoài việc cung cấp CO2, vận tốc dòng chảy
và trao đổi khí là cực kỳ quan trọng. Theo
Weissman và ctv (1988), việc thải O2 ra khỏi
hệ thống ống còn khó khăn nhiều hơn so với
việc cung cấp CO2. Đối với bất kỳ hệ thống
ống, O2 tạo ra từ quá trꢀnh quang hợp sẽ được
tích tụ trong nước nuôi cho đến khi dòng chảy
đến chỗ trao đổi khí, nơi đó O2 sẽ được tách ra
vào không khí. Vận tốc dòng chảy và tốc độ
thải O2 ra khỏi hệ thống ống có liên quan mật
thiết với nhau (Molina và ctv, 2001). Vꢀ vậy, hệ
Hệ thống ống trong nghiên cứu này được thống ống trong nghiên cứu này, sau khi lắp đặt
lắp đặt bằng ống acrylic Ф60mm. Posten (2009) cũng đã vận hành thử trên loài N. oculata ở 3
và nhiều tác giả khác đã kết luận rằng để đạt vận tốc dòng chảy khác nhau 0,2-0,3; 0,4-0,5
được mật độ cao, đường kính ống càng mỏng và 0,6-0,7 m/giây.
càng tốt, thậm chí đường kính chỉ bằng 12mm,
TAÏP CHÍ NGHEÀ CAÙ SOÂNG CÖÛU LONG - 1 - THAÙNG 7/2013
80
VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN 2
Giải thích nguyên nhân quần thể không tb/mL, tùy thuộc vào đường kính ống (Lubian
đạt được mật độ cực đại và suy tàn tại vận và ctv, 2000).
tốc dòng chảy thấp 0,2-0,3m/giây, là do giá
trị DO của nước nuôi cao, dao động trong
khoảng 350-400 % mức bão hòa, tương ứng
với nồng độ 27-33mg/L. Bởi vꢀ hàm lượng
O2 trên mức bão hòa (0,2247 mol O2/m3 tại
20°C) sẽ ức chế quang hợp của hầu hết các
loài tảo, cho dù hàm lượng CO2 được duy trꢀ ở
mức tối ưu (Aiba, 1982). Thật vậy, Tredici và
ctv (1992) đã dẫn chứng rằng năng suất của
Spirulina được cải thiện rõ rệt khi giảm hàm
lượng O2 hòa tan từ 35mg/L xuống 20mg/L.
Molina và ctv (2001) kết luận rằng hàm lượng
O2 cao kết hợp với cường độ ánh sáng cao sẽ
làm tổn hại tế bào tảo do sự oxi hóa bằng ánh
sáng (photooxidation). Giá trị DO của nước
nuôi ở 2 vận tốc dòng chảy cao hơn, dao động
trong khoảng 120-200%, tương ứng 8-15mg/
L. Giá trị DO tỷ lệ nghịch với vận tốc dòng
chảy. Như vậy, vận tốc dòng chảy lớn hơn có
khuynh hướng tốt hơn cho sinh trưởng của
quần thể tảo, do giảm hàm lượng O2 tích tụ
xuống dưới mức ức chế quang hợp. Tuy nhiên
vận tốc dòng chảy lớn quá giới hạn cho phép
không những giảm sản lượng thu hoạch mà
V. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
1. Tốc độ sục khí trong hệ thống tấm có ảnh
hưởng đến tốc độ tăng trưởng và mật độ cực
đại của loài nuôi thử nghiệm N. oculata. Tốc độ
sục khí 0,3-0,4 L/L/phút là không tối ưu khi so
sánh với 0,6-0,7 và 0,9-1,0 L/L/phút, sự khác
biệt giữa hai tốc độ 0,6-0,7 và 0,9-1,0 L/L/phút
không có ý nghĩa thống kê.
2. Hệ thống tấm đã thiết kế có thể tích 72 lít
cho mỗi đơn vị nuôi, đường dẫn ánh sáng 10cm,
cho mật độ N. oculata 311x106 tb/mL.
3. Vị trí đưa CO2 vào hệ thống và vận tốc
dòng chảy có ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng
và mật độ cực đại của loài nuôi thử nghiệm N.
oculata. Ở vị trí CO2 không phù hợp, quần thể
N. oculata phát triển nhưng không đạt được cực
đại. Ở vận tốc dòng chảy 0,2-0,3 m/giây, quần
thể N. oculata không phát triển và suy tàn. Quần
thể N. oculata đạt cực đại ở mức cao hơn khi
vận tốc dòng chảy cao và nằm giữa hai giá trị
0,4-0,5 và 0,6-0,7 m/giây, tuy nhiên sự khác biệt
là không có ý nghĩa thống kê.
4. Hệ thống ống đã thiết kế có chiều dài
còn làm tổn hại tế bào tảo, như Carlozzi và 34m, thể tích nuôi 85 lít, đường dẫn ánh sáng
Torzillo (1996) đã quan sát khi nuôi Spirulina 6cm, cho mật độ N. oculata 520x106 tb/mL.
trong hệ thống ống với vận tốc dòng chảy
cao (0,97 m/giây). Mới đây, Norsker và ctv
(2011) cũng đã kết luận rằng nồng độ O2 cao
sẽ làm giảm năng suất tảo, và việc loại bỏ khí
O2 là một trong những vấn đề cần nghiên cứu
khi tối ưu hóa hệ thống thiết kế.
5. Cả hai hệ thống tấm và ống đã thiết kế và
lắp đặt rất có tiềm năng để thay thế hoàn toàn
phương pháp nuôi vi tảo biển theo kiểu truyền
thống, chẳng những phục vụ cho ngành nuôi
trồng thủy sản, mà còn có thể phục vụ cho các
ngành công nghiệp khác như nuôi tảo Spirulina
Như vậy với hệ thống ống đã thiết kế, vị trí làm nguồn cung cấp chất dinh dưỡng cho người,
đưa CO2 vào hệ thống tại điểm giữa đầu bơm nuôi các loài vi tảo để ly trích astaxanthin,
và ống ở vị trí thấp nhất, vận tốc dòng chảy DHA, EPA.
0,6-0,7 m/giây, đạt mật độ 520x106 tb/mL. Khi
so sánh với hệ thống ống của Bùi Bá Trung và
LỜI CẢM ƠN
Tác giả chân thành cảm ơn Chương trꢀnh
ctv (2009) bao gồm 10 ống thủy tinh Ф32mm,
Công nghệ sinh học Nông nghiệp, Thủy sản của
chiều dài 1270mm, đạt mật độ 61x106 tb/mL,
Bộ NN & PTNT đã cấp kinh phí, các bạn cộng
mật độ trong nghiên cứu này cao gấp 9 lần và
tác viên của đề tài và Ban lãnh đạo Viện Nghiên
hoàn toàn có thể so sánh với hệ thống ống của
cứu Nuôi Trồng Thủy sản 2 đã tạo mọi điều kiện
các tác giả ngoài nước, đạt mật độ từ 108 đến 109
thuận lợi cho nghiên cứu thành công.
TAÏP CHÍ NGHEÀ CAÙ SOÂNG CÖÛU LONG - 1 - THAÙNG 7/2013
81
VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN 2
Đặng Tố Vân Cầm, Nguyễn Thị Kim Vân, Trần Kim
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Đồng, Nguyễn Hữu Thanh, Nguyễn Xuân Toản,
Lâm Văn Đức, 2009. Công nghệ sinh sản nhân tạo
cá măng (Chanos chanos, Forskal 1775). Tuyển
tập nghề cá sông Cửu Long, 133-143.
Abu-Rezq, T.S., Al-Musallam, L., Al-Shimmari, J.,
Dias, P., 1999. Optimum production conditions for
different high-quality marine algae. Hydrobiologia
403, 97-107.
Doucha, J., Straka, F., Livansky, K., 2005. Utilization
of flue gas for cultivation of microalgae (Chlorella
sp.) in an outdoor open thin-layer photobioreactor.
J. Appl. Phycol. 17(5), 403-412.
Aiba, S., 1982. Growth kinetics of photosynthetic
microorganisms. Adv. Biochem. Eng, 23, 85-
156.
Alias, C.B., Lopez, M.C.G.M., Acien Fernandez,
F.G.A., Sevilla, J.M.G. , Sanchez, J.L.G., Grima,
E.M., 2004. Influence of power supply in the
feasibility of Phaeodactylum tricornutum cultures.
Biotechnol. Bioeng, 87(6), 723-733.
Garcıa, C.F., Gallardo, R.J.J., Sanchez, M.A., Ceron,
G.M.C., Belarbi, E.H., Molina Grima, E., 2007.
Determination of shear stress thresholds in toxic
dinoflagellates cultured in shaken flasks. Process
Biochem. 42, 1506-1515.
Borowitzka, M.A., 1997. Microalgae for aquaculture:
opportunities and constraints. J. Appl. Phycol, 9,
393-401.
Gitelson, A.A., Grits, Y.A., Etzion, D., Ning, Z.,
Richmond, A., 2000. Optical properties of
Nannochloropsis sp and their application to
remote estimation of cell mass. Biotechnol.
Bioeng. 69(5), 516-525.
Brown, M., Robert, R., 2002. Preparation and
assessment of microalgal concentrates as feeds
for larval and juvenile Pacific oyster (Crassostrea
gigas). Aquaculture 207, 289-309.
Guillard, R.R.L., Ryther, J.H., 1962. Studies on marine
planktonic diatoms. Gran. Can. J. Microbiol. 8,
229-239.
Bùi Bá Trung, Hoàng Thị Bích Mai, Nguyễn Hữu
Dũng, Cái Ngọc Bảo Anh, 2009. Ảnh hưởng
của mật độ ban đầu và tỷ lệ thu hoạch lên sinh
trưởng vi tảo Nannochloropsis oculata nuôi
trong hệ thống ống dẫn trong suốt nước chảy
liên tục. Tạp chí Khoa học-Công nghệ Thủy
sản, số 1/2009.
Korstad, J., Neyts, A., Danielsen, T., Overrein, I.,
Olsen, Y., 1995. Use of swimming speed and
egg ratio as predictors of the status of rotifer
cultures in aquaculture. Hydrobiologia 313/314,
395-398.
Le Xan, Do Xuan Hai, 2004. Effect of temperature,
salinity and stocking density on development
of mass culture of Isochrysis galbana and
Nannochloropsis oculata for breeding. Increasing
aquaculture productivity.
Carlozzi, P., Torzillo, G., 1996. Productivity of
Spirulina in a strongly curved outdoor tubular
photobioreactor. Appl. Microbiol. Biotech. 45,
18-23.
Chini Zittelli, G., Lavista, F., Bastianini,A., Rodolfi, L.,
Vincenzini, M., Tredici M.R., 1999. Production
of eicosapentaenoic acid by Nannochloropsis sp.
cultures in outdoor tubular photobioreactors. J.
Biotech. 70, 299-312.
Lee, Y.K., Low, C.S. ,1991. Effect of photobioreactor
inclination on the biomass productivity of an
outdoor algal culture. Biotechnol. Bioeng. 38,
995-1000.
Lubian, L.M., Montero, O., Moreno-Garrido,
I., Emma Huertas, I., Sobrino, C., 2000.
Chini Zittelli, G., Pastorelli, R., Tredici M.R., 2000.
A modular flat panel photobioreactor (MFPP) for
indoor mass cultivation of Nannochloropsis sp.
under artificial illumination. J. Appl. Phycol. 12,
521-526.
Nannochloropsis
(Eustigmatophyceae)
as
source of commercially valuable pigments. J.
Appl. Phycol. 12, 249-255.
Michels, M.H.A., Goot, A.G., Norsker, N.H., Wijffels,
R.H., 2010. Effects of shear stress on the
microalgae Chaetoceros muelleri. Bioprocess.
Biosyst. Eng. 33, 921-927.
Chini Zittelli, G., Rodolfi, L., Tredici, M.R., 2003.
Mass cultivation of Nannochloropsis sp. in
annular reactors. J. Appl. Phycol. 15, 107-114.
Contreras, A., Garcıa, F., Molina, E., Merchuk, J.C.,
1998. Interaction between CO2-mass transfer,
light availability, and hydrodynamic stress
in the growth of Phaeodactylum tricornutum
in a concentric tube airlift photobioreactor”.
Biotechnol. Bioeng. 60, 17-325.
Molina Grima, E., Sanchez Perez, J.A., Garcia
Camacho, F., Fernandez Sevilla, J.M., Acien
Fernandez, F.G., 1996. Productivity analysis
of outdoor chemostat cultures in tubular airlift
photobioreactors. J. Appl. Phycol. 8, 369-380.
Molina Grima, E., Fernandez, J., Acien, F.G., Chisti,
TAÏP CHÍ NGHEÀ CAÙ SOÂNG CÖÛU LONG - 1 - THAÙNG 7/2013
82
VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN 2
Y., 2001. Tubular photobioreactor design for algal
cultures. J. Biotech. 92, 113-131.
Spalding, M.H. , 2008. Microalgal carbon-dioxide-
concentrating mechanisms: Chlamydomonas
inorganic carbon transporters. J. Exp. Bot, 59,
1463-1473.
Muller-Feuga, A., 2004. Microalgae for aquaculture.
The current global situation and future trends,
352-364.
Tredici, M.R., Zitelli, G.C., Biagiolini, S. , 1992.
Influence of turbulence and areal density on the
productivity of Spirulina platensis grown outdoor
in a vertical alveolar panel. In: First European
Workshop on Microalgal Biotechnology, 58-60.
Nguyễn Thị Xuân Thu, Nguyễn Thị Bích Ngọc và
Nguyễn Thị Hương, 2004. Tꢀnh hꢀnh sử dụng tảo
đơn bào làm thức ăn cho động vật thủy sản.
Norsker, N.H., Barbosa, M.J., Vermuë, M.H., Wijffels,
R.H., 2011. Microalgal production - A close look
at the economics. Biotech. Adv. 29, 24-27.
Wang, C.H., Sun, Y.Y., Xing, R.L., Sun, L.Q. , 2005.
Effect of liquid circulation velocity and cell
density on the growth of Parietochloris incisa in
flat plate photobioreactors. Biotechnol. Bioproc.
Eng. 10(2), 103-108.
Posten, C., 2009. Designprinciplesofphoto-bioreactors
for cultivation of microalgae. Eng. Life Sci. 9 (3),
165-177.
Zhang, C.W., Zmora, O., Kopel, R., Richmond, A. ,
2001. An industrial-size flat plate glass reactor
for mass production of Nannochloropis sp.
(Eustigmatophyceae). Aquaculture 195, 35-49.
Pulz, O., 2001. Photobioreactors: production systems
for
phototrophic
microorganisms.
Appl.
Microbiol. Biotech, 57, 287-293.
Richmond, A., 2000. Microalgal biotechnology at the
turn of the millennium: a personal view. J. Appl.
Phycol. 12, 441-451.
Zou N., Zhang C.W., Cohen Z. and RichmondA. , 2000.
Production of cell mass and eicosapentaenoic
acid (EPA) in ultrahigh cell density cultures of
Nannochloropsis sp. (Eustigmatophyceae). Eur. J.
Phycol, 35, 127-133.
Richmond, A., Zhang, C.W., 2001. Optimization of
a flat plate glass reactor for mass production of
Nannochloropsis sp. outdoors. J. Biotech, 85,
259-269.
DESIGNING AND OPERATING PHOTOBIOREACTOR
FOR INTENSIVE CULTURE OF MARINE MICROALGAE
Dang To Van Cam1, Trinh Trung Phi1, Dieu Pham Hoang Vy1,
Le Thanh Huan1, DangThi Nguyen Nhan1, Tran Thi Tuyet Lan2
ABSTRACT
Two different types of photobioreactor were designed at the National Breeding Center for Southern
Marine Aquaculture, Research Institure for Aquaculture No.2. Flat plate glass reactor has a volume
of 72L with a light-path of 10cm, this type of photobioreactor were produced in twelve units. Tubu-
lar photobioreactor made of acrylic pipe 60cm in diameter has a volume of 85L and was produced
in six units. Both of the designed systems were experimentally operated on a marine microalgae
species, Nannochloropsis oculata, in order to optimize the designs. The flat plate glass reactor was
optimized at air flow rate of 0.9-1.0 L/L/min, obtaining the density of N. oculata at 311x106 cells/
mL. The tubular photobioreactor was optimized at position of CO2 injection between the pump
and lowest pipe and liquid velocity at 0.6-0.7m/s, obtaining the density of N. oculata at 520x106
TAÏP CHÍ NGHEÀ CAÙ SOÂNG CÖÛU LONG - 1 - THAÙNG 7/2013
83
VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN 2
cells/mL. The results show that it is potential to use the designed systems for intensive culture of
N.oculata in particular and marine microalgae in general for a high quality marine seed production.
Key words: Flat plate glass reactor; Nannochloropsis oculata; photobioreactor; tubular photobioreactor
N g ư ờ i p h ả n b i ệ n : T S . N g u y ễ n T h ị N g ọ c T ĩ n h
N g à y n h ậ n b à i : 1 0 / 6 / 2 0 1 3
N g à y t h ô n g q u a p h ả n b i ệ n : 2 4 / 6 / 2 0 1 3
Ngày duyệt đăng: 8/7/2013
1
2
National Breeding Center for Southern Marine Aquaculture, Research Institute for Aquaculture No.2
Email: [email protected]
Directorate of Fisheries
TAÏP CHÍ NGHEÀ CAÙ SOÂNG CÖÛU LONG - 1 - THAÙNG 7/2013
84
12 trang
16620
Free
Bạn đang xem tài liệu "Thiết kế và vận hành hệ thống kín quang phản ứng sinh học để nuôi thâm canh vi tảo biển", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- thiet_ke_va_van_hanh_he_thong_kin_quang_phan_ung_sinh_hoc_de.pdf
