ỨNG DỤNG VI TẢO TRONG SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC

Bộ Công Thương
Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm TP. HCM
Khoa Công Nghệ Sinh Học - Kỹ Thuật Môi Trường

GVHD: Nguyễn Thị Quỳnh Mai
Danh sách thành viên:
Bùi Thị Thanh Lan
2008100017
Võ Chí Khang
2008100319
Huỳnh Lâm Trúc Phương 2008100322
Phạm Thị Thu Xuyến
2008100202
Nhóm: 13 Lớp: 01DHSH1


14-12-2011

2


Mục lục
1)Lời mở đầu...................................................................................................................... 5
2)Nội dung:......................................................................................................................... 6
2.1) Giới thiệu:........................................................................................................... 6
2.2) Dầu diesel và biodiesel:......................................................................................6
2.3)Những ưu điểm của vi tảo trong việc lấy sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học:.8
2.4)Các loài tảo dùng sản xuất nhiên liệu sinh học:.................................................10
2.5) Năng suất lipid và ảnh hưởng của môi trường lên sự tích lũy lipid của một số
loài vi tảo:................................................................................................................. 11
2.5.1)Các loại vi tảo có chứa nhiều lipid:.........................................................11

2.5.2.1)Yếu tố nhiệt độ:.............................................................................13
2.5.2.2)Yếu tố thành phần môi trường:.....................................................14
2.5.2.2.1) Thành phần carbon:..................................................................14
2.5.2.2.2) Thành phần Nitrogen:................................................................16
2.6) Ứng dụng nuôi cấy tảo Nannochloropsis oculata trong sản xuất biodiesel:......17
2.6.1) Giới thiệu:.............................................................................................17
2.6.2) Đặc điểm hình thái:...............................................................................18
2.6.3) Đặc điểm sinh lý:...................................................................................18
2.6.4) Đặc điểm sinh hóa:...............................................................................18
2.7) Quá trình nuôi cấy, thu sinh khối và chiết suấy dầu từ vi tảo sản xuất biodiesel:
................................................................................................................................ 19
2.7.1 ) Các mô hình nuôi sinh khối vi tảo........................................................19
2.7.1.1) Raceway Pond:..................................................................................19
2.7.1.2) Bể phản ứng quang sinh học (photobioreactor)...........................20
2.7.1.3) Sự khác nhau giữa 2 mô hình nuôi sinh khối vi tảo:.....................23
2.7.2) Thu hoạch:............................................................................................24
2.7.2.1) Keo tụ:..........................................................................................24
2.7.2.2) Lọc:..............................................................................................25
2.7.2.3) Ly tâm:.........................................................................................25

3


2.7.2.4) Tách lớp:......................................................................................25
2.7.3) Khai thác dầu tảo:.................................................................................25
2.8) Các ứng dụng khác của vi tảo:.........................................................................27
3) Kết luận:....................................................................................................................... 29
4) Tài liệu tham thảo......................................................................................................... 30

4

1)Lời mở đầu
Gần đây, con người đang quan tâm đến hai vấn đề quan trọng, đó là môi
trườ ng và sự khủng hoảng năng lượng. Đối với môi trường, sự nóng dần lên của trái
đất chính là tâm điểm. Mọi người đều biết rằng sử dụng nhiên liệu hóa thạch chính
là nguyên nhân gây ra sự nóng dần lên của toàn cầu, vì vậy nguồn năng lượng
sạch và có khả năng tái sinh sản xuất từ sinh khối nhằm thay thế cho nhiên liệu hóa
thạch là rất cấp thiết để giảm thải CO 2. Ngoài ra, sự khủng hoảng năng lượng khiến
cho giá dầu thô trên thế giới ngày càng tăng, ảnh hưởng đến tình hình năng
lượng sử dụng trong gia đình cũng như trong khu vực
Xét trên lĩnh vực môi trường, giao thông vận tải và sản xuất công
nghiệp là những nguồn thải chủ yếu của con người. Chính những hoạt động
này đã gây ra hiện tượng nóng dần lên của Trái Đất.
Chính sự nóng dần lên của trái đất đã, đang và sẽ tiếp tục ảnh hưởng đến nhiều
khía cạnh khác nhau của đời sống nhân loại và môi trường trên toàn cầu, chúng ta
cần không phải chỉ riêng lẻ một mà là một loạt các giải pháp để có thể cải thiện và
khắc phục vấn đề bức bách này.
Xét trên lĩnh vực khủng hoảng năng lượng, sự sụt giảm nguồn nguyên liệu dầu
thô dự trữ và những khó khăn trong việc trích ly và tinh luyện chúng dẫn đến sự
gia tăng về giá thành. Đây thực sự là những trở ngại lớn đối với vấn đề giao thông,
vận tải, vì cho tới hiện nay vẫn chưa tìm ra được nguồn nguyên liệu nào có thể thay
thế cho nguồn nguyên liệu hóa thạch với giá thành tương đương. Tìm kiếm những
nguồn nguyên liệu sạch và có khả năng tái sinh là một trong những vấn đề thách
thức nhất mà con người đang phải đối mặt trong hiện tại lẫn về lâu dài. Đây là vấn
đề liên quan mật thiết với sự phát triển kinh tế và sự thịnh vượ ng cũng như chất
lượ ng cuộc sống, sự bền vững toàn cầu do đó đòi hỏi các nhà đầu tư phải có những
quyết định lâu bền và những giải pháp dài hạn.
Hiện nay, nhiều lựa chọn đang được nghiên cứu và đưa vào thực nghiệm, đã
đạt được những mức độ thành công khác nhau trong các giai đoạn nghiên cứu và

thực nghiệm khác nhau, bao gồm các nguồn năng lượng như năng lượ ng mặt trờ i,
thủy điện, địa nhiệt, gió, nhiên liệu sinh học, cùng những loại khác. Mỗi loại đều có
những ưu điểm cũng như những khuyết điểm khác nhau. Mục tiêu quan trọng đó là
giảm thiểu các khí thải từ các phương tiện chuyên chở, như là thay thế dần từng
bước một nguồn nguyên liệu hóa thạch bằng những nguồn nguyên liệu tái sinh,
trong đó nhiên liệu sinh học được xem là một cộng tác viên thực sự để đạt được
những mục tiêu đó. Đặc biệt, việc sử dụng vi tảo nhằm sản xuất nhiên liệu sinh học
chính là mục tiêu mà chúng ta đang nhắm tới trong tương lai gần

5


2)Nội dung:
2.1) Giới thiệu:
Nhiên liệu sinh học là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có
nguồn gốc động thực vật, là một loại nhiên liệu sạch ít gây ô nhiễm môi trường hơn
so với nhiên liệu truyền thống. Trước đây, nguồn cung cấp cho việc sử dụng sản
xuất nhiên liệu sinh học chủ yếu là thực vật chủ yếu là các cây họ dầu. Tuy nhiên,
điều này gặp phải nhiều hạn chế. Vì dầu thực vật cũng là nguồn tiêu thụ của con
người. Vì vậy việc sử dụng dầu thực vật sản xuất nhiên liệu sinh học có thể làm cho
giá thành dầu thực vật dùng trong thực phẩm tăng cao, từ đó dẫn đến giá thành
nhiên liệu sinh học cao và người tiêu dùng hạn chế sử dụng nhiên liệu sinh học.
Hai dạng nhiên liệu sinh học phổ biến nhất đó là biodiesel và bio-ethanol, là
hai dạng nhiên liệu tương ứng có thể thay thế được cho diesel và gasoline mà không
cần cải tiến nhiều hoặc không cần cải tiến động cơ các phương tiện giaothông cũng
như máy móc sản xuất. Chúng được sản xuất chủ yếu từ sinh khối hay các nguồn
năng lượng tái sinh khác và góp phần giảm thiểu khí thải từ việc đốt cháy nhiên liệu
so với nhiên liệu hóa thạch. So với bio-ethanol thì biodiesel có nhiều ưu điểm hơn
Dầu thực vật được sử dụng trong nhiều mục đích thương mại và khả năng cung
ứng dầu thực vật cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học thì không thể đáp ứng nổi

lượng tiêu thụ nhiên liệu sinh học trên một khu vực. Hơn nữa, việc các nước mở
rộng diện tích canh tác cây họ dầu nên làm diện tích đất trồng cây lương thực bị thu
hẹp.Điều này dẫn đến tình trạng thiếu lương thực trên thế giới và cũng góp phần
làm cho giá lương thực tăng cao. Việc phát hiện và sử dụng vi tảo làm nguồn sản
xuất nhiên liệu sinh học đã giúp khắc phục các hạn chế trên

2.2) Dầu diesel và biodiesel:
Dầu diesel là một loại nhiên liệu lỏng, sản phẩm tinh chế từ dầu mỏ có thành
phần chưng cất nằm giữa dầu hoả (kesosene) và dầu bôi trơn (lubricating oil).
Chúng thường có nhiệt độ bốc hơi từ 175 đến 3700C. Các nhiên liệu Diesel nặng
hơn, với nhiệt độ bốc hơi 315 đến 4250C còn gọi là dầu ma dút.
Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu
dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay mở
động vật. Diesel sinh học nói riêng, hay nhiên liệu sinh học nói chung, là một loại
năng lượng tái táo. Theo phương diện hóa học thì diesel sinh học là methyl este của
những axít béo.
Để sản xuất diesel sinh học người ta pha khoảng 10% mêtanol vào dầu thực
vật và dùng nhiều chất xúc tác khác nhau (đặc biệt là hiđrôxít kali, hiđrôxít natri và
các ancolat). Ở áp suất thông thường, nhiệt độ vào khoảng 60 °C liên kết este của

6


glyxêrin trong dầu thực vật bị phá hủy và các axít béo sẽ được este hóa với mêtanol.
Chất glyxêrin hình thành phải được tách ra khỏi dầu diesel sinh học sau đấy.
Thông qua việc chuyển đổi este này dầu diesel sinh học có độ nhớt ít hơn dầu
thực vật rất nhiều và có thể được dùng làm nhiên liệu thay thế cho dầu diesel mà
không cần phải cải biến động cơ để phù hợp.
Nguồn dầu được sự dụng để tạo Bidiesel có chứa nhóm chức Triglyceride gồm
3 phân tử acid béo là este với 1 phân tử glycerol. Trong việc tạo ra dầu,

Tryglyceride sẽ phản ứng với methanol trong 1 phản ứng este hoá hoặc rượu hoá.
Phản ứng este hoá sẽ cho ra sản phẩm là các methyl este của acid béo, đó chính là
Bidiesel và Glycerol. Phản ứng sẽ xảy ra qua các bước: Tryglyceride đầu tiên được
chuyển hoá thành Diglyceride, sau đó chuyển thành dạng Mono và cuối cùng là
Glycerol.

Hình 2.1: Phản ứng este hóa
Quá trình chuyển hoá yêu cầu 3 mol alcohol cho mỗi mol cho mỗi mol
Tryglyceride để sản xuất 1 mol glycerol và 3 mol Methyl este (Bidiesel). Phản ứng
chuyển đổi được xúc tác bởi acid, kiềm và enzyme lypase. Phản ứng este hoá được
xúc tác bởi kiềm sẽ nhanh hơn 4000 lần so với phản ứng được xúc tác bởi acid. Các
loại kiềm như NaOH và KOH thường được sử dụng như là những chất xúc tác có
tính thương mại với khối lượng sử dụng chỉ bằng 1% lượng dầu. Các chất kiềm ví
dụ như Natri methoxide sẽ xúc tác tốt hơn KOH và ngày càng được sử dụng rộng
rãi. Việc sử dụng enzyme lypase là một bước tiến quan trọng nhưng hiện nay không
khả dụng vì tạo ra sản phẩm có giá thành cao. Các phản ứng xúc tác bởi kiềm được
thực hiện ở 600C dưới áp suất khí quyển. Nếu đáp ứng đủ các điều kiện trên, phản
ứng tạo ra Biodisel chỉ cần 90 phút để hoàn thành. Để ngăn chặn việc mất sản lượng
trong suốt phản ứng, dầu và alcol phải được sấy khô, không những vậy, dầu còn
phải có lượng acid béo tự do thấp nhất. Biodiesel có thể được thu hồi bằng cách rửa
lại với nước để loại bỏ Glycerol và Methanol
Về mặt kỹ thuật:
 Có chỉ số cetan cao hơn Diesel.

7


 Biodisel rất linh động có thể trộn với diesel theo bất kì tỉ lệ nào.
 Biodiesel có điểm chớp cháy cao hơn diesel, đốt cháy hoàn toàn, an
toàntrong tồn chứa và sử dụng.

 Biodiesel có tính bôi trơn tốt. Ngày nay để hạn chế lượng SOx thải ra
không khí, người ta hạn chế tối đa lượng S trong dầu Diesel. Nhưng chính
những hợp chất lưu huỳnh lại là những tác nhân giảm ma sát của dầu Diesel.
Do vậy dầu Diesel có tính bôi trơn không tốt và đòi hỏi việc sử dụng thêm các
chất phụ gia để tăng tính bôi trơn. Trong thành phần của Biodiesel có chứa
Oxi. Cũng giống như S, O có tác dụng giảm ma sát. Cho nên Biodiesel có tính
bôi trơn tốt.
 Do có tính năng tượng tự như dầu Diesel nên nhìn chung khi sử dụng
không cần cải thiện bất kì chi tiết nào của động cơ (riêng đối với các hệ thống
ống dẫn, bồn chứa làm bằng nhựa ta phải thay bằng vật liệu kim loại)
2.3)Những ưu điểm của vi tảo trong việc lấy sinh khối sản xuất nhiên
liệu sinh học:
 Tảo được xem là các cơ thể sống có khả năng thu nhận năng lượng mặt trời
để tạo ra các hợp chất hữu cơ rất hiệu quả.
 Tảo được xếp vào loài thực vật không có hệ mạch dẫn, đa phần đều thiếu cơ
quan sinh sản phức tạp.
 Vi tảo dễ dàng nuôi cấy để sản xuất một số hợp chất đặc thù chọn lọc, có giá trị
kinh tế với nồng độ cao như protein, carbohydrate, lipid và các sắc tố dựa
vào các điều kiện sinh trưởng đa dạng. Từ đó có thể tối ưu hóa môi trường để
thu được sinh khối với hàm lượng lipid cao.
 Vi tảo thuộc vào nhóm vi sinh vật sinh sản theo chu kỳ phân đôi tế bào.
 Vi tảo có thể sống được ở môi trường nước biển, nước lợ hoặc nước ngọt.
Mặc dù vi tảo sống trong môi trường nước, nhưng không đòi hỏi cần nhiều
nước như các loại cây trồng khác. Mặt khác, vi tảo cũng có thể thích nghi với
môi trường nước thải, do đó không cần thiết phải tốn chi phí sử dụng nước
sạch.
 Hệ thống sản xuất sinh khối tảo dễ dàng thích nghi ở các quy mô và kỹ thuật
khác nhau.
 Việc nuôi thu sinh khối vi tảo không đòi hỏi nhiều diện tích như khi trồng
các loại cây lấy dầu khác, và năng suất sinh khối vi tảo cũng không phụ

thuộc vào thời tiết hay ảnh hưởng của môi trườ ng. Biodiesel sản xuất từ vi
tảo không làm ảnh hưởng đến việc sản xuất thực phẩm và các sản phẩm khác
từ thực vật.
 Vi tảo có mức độ sinh trưởng rất nhanh, chu kỳ sinh trưởng hoàn tất chỉ
trong vài ngày, và có rất nhiều loài tảo chứa nhiều dầu, năng suất dầu trên
mỗi đơn vị nuôi cấy vi tảo có thể cao vượt trội hơn so với năng suất dầu của
8


cây có hạt chứa hàm lượng dầu nhiều nhất. Thông thường các loài vi tảo có
hàm lượng dầu vào khoảng 20-50%.
Ví dụ: Loài tảo Chlorella
protothecoides khi nuôi theo phương
thức dị dưỡng có thể tích lũy lipid đạt
55% khối lượng khô của tế bào sau 144h
nuôi cấy trong môi trường có bổ sung bột
cao ngô trong fermenter.
Hình 2.2: Tảo Chlorella protothecoides

 Sản xuất sinh khối vi tảo có thể được xem là một phương pháp cố định trực
tiếp khí thải CO2 vì vi tảo sử dụng CO2 như nguồn Carbon nhờ khả năng quang
hợp (1kg sinh khối khô đòi hỏi cần có 1.8kg CO2).
 Nuôi cấy vi tảo không cần dùng các loại thuốc xịt cỏ hay thuốc trừ sâu.
 Các phần sinh khối vi tảo còn dư lại sau quá trình trích ly dầu có thể được
dùng như nguồn thức ăn cho gia súc, hoặc làm phân bón, hoặc qua quá trình
lên men tạo các sản phẩm ethanol hay methane.
 Toàn bộ quá trình từ việc nuôi thu sinh khối có hàm lượng lipid cao đến sản
xuất nhiên liệu sinh học từ dầu vi tảo đều đã được nghiên cứu. Ở điều kiện
phòng thí nghiệm, hàm lượng lipid lý tưởng có thể đạt tới 56-60% trên tổng
sinh khối khô nhờ vào kỹ thuật di truyền hoặc kỹ thuật nuôi dị dưỡng. Những

tiến bộ kỹ thuật cho thấy rằng trong tương lai việc sản xuất nhiên liệu sinh
học từ vi tảo có thể được thực hiện trên quy mô công nghiệp.

Nguồn

Hàm
Đất sử
Năng
lượng dầu
dụng
suất lipid
(% khối
( m2.năm/k
(L dầu
lượng sinh
g
ha/năm)
khối)
biodiesel)
44
172
66
33
363
31
41
974
12
36
5366

2
30
58700
0.2

Năng suất
biodiesel
(kg
biodiesel/h
a năm
152
321
862
4747
51927

Bắp (Zea may L.)
Gai dầu (Cannabis sativa L.)
Cải dầu (Brassica napus L.)
Cọ dầu ( Elaeis guineensis)
Vi tảo ( lượng dầu thấp)
Vi tảo ( lượng dầu trung
50
97800
0.1
86515
bình)
Vi tảo (lượng dầu cao)
70
136900

0.1
121104
 Thực tế, vi tảo có hiệu suất dầu cao nhất trong số các cây trồng lấy dầu
đa dạng khác. Có thể so sánh hiệu suất nuôi trồngvi tảo với việc khai thác
các nguồn sinh khối khác qua bảng số liệu sau:
Bảng 2.1: So sánh vi tảo với các nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel khác

9


2.4)Các loài tảo dùng sản xuất nhiên liệu sinh học:

Hình 2.3: Tảo Chlorella cho dầu có màu vàng sậm, năng suất
chuyển đổi dầu thành biodiesel là 97% sau 2 giờ phản ứng.

Hình 2.4: Tảo Botryococcus braunii
Hình 2.5: Neochloris oleabundans (tảo nước
chứa 86% hydrocarbons cuả trọng
ngọt) thuộc lớp tảo lục (Chlorophyceae) có hàm
lượng chất khô, có thể biến chế thành lượng dầu cao (29 %).
ethanol.

10


Hình 2.6: Bacilliarophy thuộc lớp diatom chứa nhiều dầu và chất béo trên
30%.

Hình 2.7:Scenedesmus dimorphus thuộc lớp
Hình 2.8:Pleurochrysis

Chlorophyceae. Khi phát triển trong môi trường thiếu
carterae thuộc lớp
nitơ thì hàm lượng dầu có thể tăng đến (~50%).
Haptophyta.
Tất cả các tảo trên được gọi chung là “vi tảo” (Microalgae)
Ngoài ra, còn một số các loài tảo chứa hàm lượng dầu đáng kể hiện đang được
nghiên cứu để sản xuất nhiên liệu sinh học như:
• Nhóm tảo phù du - phytoplankton – có hàm lượng chất béo rất lớn.
• Nannochloris còn gọi là Nannochloropis sinh sống ở vùng biển mặn.
Nhiều loài khuê tảo và lục tảo khác…

2.5) Năng suất lipid và ảnh hưởng của môi trường lên sự tích lũy lipid
của một số loài vi tảo:
2.5.1)Các loại vi tảo có chứa nhiều lipid:
Một số loài vi tảo có thể tích lũy lipid đạt đến 75% (w/w) sinh khối khô nhưng
năng suất thấp, như là Botryococcus braunii. Một số loài vi tảo khác rất phổ biến cho
việc sản xuất lipid đó là Chlorella, Crypthecodinium, Cylindrotheca, Dunaliella,
Isochrysis, Nannnochloris, Nannochloropsis, Neochloris, Nitzschia, Phaeodactylum,
Porphyridum, Schizochytrium, Tetraselmis vì có năng suất sinh khối cao nên năng
suất lipid cao hơn nhiều mặc dù hàm lượng lipid chỉ đạt từ20-50% sinh khối khô.
11


Ngoài ra, thành phần lipid trong tế bào vi tảo cũng khác nhau tùy theo chủng
loại. Đây thực sự cũng là một điểm đáng lưu ý khi lựa chọn các loài vi tảo vì sẽ ảnh
hưởng đáng kể đến đặc tính của biodiesel đượ c sản xuất từ lipid của chúng. Thành
phần lipid trong vi tảo gồm có các acid béo bão hòa và chưa bão hòa, chứa 12-22
nguyên tử carbon.

12

Bảng 2.2: Hàm lượng và năng suất lipid của các loài tảo khác nhau
Các loài vi tảo nước mặm Hàm lượng lipid Sinh khối khô
và nước ngọt
(% sinh khối (g/L/ngày)
khô)
Chlorella emersonii
25.0-63.0
0.036-0.041
Chlorella sorokiniana
19.0-22.0
0.23-1.47
Chlorella sp.
10.0-48.0
0.02-2.5
Nannochloropsis oculata
22.7-29.7
0.37-0.48
Scenedesmus sp.
9.6-21.1
0.03-0.26
Tetraselmis suecica
8.5-23.0
0.12-0.32
Tetraselmis sp.
12.6-14.7
0.30

Năng

suất
lipid
(mg/L/ngày)
10.3-50.0
44.7
42.1
84.0-142.0
40.8-53.9
27.0-36.4
43.4

Năng suất dầu của vi tảo là khối lượng dầu được sản xuất trên mỗi đơn vị
thể tích canh trườ ng vi tảo mỗi ngày, phụ thuộc vào mức độ sinh trưở ng của tảo và
hàm lượ ng lipid có trong sinh khối. Hàm lượng và đặc tính của lipid trong tế bào vi
tảo rất đa dạng, tùy thuộc vào sự thay đổi của điều kiện sinh trưởng (như nhiệt độ và
cường độ chiếu sáng) hay thành phần dinh dưỡng trong môi trường nuôi cấy (như
nồng độ nitrogen, phosphate và sắt)
2.5.2.1)Yếu tố nhiệt độ:
Nhiệt độ ảnh hưở ng sâu sắc đến sự sinh trưởng và sự tích lũy các thành phần
hóa sinh trong tế bào vi tảo, đặc biệt là sự tích lũy lipid và sự thay đổi thành phần lipid
nội bào.
Ví dụ: Chlorella vulgaristrong thí nghiệm của Attilio và các cộng sự: loài vi tảo
này được nuôi trong môi trường cơ bản Bold, sử dụng CO 2 có sẵn trong không khí
(khoảng 300ppm) và NaNO3 là những nguồn cung cấp carbon và nitrogen duy nhất
trong suốt quá trình thí nghiệm, nuôi cấy theo phương thức quang tự dưỡng trong 14
ngày dưới ánh sáng liên tục có cường độ 7 0 µ E / m 2s, ở các nhiệt độ 25, 30, 35 và
380C. Sự sinh trưởng của C. Vulgaris bị ảnh hưởng mạnh mẽ khi nhiệt độ trên 300C.
Ở 350C, loài vi tảo này bắt đầu bị ức chế, cụ thể là mức độ sinh trưởng đặc trưng đã
giảm 17% so với ở 300C. Khi tăng nhiệt độ lên cao hơn nữa (38 0C), sự sinh trưởng
của C. Vulgaris bị ngừng đột ngột, sau đó các tế bào vi tảo bị chết. Điều này rất dễ

nhận biết vì các tế bào sẽ thay đổi màu sắc, chuyển từ màu xanh sang màu nâu, và mức
độ sinh trưởng của tế bào vi tảo có kết quả là số âm.
Khi nhiệt độ sinh trưởng giảm từ 300C xuống còn 250C thì hàm lượng lipid
trong tế bào C. Vulgaris tăng, từ 5.9 lên 14.7%, trong khi đó mức độ sinh trưởng vẫn
duy trì không đổi. Kết quả năng suất lipid đã tăng từ 8 lên đến 20mg/L.ngày

13


Bảng 2.3: Sự sinh trưởng và sản xuất lipid củaC. Vulgaris tại các nhiệt độ khác
nhau
Nhiệt độ
(0C)
25
30
35
38

µ − Tốc độ sinh
trưởng đặc trưng
(1/ngày)
0.14 ± 0.00
0.14 ± 0.00
0.12 ± 0.01
-0.01 ± 0.01

Sản lượ ng lipid
(glipid /100g s i nh kh ối khô)
14.71 ± 0.30
5.90 ± 0.42

5.60 ± 0.59
11.32 ± 0.20

Năng suất lipid
(mglipid /L.ngày)
20.22 ± 0.60
8.16 ± 0.65
8.21 ± 0.17
-2.72 ± 1.62

Nhiệt độ có một tầm tác động đáng kể trong quá trình nuôi cấy các loài vi tảo.
Mỗi loài vi tảo thích ứng với một ngưỡng nhiệt độ nhất định và ở các nhiệt độ khác
nhau thì thành phần hóa sinh trong tế bào là khác nhau. Ngoài ra, việc lựa chọn
nhiệt độ phù hợp cho sự sinh trưởng và tích lũy lipid khi nuôi cấy vi tảo nhẳm sản
xuất biodiesel là rất quan trọng.
2.5.2.2)Yếu tố thành phần môi trường:
Hàm lượng lipid trong vi tảo có thể tăng lên dưới các điều kiện nuôi cấy khác
nhau như sự thiếu hụt nitrogen, cường độ chiếu sáng mạnh, nhiệt độ thấp, nồng độ
muối cao, và nồng độ sắt cao. Dưới các điều kiện kích thích, nhiều loài vi tảo có
thể đáp ứng bằng cách gia tăng hàm lượng lipid, thông thường từ 30% tới 60% (w/w)
tế bào khô
2.5.2.2.1) Thành phần carbon:
Cả hai loại nguồn carbon phi hữu cơ (CO 2) lẫn carbon hữu cơ (glucose,
acetate…) đều được vi tảo sử dụng để sản xuất lipid. Do vi tảo có khả năng sử dụng
CO2 như nguồn carbon chính trong thành phần dinh dưỡng nhờ vào khả năng quang
hợp, con người hướng đến việc cô lập CO2 từ các nguồn khí thải để tận dụng cho
quá trình quang hợp của vi tảo, một mặt giảm được chi phí trong quá trình nuôi cấy
vi tảo, mặt khác là giảm thiểu CO2 trong không khí, đáp ứng nhiệm vụ cải thiện môi
trườ ng và khắc phục hiện tượng nóng dần lên của trái đất do các loại khí nhà
kính.Theo ước tính, để sản xuất được 100 tấn sinh khối vi tảo thì có khoảng 180

tấn CO2 đượ c sử dụng trong quá trình quang hợp dưới điều kiện ánh sáng tự nhiên
hoặc nhân tạo.
Để việc sản xuất biodiesel và làm giảm CO2 trong không khí đạt hiệuquả, các loài
vi tảo phải được chọn lựa thỏa mãn các yêu cầu: sinh trưởng mạnh, hàm lượng lipid
nhiều và có khả năng thích nghi tốt khi mức độ CO2 cao.
Khi khảo sát yếu tố nồng độ CO 2 đối với mức độ sinh trưởng và sự tích lũy
lipid trên một số loài tảo được lựa chọn nhằm sản xuất lipid, ChanYoo và các cộng
sự đã đạt được một số kết luận như sau:
Ba loài tảo Scenedesmus sp., Chlorella sp. và Botryococcus braunii được nuôi
trong điều kiện nhiệt độ 25 ± 100C, chiếu sáng liên tục 150µmol/m 2s trong 2 tuần.

14


Để rút ngắn thời gian phase lag, vi tảo trước đó được nuôi trong môi trường sục
không khí có 2% CO2 trong 1 tuần trước khi cấy mẫu. Môi trường nuôi cấy thực sự thì
sử dụng không khí chứa 10% CO 2 hoặc khí thải từ ống khói với vận tốc 0.3v/v/m,
nồng độ CO2 là 5.5%.
Đối với mức độ sinh trưởng của tế bào khi nồng độ CO2 là 10%.
Trong ba loài được khảo sát thì Scenedesmus sp. là loài đạt năng suất sinh khối
cao nhất. Sinh khối tối đa đạt được là 3.13g/L vào ngày thứ 14, năng suất sinh khối
đạt 217.50 ± 11.24 mg sinh khối khô/L.ngày. Trong một nghiên cứu khác của
Morais và Costa, đối với hai loài Chlorella sp. và Scenedesmus sp. cô lập từ nhà
máy nhiệt điện than đá, năng suất sinh khối của chúng cũng khá cao khi nồng độ
CO2 từ 6-12%. Năng suất tối đa của hai loài này với 6% CO2 lần lượt là 87 và 85mg
sinh khối khô/L.ngày. Hơn nữa, hai loài tảo này cũng có thể sống trong môi trường
chứa CO2 với nồng độ lên tới 18%, và năng suất sinh khối cao nhất của loài
Scenedesmus obliquus là 140mg sinh khối khô/L trong một ngày với nồng độ CO2
là 12%. Qua đó thấy rằng, khi nuôi ở 10% CO2, năng suất sinh khối của
Scenedesmus sp. Cao gấp 2-3 lần so với các nghiên cứu ở nồng độ khác, và cả ba

loài tảo được khảo sá ở nồng độ CO2 này đều không gặp phải bất kỳ ảnh hưởng
xấu nào. Tuy nhiên, B. Braunii lại có mức độ thích nghi chậm với nồng độ CO2
10%, do đó mức sinh trưởng của loài này thấp hơn. Sục khí ở nồng độ cao hoặc sục
khí liên tục CO2 2% sẽ làm giảm đáng kể pH của môi trường. Lee và các cộng sự đã
đề xuất rằng khi tăng mật độ tế bào ban đầu thì sẽ tăng được sức chịu đựng của vi tảo
đối với nồng độ CO2 cao và giảm được thời gian thích nghi. Như vậy, nếu B. braunii
được cho thích nghi với nồng độ CO2 thấp trước đó, thì mức độ sinh trưởng và sản
lượng sinh khối sẽ có thể gia tăng mà không cần trải qua thời kỳ thích nghi.
Khi nuôi bằng khí thải từ ống khói, nồng độ CO2 5.5%
Hai trong ba loài tảo nêu trên, B. braunii và Scenedesmus sp. được nuôi ở hai
chế độ để so sánh, đó là sục không khí và dùng khí thải từ ống khói có nồng độ CO2 là
5.5%. Năng suất sinh khối của B. braunii và Scenedesmus sp. với khí thải từ nhà máy
lần lượt là 77 và 203mg/L.ngày. Năng suất lipid của B. braunii và Scenedesmus sp.
đạt 21 và 39mg/L.ngày, tương đương với hàm lượng lipid là 24 và 18%. Qua đó
chứng tỏ rằng B. braunii vẫn giữ được hàm lượng lipid cao khi nuôi bằng khí thải
như khi nuôi bằng khí chứa 10% CO2. Sinh khối và hàm lượng lipid trong các chủng
Scenedesmus sp. thì tương đương khi nuôi ở 5% CO2. Thành phần acid béo của B.
braunii và Scenedesmus sp. khi nuôi sục không khí và khí thải ống khói thì gần như
không thay đổi, đặc trưng cho mỗi loài. Tỷ lệ acid oleic trong B. braunii lần lượt là
56 và 59% lượng acid béo tổng khi nuôi bằng không khí và khí thải. Vì vậy kết luận
rằng có thể sử dụng khí thải từ ống khói để nuôi B. Braunii nhằm sản xuất biodiesel
vì có hàm lượng lipid nhiều và trong đó thành phần acid oleic chiếm tỷ lệ rất cao

15


2.5.2.2.2) Thành phần Nitrogen:
Nitrogen là một yếu tố ảnh hưởng sâu sắc đến sự chuyển hóa và tích lũy lipid
trong hiều loài vi tảo. Thêm vào đó, điều khiển nồng độ nitrogen khá dễ dàng và đây
là một yếu tố có chi phí thấp khi so sánh với các yếu tố khác. Vì vậy, thành phần và

hàm lượng nitrogen bổ sung vào môi trườ ng nuôi cấy vi tảo để tăng năng suất lipid đã
được nhiều nhà khoa học nghiên cứu.
Ví dụ như đối tượng Chlorella vulgaris, khi được nuôi trong môi trường cơ
bản Bold, sử dụng CO 2 có trong không khí (khoảng 300ppm) và NaNO3 là những
nguồn cung cấp carbon và nitrogen duy nhất trong suốt quá trình thí nghiệm, nuôi
cấy theo phương thức quang tự dưỡng trong 14 ngày dưới ánh sáng liên tục có
cường độ 7 0 µ E / m 2s, ở nhiệt độ 300C. Nồng độ nitrogen trung bình trong môi
trường nuôi cấy Chlorella vulgaristheo Guillard là 1.50g/L, do đó khi khảo sát sự
giảm nồng độ nitrogen để kích thích sự tích lũy lipid, Attilio và các cộng sự đã nghiên
cứu ở 2 nồng độ khác là 0.750 và 0.375g/L để so sánh với nồng độ trung bình .Điều
kiện hàm lượng nitrogen thấp trong môi trường nuôi cấy thực sự làm gia tăng đáng
kể sự tích lũy lipid trong vi tảo. Vì vậy hàm lượng nitrate lần lượt được giảm
đi còn ½ và ¼ so với nồng độ tiêu chuẩn trong khi cường độ chiếu sáng và tốc độ
sục khí vẫn giữ nguyên trong suốt các thí nghiệm. Ảnh hưởng của việc giảm thiểu
nồng độ NaNO3 trên sự sinh trưởng của C. Vulgaris được tóm tắt trong bảng sau:
Bảng 2.4: Tham số sinh trưởng và sự sản xuất lipid của C. Vulgaris ở các
nồng độ NaNO3 khác nhau

NaNO3 (g/L)
1.500
0.750
0.375

m - Tốc độ sinh
trưởng đặc trưng
(1/ngày)
0.14 ± 0.00
0.14 ± 0.01
0.14 ± 0.00

Sản lượ ng lipid
(glipid /100gs i nh kh ối khô)

Năng suất lipid
(mglipid /L.ngày
)

5.90 ± 0.42
14.37 ± 0.64
15.31 ± 0.51

8.16 ± 0.65
20.44 ± 0.75
20.30 ± 0.40

Qua đó ta thấy, trong khi tốc độ sinh trưởng riêng của C. Vulgaris thay đổi
không đáng kể thì hàm lượng lipid tăng gấp 3 lần khi giảm nồng độ nitrate từ
1.500g/L còn 0.375g/L. Khi thay đổi nồng độ NaNO3, hàm lượng acid palmitic
không thay đổi đáng kể. Tuy nhiên, hàm lượng acid linolenic acid (C18:3) trong C.
Vulgaris thì phù hợp với tiêu chuẩn biodiesel sử dụng cho các phương tiện vận
chuyển ở Châu Âu (12%, mol/mol)

16


Hình 2. 9: Phần trăm các loại FAME trên tổng lượng FAME (g/100g FAME) của
C. Vulgaris tại các nồng độ NaNO3 khác nhau
(FAME: fatty acid methyl ester)
Tuy nhiên trong kỹ thuật nuôi cấy vi tảo, nguồn nitrogen có thể được sử dụng
dưới nhiều dạng khác nhau, như là ammonia, nitrate, nitrite và urea. Tùy thuộc vào

đặc tính loài, việc sử dụng các nguồn nitrogen khác nhau đem đến những hiệu quả
khác nhau. Như đối với Ellipsoidion sp., sử dụng ammonium làm nguồn cung cấp
nitrogen sẽ đem lại mức độ sinh trưởng và hàm lượng lipid cao hơn khi sử dụng urea
và nitrate. Neochloris oleoabundans khi nuôi bằng nitrate sẽ sinh trưởng nhanh hơn
và tích lũy lipid nhiều hơn khi nuôi với urea, nhưng tế bào lại sinh trưởng yếu trong
môi trường sử dụng nguồn nitrogen là ammonium. Thêm vào đó, nhiều nghiên cứu
cho thấy rằng cả ba loại nguồn nitrogen là nitrate, ammonium và urea đều có thể đáp
ứng tốt đối với Spirulina platensis. Trong số các nguồn nitrogen hữu cơ, urea đóng
một vai trò quan trọng và thường được sử dụng trong nuôi cấy vi tảo trên quy mô
lớn bởi vì giá thành của urea thì thấp hơn nhiều khi so với các nguồn nitrogen khác.
Ngoài ra, chế độ nuôi cấy ảnh hưởng tới sự sinh trưởng và thành phần hóa sinh
trong tế bào vi tảo. Sử dụng phương pháp nuôi cấy fed- batch để điều chỉnh mức
độ bổ sung môi trường nhằm gia tăng năng suất. Cải thiện năng suất lipid có thể
thực hiện bằng biện pháp nuôi cấy fed-batch bổ sung gián đoạn nguồn nitrogen .
Thêm vào đó, trong phương pháp nuôi cấy bán liên tục, nồng độ chất dinh dưỡng
ban đầu và mức độ khôi phục cũng được sử dụng để biến đổi các thành phần hóa
sinh trong tế bào vi tảo

2.6) Ứng dụng nuôi cấy tảo Nannochloropsis oculata trong sản
xuất biodiesel:
2.6.1) Giới thiệu:
Nannochloropsis oculata thuộc vào lớp tảo Eustigmatophyceae, bộ
Eustigmatales, họ Monodopsidaceae, chi Nannochloropsi.

17


Nannochloropsis được Droop
phát hiện ra vào năm 1955 tại các vùng
nước lợ bề mặt trong các hồ giữa

những rặng đá. Antia và các cộng sự
đã phát hiện ra những điểm không
tương thích trong sự phân loại của
Droop dựa trên cơ sở thành phần các
hợp chất trong lục lạp và vi cấu trúc, qua
đó Nannochloropsis coccoides được
xếp vào lớp Chlorophyceae trong khi
Nannochloropsis oculata được xếp vào
Eustigmatophyceae. Nannochloropsis Hình 2.10: Nannochloropsis oculata
oculata là một chi mới bao gồm các
loài rất nhỏ thuộc lớp Eustigmatophyceae, trong đó phổ biến nhất là loài
Nannochloropsis oculata
2.6.2) Đặc điểm hình thái:
Nannochloropsis oculata là loài tảo đơn bào, tự nổi trên môi trường lỏng. Tế
bào có dạng hình cầu với đường kính khoảng 2-4µm, hoặc hình trụ với kích thước
là 3- 4 x 1.5µm.
Nannochloropsis oculata có một lớp màng ngoài mỏng hiện diện ở các giai đoạn
nhất định trong chu kỳ sinh trưởng của tế bào, thành tế bào trong suốt và không tạo
hình dạng xác định, mang một lớp đơn các sắc tố diệp lục màu vàng xanh, là sắc tố
đặc trưng của nhóm Eustigmatophyceae, không có lớp màng nhầy bên ngoài.
2.6.3) Đặc điểm sinh lý:
Nannochloropsis oculata là một chi thuộc dạng phiêu sinh vật tự dưỡng, trong
tế bào có các hợp chất chlorophylls. Nannochloropsis oculata là loài vi tảo sống tối
ưu trong môi trường nước mặn, tuy nhiên đôi khi cũng hiện diện trong môi trường
nước ngọt hay nước lợ và sự thay đổi về hình thái là không đáng kể mấy.
Nannochloropsis oculata có khả năng sống trong một dải nhiệt độ khá rộng. Thích
nghi tốt trong điều kiện môi trường có nhiệt độ thấp, thậm chí là ở gần 00C. Điều
kiện sinh trưởng tốt nhất của Nannochloropsis oculata ở khoảng 210C, mức độ
chiếu sáng 52 µmol photon/m2s, pH 8.4, mức độ sục khí 14.7vvh. Nannochloropsis
oculata thuộc vào thể đơn bội, sinh sản vô tính theo kiểu phân đôi theo chiều

ngang.
2.6.4) Đặc điểm sinh hóa:
Khi điều kiện dinh dưỡng đầy đủ, Nannochloropsis oculata thường có khuynh
hướng đầu tiên sẽ chuyển hóa carbon thành protein. Tuy nhiên, dưới các điều kiện
thay đổi khác nhau, tế bào vi tảo bị kích ứng, sẽ có nhiều carbon được chuyển hóa
thành lipid và carbohydrate. Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường sẽ tác động lên
thành phần lipid và các acid béo có trong tế bào vi tảo. Nghĩa là ta hoàn toàn có khả
năng điều khiển được quá trình sản xuất lipid trong tế bào Nannochloropsis
oculata. Khi tìm được môi trường tối ưu tương ứng. Vì vậy, có thể xem
Nannochloropsis oculata là một loài tiềm năng dùng để sản xuất lipid phục vụ cho
biodiesel.
18


Theo số liệu trên, ta thấy trong số các loài vi tảo có hàm lượng lipid cao,
Nannochloropsis oculata là một tiềm năng sáng giá. Mặc dù hàm lượng lipid tính
theo phần trăm sinh khối khô chỉ trong khoảng 22.7-29.7%, thấp hơn một số loài
như Chlorella emersonii, Chlorella sp., Nannochloris sp., Neochloris
oleoabundans…, nhưng do Nannochloropsis oculata nuôi theo phương pháp
tự dưỡng có sức sinh sản cao, lượng sinh khối trong ngày lớn, năng suất lipid của loài
này có giá trị cao đáng kể. Vì vậy có thể xem Nannochloropsis oculata là một loài
vi tảo rất có tiềm năng trong việc sản xuất biodiesel.

2.7) Quá trình nuôi cấy, thu sinh khối và chiết suấy dầu từ vi tảo
sản xuất biodiesel:
2.7.1 ) Các mô hình nuôi sinh khối vi tảo
2.7.1.1) Raceway Pond:

Hình 2.11: Hệ thống Raceway Pond
Hệ thống Raceway Pond dùng

để nuôi trồng vi tảo được thiết kế
theo hệ thống mở. Các chất dinh
dưỡng có thể được cung cấp thông
qua nước thải từ diện tích đất xung
quanh hoặc kênh nước từ nhà máy xử
lý chất thải. Mực nước trong ao được
giữ nông để ánh sáng có thể xâm
nhập xuống đáy ao tạo điều kiện cho
tảo tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.
Thông thường chiều sâu của ao từ
0.25 đến 1m. Sự khuấy trộn và lưu Hình 2.12: Bánh guồng (Paddle wheel)
thông tuần hoàn được tạo nhờ những
bánh guồng (Paddle wheel)
Suốt khoảng thời gian ban ngày, việc nuôi cấy được cung cấp chất dinh dưỡng
liên tục ở phía trước bánh guồng nơi dòng chảy bắt đầu.

19


Dòng chảy được điều chỉnh
quanh chổ uốn nhờ những màng
ngăn. Các kênh này được xây dựng
bằng bê tông hoặc các loại đất kết
dính và được ngăn cách với nhau
bằng nhựa trắng..
Canh trường được thu hoạch
sau bánh guồng - điểm kết thúc của
những kênh xoắn tuần hoàn. Bánh
guồng sẽ được cho hoạt động liên
tục để tránh tình trạng đóng cặn.

Hình 2.13: Màng ngăn
Việc nuôi cấy sinh khối bằng
Raceway pond đã được sử dụng từ
những năm 1950. Điều này sẽ tạo ra nhiều kinh nghiệm trong việc vận hành
Raceway pond. Raceway pond lớn nhất từng được biết đến dùng để sản xuất sinh
khối có diện tích 440 000 m2, được dùng để sản xuất sinh khối vi khuẩn
Cyanuabacteria dùng trong thực phẩm.
Nói chung, Hệ thống Raceway Pond nhạy cảm với điều kiện môi trường,
không kiểm soát được lượng nước bốc hơi, nhiệt độ và ánh sáng. Sử dụng hệ thống
Raceway Pond chỉ giới hạn trong một vài loài tảo. Mặc dù vậy, hệ thống Raceway
Pond có thể sản xuất số lượng lớn các vi tảo, nhưng chiếm diện tích đất rộng hơn và
dễ bị nhiễm bẩn từ vi tảo hoặc vi khuẩn khác.
2.7.1.2) Bể phản ứng quang sinh học (photobioreactor)
Tảo có thể được trồng trong các hệ thống khép kín gọi là Photobioreactors
(PBRs). Các thiết bị này là lò phản ứng sinh học trong đó kết hợp một số loại nguồn
sáng. PBRs là những hệ thống linh hoạt có thể được tối ưu hóa theo đặc điểm sinh
học của các loài tảo được trồng. PBRs cung cấp một môi trường được bảo vệ an
toàn khỏi bị nhiễm bẩn bởi các vi sinh vật khác và các thông số môi trường có thể
được kiểm soát tốt hơn.
Chúng cho phép nhiều loài được phát triển hơn so với các hệ thống Raceway
Pond, và cho phép môi trường đặc biệt thích nghi với một loài vi tảo.
Photobioreactors cũng ngăn chặn sự bốc hơi và giảm sử dụng nước, giảm thiệt hại
CO2 do thoát ra ngoài môi trường và cho phép nồng độ tế bào cao hơn và năng suất
kết quả cao hơn.

20


Hình 2.14: Sơ đồ hệ thống photobioreactor
Cấu tạo gồm các bộ phận như hình 2.8. Các ống thuộc bể phản ứng quang sinh

học gốm 1 mảng các ống trong suốt thẳng hàng thường được làm bằng nhựa hoặc
thủy tinh. Những ống này, hay còn được gọi là thiết bị thu nhận năng lượng ánh
sáng mặt trời, nơi mà ánh sáng mặt trời được giữ lại. Các ống này thường có đường
kính 0,1m hoặc ít hơn. Đường kính của ống phải bị hạn chế như vậy vì ánh sáng
mặt trời không thể thâm nhập quá sâu trong canh trường nuôi cấy dày đặc. Điều này
là cần thiết để đảm bảo năng suất sinh khối cao của bể phản ứng. Canh trường vi
sinh vật được tuần hoàn từ bể chứa (nguồn) tới các ống và trở về bể chứa.
Các bộ phận thu năng
lượng (các ống) được định
hướng để có thể nhận được
lượng ánh sáng mặt trời lớn
nhất. Trong 1 cách sắp xếp điển
hình, những ống thu năng lượng
được đặt song song nằm ngang
với nhau và cao hơn mặt nền.
Những ống này đôi khi cũng
được sắp xếp như kiểu hàng rào
để cố gắng gia tăng số lượng
ống trong 1 đơn vị diện tích cho
sẵn. Các ống thường quay theo Hình 2.15: Bộ phận thu năng lượng mặt trời
chiều Bắc - Nam. Mặt nền bên
dưới bộ phận hấp thụ ánh sáng mặt trời được sơn màu trắng hoặc được bao bọc bởi
các miếng lót nhựa để tăng tỉ lệ phản xạ.

21


Thay vì bố trí nằm ngang trên mặt
đất, các ống có thể được tạo thành từ nhựa
dẻo và cuộn quanh 1 khung đỡ để tạo

thành những vòng cuộn xoắn ốc. Như
được thể hiện trên hình 2.9. Những bể
phản ứng như vậy có tiềm năng sử dụng
cho sự sinh trưởng của 1 thể tích nhỏ canh
trường vi sinh vật. Sự đóng cặn sinh khối
trong các ống có thể ngăn chặn bằng cách
duy trì dòng chảy xoáy rối ở mức độ cao.
Dòng chảy trong các ống cuộn này được
tạo ra bằng cách sử dụng bơm cơ học hoặc
bơm cao áp. Sử dụng bơm cơ học có thể
làm tổn thương sinh khối nhưng dễ thiết
kế, vận hành và lắp đặt. Bơm cao áp ít linh
hoặt hơn bơm cơ học vì phải cần cung Hình 2.16: Photobioreactor xếp theo hình
cấp khí để vận hành. Bể phản ứng quang xoắn ốc
sinh học phải được vệ sinh định kỳ. Điều
này cũng có thể dễ dàng đạt được bằng cách sử dụng các chức năng tự động của máy.
Sự quang hợp tạo ra Oxy, dưới cường độ bức xạ cao của ánh sáng mặt trời, sự
sinh ra oxy đạt tỷ lệ cao nhất trong những ống của bể phản ứng. Khối lượng Oxy
sinh ra có thể đạt 10g/m3/phút. Nhưng sự tập trung cao của nồng độ O 2 kết hợp với
ánh sáng mặt trời cường độ mạnh có thể sinh ra các yếu tố oxy hoá làm tổn thương tế
bào của tảo. Để ngăn chặn sự tổn thương và ức chế này, mức độ oxy hoà tan tối đa có thể đạt
được không nên vượt quá 400% giá trị không khí bão hoà. Oxy không thể lấy ra khỏi
các ống của bể phản ứng, vì vậy việc hạn chế chiêu dài tối đa của các ống là điều
cần thiết. Sinh khối nuôi cấy phải được quay lại 1 vùng khử độc định kỳ. Vùng khử
độc là nơi lên để giải phóng oxy tích luỹ bằng cách cho nổi bọt khí. Muốn thiết kế
chiều chính xác của ống cần phải dựa vào nhiều yếu tố: sự tập trung sinh khối, mức
độ ánh sáng, tốc độ dòng chảy và sự tụ họp của Oxy ở đầu vào các ống. Chiều dài
tối đa của một ống không nên vượt quá 80m. Để loại bỏ lượng Oxy hoà tan tích lũy,
vùng khử độc phải có khả năng làm bốc hơi tất cả các khí sủi bọt từ canh trường.
Khi canh trường di chuyển dọc theo các ống, pH sẽ tăng vì sự tiêu thụ các sản

phẩm như CO2. CO2 được cho vào vùng khử độc để tạo ra phản ứng điều chỉnh pH.
Vì lí do đó, việc thêm các điểm trao đổi CO2 trên các ống sẽ là điều cần thiết để có thể ngăn
chặn việc gia tăng quá mức của Cacbon và làm ảnh hưởng đến pH..

22


2.7.1.3) Sự khác nhau giữa 2 mô hình nuôi sinh khối vi tảo:
Bảng 2.5: Sự khác nhau giữa 2 mô hình nuôi sinh khối vi tảo
Thông số vấn đề

Raceway Pond

Photobioreactor

Yêu cầu không gian

Cao

thấp

Thất thoát nước

Rất cao , cũng có thể gây kết
tủa muối

Thấp

CO2 giải phóng

Cao, tùy thuộc vào độ sâu

Nồng độ oxy

Nhiệt độ

Thường đủ thấp vì liên tục
giải phóng khí

Thay đổi ở mức cao, có thể
thực hiện được bằng cách
kiểm soát độ sâu ao.

Thấp
Do hệ thống kín đòi hỏi phải
có thiết bị trao đổi khí (O2
phải được loại bỏ để ngăn
chặn sự ức chế quang hợp
hoặc thiệt hại
photooxidative)
Thường yêu cầu phải làm
mát (làm mát bằng các ống
dẫn)

Thấp (pha trộn nhẹ)

Cao (dòng chảy cần phải
nhanh và trộn đều, được bơm
qua thiết bị trao đổi khí)

Làm sạch

Dễ dàng

Sự tăng trưởng trên tường và
bũi bẩn, giảm cưởng độ ánh
sáng.

Nguy cơ ô nhiễm

Cao (hạn chế số lượng các
loài có thể phát triển)

Thấp

Chất lượng sinh khối

Thay đổi

Có thể tái sản xuất

Nồng độ sinh khối

Thấp, từ 0,1 và 0,5 g / l

cao, từ 2 đến 8 g / l

Sản xuất linh hoạt

Chỉ một số ít đặc biệt có khả

năng, khó chuyển đổi

Cao, có thể chuyển đổi

Quy trình kiểm soát
và khả năng tái sản
xuất

Giới hạn(tốc độ dòng chảy,
xáo trộn, có thể sai trong
phạm vi nhất định, chịu ảnh
hưởng nhiệt độ bởi chiều sâu
ao)

Có thể xảy ra trong giới hạn
nhất định

Sự dịch chuyển

23


Phụ thuộc thời tiết

Cao (cường độ ánh sáng,
nhiệt độ, lượng mưa)

Trung bình (cường độ ánh
sáng, làm mát cần thiết)

Khởi động

6-8 tuần

2-4 tuần

Chi phí

Cao $100,000 USD cho mỗi
hecta

Rất cao $1,000,000 USD cho
mỗi hecta (cộng thêm phần
hỗ trợ hệ thống)

Chi phí vận hành

Thấp (bánh xe quay nước,
ngoài ra còn có khí CO2 )

rất cao (Ngoài CO2 ra, kiểm
soát pH, loại bỏ oxy, làm
mát, làm sạch, bảo trì)

Chi phí thu hoạch

cao

thấp hơn do nồng độ sinh
khối cao và kiểm soát tốt hơn

5.000 tấn sinh khối tảo mỗi
năm

Các quy trình gia tăng các
hợp chất hoặc các loại tảo có
giá trị trong thực phẩm và mỹ
phẩm

Các ứng dụng
thương mại hiện tại

2.7.2) Thu hoạch:
Thu hoạch tảo bao gồm phục hồi sinh khối từ các môi trường nuôi cấy có thể
đóng góp đến 20-30% tổng chi phí sản xuất sinh khối. Vì vậy, điều quan trọng là để
chọn tảo với những đặc tính thu hoạch đơn giản hóa, giống như tảo với kích thước
tế bào lớn hoặc trọng lượng riêng cao.
Đây được xem là một phần đắt tiền trong sản xuất công nghiệp của sinh khối.
Vi tảo có một màu xanh lá cây trông rất đẹp. Tuy nhiên, trong thực tế, từ quan điểm
của công nghiệp là rất mỏng. Vật liệu tối ưu cho việc chuyển đổi công nghiệp là có
chứa ít nhất 300-400 g trọng lượng khô / L.
Quá trình thu hoạch phổ biến nhất là keo tụ, lọc, ly tâm và nổi.
2.7.2.1) Keo tụ:
Huyền phù sinh ra của tảo cần phải được tập trung lại. Nó được tiến hành keo tụ và kết
hợp với phương pháp tách phân lớp. Quá trình keo tụ được sử dụng để tập trung
tế bào vi tảo trong môi trường nuôi cấy và làm tăng kích thước của chúng lên chút ít. Độ dày
thành tế bào vi tảo chính là vật cản trở lớn. Độ dày mỏng của thành tế bào vi tảo phụ thuộc vào
khoảng thời gian thu hoạch.
Nhôm và sắt clorua flocculants
hóa học được sử dụng để thu hoạch

tảo. Phương pháp này thường là quá

Hình 2.11: Một mẩu của vi tảo theo quá
trình keo tụ

24


tốn kém trong quy mô lớn. Tuy nhiên, gián đoạn cung cấp khí CO 2 với một hệ
thống tảo có thể làm cho vi tảo tụ thành từng cục nhày, được gọi là "tự động kết
bông".
2.7.2.2) Lọc:
Phương pháp này được thực hiện nhằm làm cho màng cellulose thay đổi với sự
trợ giúp của một máy bơm hút. Lợi thế lớn nhất của phương pháp này là nó có thể
để thu thập các tế bào vi tảo với mật độ rất thấp. Tuy nhiên, nồng độ bằng cách lọc
được giới hạn với khối lượng nhỏ.
Lọc thích hợp cho vi tảo lớn như Coelastum proboscideum và S. platensis,
nhưng không thể sử dụng cho các loài vi tảo có kích thước nhỏ hơn như
Scenedesmus, Dunaliella hoặc Chlorella.
2.7.2.3) Ly tâm:
Ly tâm là một phương pháp tách của tảo bằng cách sử dụng một máy ly tâm để
làm việc ở vị trí dưới cùng của hồ. Phương pháp này có thể cho thấy sự tiện lợi, thế
mạnh trên quy mô thương mại và công nghiệp, nhưng đắt tiền để sử dụng cá nhân.
Máy ly tâm là một thiết bị đặt một đối tượng trong vòng quay xung quanh một
trục cố định, áp dụng lực vuông góc với trục. Máy ly tâm này hoạt động bằng cách
sử dụng các nguyên tắc lắng. Phương pháp này là hợp lý hiệu quả, nhưng các tế bào
tảo nhạy cảm có thể bị hư hỏng do hạt chống lại bức tường rotor.
2.7.2.4) Tách lớp:
Thông thường tách lớp được sử dụng kết hợp với keo tụ để thu hoạch tảo trong
nước thải. Đây là một phương pháp đơn giản, bằng cách này, tảo được làm nổi trên

bề mặt môi trường và sau đó thu hoạch tảo. Phương pháp này sử dụng phèn để làm
thành từng cục tảo / hỗn hợp không khí, với các bọt nhỏ được cung cấp bởi một
máy nén khí.
2.7.3) Khai thác dầu tảo:
Trong điều kiện tối ưu của tăng trưởng, tảo tổng hợp axit béo este hóa vào các
lipid màng glycerol-, chiếm khoảng 5-20% trọng lượng tế bào khô. Axit béo có thể
được phân loại trong chuỗi trung bình (C10-C14), chuỗi dài (C16-C18) và chuỗi rất
dài (> C20) cùng với các dẫn xuất của axit béo. Tuy nhiên, trong điều kiện môi
trường không thuận lợi, nhiều tảo làm thay đổi con đường sinh tổng hợp lipid để
hình thành và tích tụ các chất béo trung tính (20-50% DCW), chủ yếu là trong các
hình thức của các chất béo trung tính
(TAG).
Đối với sản xuất dầu diesel sinh học,
các chất béo trung tính đã được chiết xuất
từ sinh khối vi tảo. Khai thác dầu tảo là
25