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 NI THÂM CANH VI TẢO BIỂN
Đặng Tố Vân Cầm1, Trình Trung Phi1, Diêu Phạm Hoàng Vy1,
Lê Thanh Huân1, ĐặngThị Nguyên Nhàn1, Trần Thị Tuyết Lan2
TĨM 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
ni, mỗi đơn vị ni có thể tích 72 lít, đường dẫn ánh sáng 10cm. Hệ thống ống bao gồm 6 đơn vị
ni, thể tích 85 lít cho mỗi đơn vị ni, 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, dịng 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 ni thâm canh N. oculata nói riêng và các lồi 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
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 lồi tơm, 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 (MullerFeuga, 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
lồi tảo được sử dụng làm thức ăn trong nuôi
trồng thủy sản (Brown, 2002). Các loài thường

được sử dụng nhất là Chlorella, Tetraselmis,
Isochrysis,
Pavlova,
Phaeodactylum,
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 cơng trình 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 ni vi tảo cho đến nay
vẫn cịn lạc hậu, chỉ theo các phương pháp cổ
truyền, bán liên tục, như nuôi kín trong bịch

1

Trung tâm Quốc gia Giống Hải sản Nam bộ, Viện Nghiên cứu Nuôi trồng Thủy sản 2.
Email:
2 Tổng Cục Thủy Sản

TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - 1 - THAÙNG 7/2013

73


VIỆN NGHIÊN CỨU NI TRỒNG THỦY SẢN 2
nhựa, ni hở trong bể xi măng, bể sợi thủy
tinh, thậm chí chưa nuôi nhiều trong hệ thống
raceway, là hệ thống nuôi mà thế giới cho là
lạc hậu và nhiều khuyết điểm. Nhiều nước
trên thế giới như Ý, Úc, Israel… đã từ bỏ công
nghệ nuôi theo phương pháp cổ truyền từ lâu,
thay vào đó là việc nghiên cứu và ứng dụng
hệ thống ni kín quang phản ứng sinh học
và ngày càng có nhiều kiểu thiết kế khác nhau
nhằm hoàn thiện và nâng cao cơng nghệ ni.
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 hình 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
ni, tỷ lệ diện tích/thể tích của hệ thống cao

và cùng ưu điểm là cho mật độ và năng suất
cao, ít tốn cơng lao động, khơng bị nhiễm
tạp trong q trình ni, sinh khối tảo thu đạt
chất lượng cao (Richmond, 2000; Pulz, 2001;
Posten, 2009).
Nhóm nghiên cứu của Bùi Bá Trung và ctv
(2009) lần đầu tiên đã thiết kế hệ thống ni kín
quang phản ứng sinh học theo ngun lý của hệ
thống ống dẫn, nhưng kết quả thử nghiệm nuôi
N. oculata chỉ nâng lên được mật độ 61x106 tế
bào/mL. Ngồi ra, Cơng ty Cổ phần Chăn ni
CP Việt Nam đã sử dụng hệ thống ống nhưng
nhập hoàn toàn thiết bị để ni các lồi tảo cho
ấu trùng tơm biển.
Nghiên cứu này thiết kế 2 kiểu của hệ

74

thống kín quang phản ứng sinh học đó là hệ
thống tấm và hệ thống ống bởi tính ưu việt về
chi phí lắp đặt và vận hành, nhằm nâng cao
công nghệ nuôi vi tảo biển, khơng những cho
năng suất cao mà cịn chất lượng tốt, phục vụ
cho nhu cầu ngày càng cao của sản xuất giống
hải sản.
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 hình hộp chữ nhật, đặt trên giá đỡ
làm bằng inox. Mặt trên hình hộp là tấm nhựa
có nút đậy, là nơi đóng và mở của hệ thống ni,
có 1 lỗ nhỏ cho đường ống khí đi vào. Mặt dưới
hình hộp thơng với van Ф34 là nơi thu hoạch
tảo và xả nước khi vệ sinh. Khoảng khơng gian
bên trong hình hộp chữ nhật có thể tích 72 lít
dùng để ni sinh khối. Ống dẫn khí lắp đặt
bên trong hình 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 thơng với
cột lọc khơng khí, từ máy nén khí có cơng suất
1,5m3/phút.
Hai đơn vị ni 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, tồn bộ hệ thống có 12 đơn vị ni,
xếp song song thành 3 hàng.

TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - 1 - THÁNG 7/2013

VIỆN NGHIÊN CỨU NI TRỒNG THỦY SẢN 2

Hình 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 thốt khí; (5) bọt khí; (6) dịch tảo ni; (7) giá đỡ hệ thống bằng inox; (8) tấm inox
chịu lực.
Thí nghiệm 1: Tối ưu hóa thiết kế hệ thống
tấm cho N. oculata về tốc độ sục khí
Thí nghiệm bao gồm 3 nghiệm thức khác
nhau về tốc độ sục khí 0,3-0,4  ; 0,6-0,7 và
0,9-1,0 L khí/L nước ni/phút (đo bằng flow
meter), mỗi nghiệm thức được lặp lại 4 lần.
Điều kiện thí nghiệm: tảo N. oculata
có nguồn gốc từ phịng thí nghiệm biển
Dunstaffnagge của CCAP (the Culture
Collection of Algae and Protozoa, Oban, UK),
được lưu giữ trong tủ chuyên dụng (hiệu MLR350H, SANYO, Nhật) và nhân giống ở điều
kiện vơ trùng trong bình 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 ni 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

dinh dưỡng F/2 (Guillard và Ryther, 1962).

Tất cả các thí nghiệm được kéo dài cho đến
khi tảo ở một trong các nghiệm thức đạt đến pha
dừng.
2.2. Hệ thống ống
Thiết kế hệ thống
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 hình 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 vịng xoắn kín có chiều dài 34m,
tạo nên thể tích ni 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
dịng tuần hồn liên tục trong hệ thống ni.
Nơi đóng và mở của hệ thống ni 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,

TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU 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

ở vị trí cao nhất và đầu bơm là nơi cung cấp
nước, tảo, chất dinh dưỡng cho hệ thống, đồng
thời là nơi thoát khí O2. Hệ thống chiếu sáng là
12 bóng đèn huỳnh quang dài 1,8 m, công suất
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.
Đầu bơm hút và đẩy được gắn với mơ tơ

2Hp với trục quay có tốc độ 2-10 vịng/giây,
tương ứng với vận tốc nước chảy trong ống 0,11 m/giây. Mỗi đơn vị ni được cung cấp khí
CO2 tinh khiết từ bình CO2 thơng qua hộp điều
khiển tốc độ.
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, tồn bộ hệ thống
có 6 đơn vị ni, xếp song song thành 3 hàng.

Hình 2: Sơ đồ thiết kế hệ thống ống
(1) Ống acrylic trong; (2) ống PVC mờ; (3) co nối hình 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 thốt khí O2 và cung cấp dịch ni vào hệ thống (11); (12) hướng dịng chảy; (13) giá đỡ
hệ thống bằng inox.
Thí nghiệm 2: Tối ưu hóa thiết kế hệ thống
ống cho N. oculata về vị trí cung cấp khí CO2.

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. Vận tốc dòng chảy trong ống 0,40,5m/s.

0,5m/giây và 0,6-0,7m/giây. Vận tốc dòng chảy
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.
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.
2.3. Thu thập và xử lý số liệu

Thí nghiệm 3: Tối ưu hóa thiết kế hệ thống
ống cho N. oculata về vận tốc dòng chảy.

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 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

76

TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - 1 - THÁNG 7/2013

VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN 2
0.1mm, dùng để đếm các lồi vi tảo có kích
thước 2-30µm, mật độ 104-107 tb/mL), mật độ
tảo đo được là giá trị trung bình của 4 lần đếm.
Xác định tốc độ tăng trưởng (µ) theo cơng
thức của Abu-Rezq và ctv (1999)
µ = (LnNt-LnNo)/t

Nt là mật độ tại thời điểm t, No là mật độ tại
thời điểm ban đầu và t khoảng thời gian (ngày)
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.

Sử dụng phân tích Paired-samples T Test
(SPSS version 16.0) để so sánh sự khác biệt về
tốc độ tăng trưởng của tảo giữa 2 nghiệm thức
của thí nghiệm 2.
III. KẾT QUẢ
3.1. Hệ thống tấm
Thí nghiệm 1 được thực hiện nhằm tối ưu
hóa hệ thống tấm đã thiết kế, thử nghiệm cho
lồi N. oculata ở 3 tốc độ sục khí khác nhau 0,30,4; 0,6-0,7 và 0,9-1,0 L/L/phút. Kết quả được
trình bày ở đồ thị 1.

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

của N. oculta khi nuôi trong hệ thống tấm ở 3
tốc độ sục khí khác nhau. Cả 3 đường cong tăng
trưởng gần như trùng lắp nhau cho đến ngày
nuôi thứ 5, từ ngày nuôi thứ 6 trở đi theo khuynh
huớng tảo ni ở tốc độ sục khí cao hơn cho mật

độ cao hơn. Cụ thể ở mức độ sục khí 0,3-0,4 L/L/
phút, tảo bắt đầu đi vào pha dừng sau 12 ngày
nuôi, khi đã đạt mật độ 220x106 tb/mL, trong khí
đó tảo ở hai tốc độ sục khí cao hơn vẫn tiếp tục
tăng và đạt mật độ cực đại vào ngày nuôi thứ 14
ở mức 278x106 tb/mL và 311x106 tb/mL lần lượt

TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU 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
trưởng của N. oculata đạt 0,22/ngày ở tốc độ sục
khí 0,6-0,7 L/L/phút, thấp hơn tốc độ sục khí 0,91,0 L/L/phút (0,23/ngày). Tuy nhiên sự khác biệt
này khơng có ý nghĩa thống kê, cả hai đều cao
khác biệt so với tốc độ tăng trưởng ở tốc độ 0,30,4 L/L/phút là 0,20/ngày.
3.2. Hệ thống ống

thống nuôi. Nếu CO2 được đưa vào hệ thống tại
vị trí 1, từ mật độ ban đầu 20x106 tb/mL, vi tảo
N. oculata chỉ đạt mật độ 109x106 tb/mL sau 10
ngày nuôi (đồ thị 2), tương ứng với tốc độ tăng

trưởng 0,17/ngày. Trong khí đó tảo ở hệ thống
đưa CO2 tại vị trí 2 đạt mật độ 399x106 tb/mL,
tương ứng với tốc độ tăng trưởng cao khác biệt
hơn vị trí 1 là 0,30/ngày.

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
loài N. oculata ở 3 vận tốc dòng chảy khác nhau
0,2-0,3; 0,4-0,5 và 0,6-0,7 m/giây. Tại vận tốc
cao nhất, quần thể N. oculata đạt mật độ 520x106
tb/mL, tương ứng với tốc độ tăng trưởng 0,27/
ngày. Mật độ thấp hơn 427x106 tb/mL, tương
ứng với tốc độ tăng trưởng 0,26/ngày ở vận tốc
78

thấp hơn 0,4-0,5m/giây. Tuy nhiên mức độ khác
biệt về tốc độ tăng trưởng giữa hai vận tốc là
khơng có ý nghĩa. Quần thể N. oculata ở vận tốc
chảy thấp nhất (0,2-0,3 m/giây) chỉ đạt mật độ
81x106 tb/mL vào ngày nuôi thứ 10 và suy tàn
sau đó (đồ thị 3).

TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - 1 - THAÙNG 7/2013


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
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 ni là 10cm.
Sự đảo nước mạnh là rất cần thiết để ngăn
tảo không bị lắng, đảm bảo tất cả các tế bào

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 mơi
trường ni và khơng khí. Ở hệ thống ni
khơng bổ sung khí CO2, khơng khí là yếu tố
quan trọng hàng đầu, vì chứa nguồn carbon ở
dạng CO2 phục vụ cho quang hợp. Trường hợp
ni ở mật độ cao, CO2 giải phóng ra từ khơng
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 lồi tảo có mức độ
chịu đựng khác nhau. Đã có khơng 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. Vì vậy,
hệ thống thiết kế sẽ tối ưu khi vận hành ni

TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - 1 - THAÙNG 7/2013

79


VIỆN NGHIÊN CỨU NI TRỒNG THỦY SẢN 2
một lồi tảo nào đó là khi xác định được sự cân
bằng giữa mức độ sục khí tối đa và ngưỡng
chịu đựng shear stress của lồi tảo đó.

24mm và 30 mm lần lượt theo thiết kế của Lee
và Low (1991); Borowitzka (1997) và Molina
Grima và ctv (1996).

Khi nuôi N. oculata ở hệ thống tấm,
Richmond và Zhang (2001) đã vận hành ở tốc
độ sục khí 0,3 L/L/phút , Zou và Richmond
(1999) và Gitelson và ctv (2000) đều ở tốc độ
0,84 L/L culture/min, và các tác giả Alias và ctv
(2004) và Wang và ctv (2005) thậm chí đến tốc
độ 2,0 L/L/giây.

Khác với hệ thống tấm, ở đó sự đảo trộn là
sục khí nên vi tảo ni có thể sử dụng carbon
từ thành phần CO2 trong khơng khí, hệ thống
ống là dịng chảy tuần hồn của nước nuôi,
nên việc cung cấp CO2 cho quang hợp là điều
không thể thiếu. Nhu cầu CO2 cần thiết theo
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 mơ 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, lồi 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,
cụ thể là mật độ N. oculata chỉ đạt 22x106
tb/mL khi nuôi sinh khối làm thức ăn cho ấu
trùng cá mú đen (Epinephelus coioides) tại
Viện Nghiên cứu Nuôi trồng Thủy sản I (Lê
Xân và Đỗ Xuân Hải, 2004), 30-50x106 tb/mL
khi nuôi sinh khối làm thức ăn cho ấu trùng
cá măng (Đặng Tố Vân Cầm và ctv, 2009) tại
Viện Nghiên cứu Nuôi trồng Thủy sản II. Kết
quả nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Nuôi trồng
Thủy sản III chỉ là bước đầu xây dựng qui trình
lưu giữ và ni sinh khối (Nguyễn Thị Xuân
Thu và ctv, 2004). So với kết quả nghiên cứu
ngoài nước, mật độ cao nhất của N. oculata

ni trong hệ thống tấm có cùng đường dẫn
ánh sáng là 10cm được công bố là 550x106 tb/
mL khi ni ở thể tích 200L cho mỗi đơn vị
ni 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.
Hệ thống ống trong nghiên cứu này được
lắp đặt bằng ống acrylic Ф60mm. Posten (2009)
và nhiều tác giả khác đã kết luận rằng để đạt
được mật độ cao, đường kính ống càng mỏng
càng tốt, thậm chí đường kính chỉ bằng 12mm,
80

Cơng bố của Doucha và ctv (2005) và
Spalding (2008) là lời giải thích cho kết quả
khác biệt về tốc độ tăng trưởng và mật độ đạt
được của N. oculata. Để đảm bảo tế bào tảo có
thể sử dụng được nguồn carbon, áp lực nước
nuôi 0,1-0,2 kPa là cần thiết. Tuy hạn chế của
nghiên cứu này là chưa đo được áp lực nước
nuôi tại các điểm khác nhau trong suốt vịng
tuần hồn trong hệ thống ống, nhưng chắn
chắn là áp lực nước trong hệ thống đã thiết kế
sẽ khác nhau do chênh lệch về độ cao và do
đầu bơm hút đẩy gây ra, vị trí 2 sẽ có áp lực

cao hơn vị trí 1.
Đối với việc tối ưu hóa hệ thống ống dẫn,
ngồi việc cung cấp CO2, vận tốc dịng chảy
và trao đổi khí là cực kỳ quan trọng. Theo
Weissman và ctv (1988), việc thải O2 ra khỏi
hệ thống ống cịn khó khăn nhiều hơn so với
việc cung cấp CO2. Đối với bất kỳ hệ thống
ống, O2 tạo ra từ quá trình quang hợp sẽ được
tích tụ trong nước ni cho đến khi dịng chảy
đến chỗ trao đổi khí, nơi đó O2 sẽ được tách ra
vào khơng khí. Vận tốc dịng chảy và tốc độ
thải O2 ra khỏi hệ thống ống có liên quan mật
thiết với nhau (Molina và ctv, 2001). Vì vậy, hệ
thống ống trong nghiên cứu này, sau khi lắp đặt
cũng đã vận hành thử trên loài N. oculata ở 3
vận tốc dịng chảy khác nhau 0,2-0,3; 0,4-0,5
và 0,6-0,7 m/giây.

TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - 1 - THÁNG 7/2013


VIỆN NGHIÊN CỨU NI TRỒNG THỦY SẢN 2
Giải thích ngun nhân quần thể không
đạt được mật độ cực đại và suy tàn tại vận
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 vì hàm lượng
O2 trên mức bão hịa (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 trì 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 dịng
chảy. Như vậy, vận tốc dịng 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
khơng những giảm sản lượng thu hoạch mà
cịn làm tổn hại tế bào tảo, như Carlozzi và
Torzillo (1996) đã quan sát khi nuôi Spirulina
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.
Như vậy với hệ thống ống đã thiết kế, vị trí
đưa CO2 vào hệ thống tại điểm giữa đầu bơm
và ống ở vị trí thấp nhất, vận tốc dòng chảy
0,6-0,7 m/giây, đạt mật độ 520x106 tb/mL. Khi

so sánh với hệ thống ống của Bùi Bá Trung và
ctv (2009) bao gồm 10 ống thủy tinh Ф32mm,
chiều dài 1270mm, đạt mật độ 61x106 tb/mL,
mật độ trong nghiên cứu này cao gấp 9 lần và
hồn tồn có thể so sánh với hệ thống ống của
các tác giả ngoài nước, đạt mật độ từ 108 đến 109

tb/mL, tùy thuộc vào đường kính ống (Lubian
và ctv, 2000).
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 lồi ni thử nghiệm N. oculata. Tốc độ
sục khí 0,3-0,4 L/L/phút là khơng 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
khơng 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
dịng chảy có ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng
và mật độ cực đại của loài ni thử nghiệm N.
oculata. Ở vị trí CO2 khơng 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 khơng có ý nghĩa thống kê.
4. Hệ thống ống đã thiết kế có chiều dài
34m, thể tích ni 85 lít, đường dẫn ánh sáng
6cm, cho mật độ N. oculata 520x106 tb/mL.
5. Cả hai hệ thống tấm và ống đã thiết kế và
lắp đặt rất có tiềm năng để thay thế hồn tồn
phương pháp ni vi tảo biển theo kiểu truyền
thống, chẳng những phục vụ cho ngành ni
trồng thủy sản, mà cịn có thể phục vụ cho các
ngành công nghiệp khác như nuôi tảo Spirulina
làm nguồn cung cấp chất dinh dưỡng cho người,
ni các lồi vi tảo để ly trích astaxanthin,
DHA, EPA.
LỜI CẢM ƠN
Tác giả chân thành cảm ơn Chương trình
Cơng nghệ sinh học Nơng nghiệp, Thủy sản của
Bộ NN & PTNT đã cấp kinh phí, các bạn cộng
tác viên của đề tài và Ban lãnh đạo Viện Nghiên
cứu Nuôi Trồng Thủy sản 2 đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi cho nghiên cứu thành cơng.

TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - 1 - THÁNG 7/2013

81


VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN 2
TÀI LIỆU THAM KHẢO
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.
Aiba, S., 1982. Growth kinetics of photosynthetic
microorganisms. Adv. Biochem. Eng, 23, 85156.
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.
Borowitzka, M.A., 1997. Microalgae for aquaculture:
opportunities and constraints. J. Appl. Phycol, 9,
393-401.
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.
Bùi Bá Trung, Hồng 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-Cơng nghệ Thủy
sản, số 1/2009.
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.
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.
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.

82

Đặng Tố Vân Cầm, Nguyễn Thị Kim Vân, Trần Kim
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.
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.
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.
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.
Guillard, R.R.L., Ryther, J.H., 1962. Studies on marine
planktonic diatoms. Gran. Can. J. Microbiol. 8,
229-239.
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.
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.
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.
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,

TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - 1 - THAÙNG 7/2013


VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN 2
Y., 2001. Tubular photobioreactor design for algal
cultures. J. Biotech. 92, 113-131.
Muller-Feuga, A., 2004. Microalgae for aquaculture.
The current global situation and future trends,
352-364.
Nguyễn Thị Xuân Thu, Nguyễn Thị Bích Ngọc và
Nguyễn Thị Hương, 2004. Tình hình 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.
Posten, C., 2009. Design principles of photo-bioreactors
for cultivation of microalgae. Eng. Life Sci. 9 (3),

165-177.
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.
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.

Spalding, M.H. , 2008. Microalgal carbon-dioxideconcentrating mechanisms: Chlamydomonas
inorganic carbon transporters. J. Exp. Bot, 59,
1463-1473.
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.
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.
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.
Zou N., Zhang C.W., Cohen Z. and Richmond A. , 2000.
Production of cell mass and eicosapentaenoic
acid (EPA) in ultrahigh cell density cultures of
Nannochloropsis sp. (Eustigmatophyceae). Eur. J.
Phycol, 35, 127-133.

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. Tubular 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
TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - 1 - THÁNG 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

Người phản biện: TS. Nguyễn Thị Ngọc Tĩnh
Ngày nhận bài: 10/6/2013
Ngày thông qua phản biện: 24/6/2013
Ngày duyệt đăng: 8/7/2013

1

National Breeding Center for Southern Marine Aquaculture, Research Institute for Aquaculture No.2
Email:
2 Directorate of Fisheries

84

TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - 1 - THAÙNG 7/2013