NUÔI TẢO QUY MÔ LỚN THIẾT KẾ VÀ QUẢN LÝ

Chia sẻ: Truong Dinh TAM | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

81
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Một số loài tảo từ lâu đã được con người sử dụng như một dạng thực phẩm. Ngày nay việc nghiên cứu và ứng dụng tảo đã được phát triển trong nhiều lĩnh vực: y-dược học, nông nghiệp môi trường...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: NUÔI TẢO QUY MÔ LỚN THIẾT KẾ VÀ QUẢN LÝ

Nuôi tảo quy mô lớn - Thiết kế và quản lý Vũ Thành Lâm Nuôi tảo quy mô lớn Thiết kế và quản lý (Larger-Scale Culture of Microalgae – Design and Management) Hà nội, 20/11/2006 Vũ Thành Lâm, Mail: lamvt@vnu.edu.vn at website: www.thuviencongdong.net 1
Nuôi tảo quy mô lớn - Thiết kế và quản lý Một số loài Tảo từ lâu đã được con người sử dụng như một dạng thực phẩm. Ngày nay việc nghiên cứu và ứng dụng tảo đã được phát triển trong nhiều lĩnh vực: Y-dược học, nông nghiệp, môi trường…Nuôi tảo quy mô lớn trong hệ thống bể nuôi ngoài trời nhằm thương mại hoá sản phẩm đã và đang phát triển mạnh trên toàn thế giới. Việt Nam có một bờ biển trải dài cùng hệ thống kênh rạch, ao hồ rất lớn kết hợp với điều kiện khí hậu nóng ẩm gió mùa, nắng nhiều thuận lợi cho rất nhiều loài tảo phát triển. Cùng với sự trợ giúp của: Tiến sỹ Lê Tiến Dũng (Letiendzung@yahoo.com), Giáo sư Tiến sỹ khoa học Dương Đức Tiến (Tiendd@vnu.edu.vn) và các kiến thức thu thập được từ các nguồn thông tin khác nhau: tôi mạnh dạn viết bài “nuôi vi tảo quy mô lớn - thiết kế và quản lý” nhằm cung cấp các thông tin liên quan đến hệ thống nuôi tảo đã được áp dụng thành công tại các nước trên thế giới và vận dụng vào điều kiện cụ thể của Việt Nam. Mục Lục 1. Giới thiệu (Introduce) 2. Thiết kế hệ thống (System Design) 2.1. Thiết kế bể nuôi (Pond Design) 2.2. Hệ thống khuấy-xục khí (Paddle-wheels and Aerator Systems) 3. Giống tảo (Algal strain) 3.1. Chọn giống (Strain selection) 3.2. Giữ và nhân giống (Maintaining - Algal cultures) 4. Môi trường nuôi tảo (Culture medium) 4.1.Môi trường nhân giống tảo trong phòng thí nghiệm (Culture medium in Laboratory) 4.2. Môi trường nuôi tảo quy mô lớn (Culture medium in outdoor pond) 5. Vận hành và Quản lý (Control and Management) 6. Thu hoạch và làm khô (Harvesting and Drying) 6.1. Phương pháp thu hoạch (Harvesting methods) 6.2. Phương pháp làm khô (Drying methods) Vũ Thành Lâm, Mail: lamvt@vnu.edu.vn at website: www.thuviencongdong.net 2
Nuôi tảo quy mô lớn - Thiết kế và quản lý 7. Kết luận (Conclusions) 8. Tài liệu tham khảo (References) 1. Giới thiệu Tảo được xếp vào nhóm thực vật bậc thấp, chúng sử dụng các chất vô cơ và năng lượng ánh sáng để tổng hợp nên vật chất sống - chúng là nguồn sinh khối sơ cấp rất lớn trong hệ sinh thái. Tảo sinh trưởng nhanh, tạo sinh khối lớn và dễ thích nghi với các điều kiện môi trường. Một số loài tảo có giá trị dinh dưỡng cao (giàu Protêin, axít amin không thay thế và các khoáng chất khác) như: Spirulina (Arthrospira), Dunaliella, Chlorella, Haematococcus, Scenedesmus, Nannochloropsis, Porphyridium. Sinh khối của chúng được sử dụng như một dạng thực phẩm bổ dưỡng, điều trị một số bệnh cho con người, sử dụng trong y-dược và chăm sóc sắc đẹp. Một lượng lớn sinh khối của chúng được sử dụng làm thức ăn cho nuôi trồng thuỷ sản, chăn nuôi gia súc gia cầm.Ngoài ra chúng còn được ứng dụng trong khoa học môi trường cho xử lý ô nhiễm và nhiều ứng dụng đang được khám phá. Việc nuôi trồng thu sinh khối lớn của tảo đã được áp dụng tại nhiều quốc gia trên thế giới. Ở Việt Nam, công nghệ này đã được Nguyễn Hữu Thước ứng dụng nuôi tảo Spirulina tại Vĩnh Hảo từ năm 1979. Tuy nhiên, chỉ một vài năm gần đây việc nuôi tảo mới trở nên phát triển. Năm 1982, Giáo sư Tiến sỹ khoa học Dương Đức Tiến và cộng sự của ông đã thành lập phòng thí nghiệm sưu tầm và lưu giữ giống tảo đồng thời ứng dụng nuôi tảo quy mô lớn tại nhiều cơ sở: Nhà máy phân đạm Hà Bắc, Ninh Thuận, Bình Thuận, Gia Lâm- Hà Nội đạt được nhiều kết quả khả quan. Nuôi tảo quy mô lớn trong hệ thống hở (mở) ngoài trời (Culturing algae in outdoor pond) có ưu điểm là giá rẻ và tính thương mại cao cho sản phẩm. Chính vì vậy việc hiểu biết về kỹ thuật này càng mang tính bức thiết. 2. Thiết kế hệ thống Thiết kế hệ thống mở nuôi tảo ngoài trời cần chú ý về địa điểm, nguồn nước và khí hậu trong vùng. Ngoài ra cần chú ý đến các nhân tố cơ bản sau: Vũ Thành Lâm, Mail: lamvt@vnu.edu.vn at website: www.thuviencongdong.net 3
Nuôi tảo quy mô lớn - Thiết kế và quản lý - Giá cả của vật liệu xây dựng kiến trúc - Không khí sạch, nhiệt độ thích hợp và ánh sáng hợp lý - Chi phí cho đầu tư về quỹ đất sử dụng 2.1.Thiết kế bể nuôi tảo Bể nuôi tảo cần thiết kế phù hợp cho từng đối tượng nuôi. - Dạng hồ (hay bể-tank) kết hợp với hệ thống xục khí thường được sự dụng nuôi các loài tảo sử dụng làm thức ăn cho thuỷ sản như: Nannochloropsis, Isochrysis, Chaetoceros, Thalasirosira. Bể được xây dựng bằng vật liệu xây dựng thông thường (gạch và ximang) hay composite với lớp trong cùng được làm nhẵn. Bể hình vuông có góc tròn, thể tích thông thường từ 2-10 mét khối (M3), độ sâu từ 0,5-1met (M), diện tích bề mặt rộng để thu nhiều ánh sáng. Không khí được xục với bơm và quả đá bọt. Ưu điểm của bể là dễ dàng xục khí và cho phép thu nhận được nhiều ánh sáng. - Bể hình tròn thường được sử dụng để nuôi tảo Chlorella, Scenedesmus là hệ thống được thiết kế dựa trên hệ thống bể xử lý nước thải có cánh khuấy trộn. Bế được xây dựng bằng vật liệu xây dựng thông thường (gạch và ximang) hay composite với lớp trong cùng được làm nhẵn. Bể được thiết kế thường có thể tích khoảng 300.000 mét khối (M3), độ sâu mực nước khoảng 20-40 centimet (cm) - Bể hình chữ nhật góc được vê tròn kết hợp với hệ thống cánh khuấy (Paddle- wheel) thường được sử dụng rộng rãi trong nuôi tảo Spirulina, Dunaliela, Haematococcus. Bể rất lớn về diện tích, thể tích có thể lên tới 1ha X 0,3 mét khối (M3), thậm chí đến 200haX 0,3 mét khối (M3), độ sâu mực nước từ 20-30 centimet (cm). Bế được xây dựng bằng vật liệu xây dựng thông thường (gạch và ximang). Bể có xây một bức tường ngăn hụt ở giữa tạo dòng chảy lưu thông khi khuấy xục. Có thể đặt một hoặc hai máy khuấy ở các đầu để lưu thông nước. Vũ Thành Lâm, Mail: lamvt@vnu.edu.vn at website: www.thuviencongdong.net 4
Nuôi tảo quy mô lớn - Thiết kế và quản lý Bể nuôi tảo quy mô nhỏ - Việc lựa chọn bể còn phụ thuộc vào chất lượng và mục đích sử dụng của sản phẩm. Hồ nhỏ thường việc quản lý chất lượng sẽ tốt hơn tránh sự tạp nhiễm và thu được sinh khối sạch có thể sử dụng làm thức ăn trực tiếp cho con người. Khi sản phẩm được sử dụng cho chăn nuôi chúng ta nên lựa chọn hồ lớn hơn. Bể nuôi tảo quy mô lớn Mối quan hệ tương tác giữa độ sâu của nước trong bể, chiều dài bể, vận tốc dòng chảy do khuấy xục tạo nên phải được cụ thể trong bản thiết kế xây dựng. Trong thực tế tốt nhất là xác định chiều dài kênh L có liên quan đến biến thiên độ sâu d để tính ra yếu tố ma sát - n, bán kính thủy lực - R, và tốc độ, - V. Chúng ta có phương trình sau: s=V2.n/R4/3 (2) từ đó s = ∆d/L và R = dw/(W+2d) ∆d = L.V2.n2/(dw/(w+2d))4/3 (3) Vũ Thành Lâm, Mail: lamvt@vnu.edu.vn at website: www.thuviencongdong.net 5
Nuôi tảo quy mô lớn - Thiết kế và quản lý Và L = ∆d.(dw/(w+2d))4/3 / V2n2 (4) Gọi A là diện tích giới hạn của ao, giá trị của A được tính bằng: A = L.w Bảng sau đưa ra một số giá trị n. Chủng loại vật liệu dùng để phủ trên bề mặt bờ kênh, ao n Nhựa trơn, phẳng trên nền bề mặt bê tông trơn phẳng 0.0018 Nhựa với “vải lót” trên nền mặt đất bằng phẳng 0.010 Bề mặt bê tông nhẵn 0.013 Bề mặt bê tông– apphan (nhựa đường) nhẵn 0.015 Đất gồ ghề 0.03 Nhựa trơn, phẳng trên nền bề mặt đất (loại đất được đập nhỏ, mịn) 0.012 Việc xây dựng bể và khuấy xục phải đảm bảo cho nước lưu thông tránh lắng đọng (góc chết) và dễ dàng nhận được ánh sáng nhất. Bể tròn theo mô hình xử lý nước thải ở Đài Loan 2.1. Hệ thống khuấy- xục khí Hệ thống nuôi tảo quy mô lớn kết hợp khuấy-xục khí nhằm thu được lượng sinh khối nhiều nhất. So sánh sự nuôi quy mô lớn không khuấy tảo Dunaliella thu được lượng Vũ Thành Lâm, Mail: lamvt@vnu.edu.vn at website: www.thuviencongdong.net 6
Nuôi tảo quy mô lớn - Thiết kế và quản lý sinh khối 0,1g/l trong khi có khuấy lên tới 1.0g/l. Sự khuấy xục nhằm: tạo sựu tiếp xúc tốt hơn của tế bào tảo với dinh dưỡng, ánh sáng, khí Cacbonic (CO2); giữ ổn định nhiệt độ trong toàn bộ khối nước giúp tảo phát triển tốt nhất. Các thí nghiệm cho thấy rằng tốc độ dòng chảy do máy khuấy tạo nên là khoảng 5.0 cm/s điều này tạo điều kiện tối ưu vì tảo sẽ không bị lắng tụ xuống đáy, đặc biệt tại các góc của bể. Nhưng thực tế trong hồ nuôi tốc độ khuấy phải đạt từ 20-30cm/s mới đảm bảo do tốc độ dòng phụ thuộc nhiều vào vật liệu xây dựng hồ nuôi. Cánh (guồng) khuấy nước (Padle-wheels) Trên phương diện thiết kế, để có được tốc độ dòng chảy thích hợp thì Oswald (1988) đã đưa ra công thức tính toán tốc độ dòng nước trong một kênh, ao hình chữ nhật với độ dốc về một phía như sau: V=1/n.R2/3.S1/2 (1) ở đây: V - tốc độ (vận tốc) dòng nước lưu động trung bình (m/s) R – bán kính thủy lực trung bình (m). R là vùng diện tích của dòng chảy (A) được phân chia bởi chu vi trong nước (P). Ví dụ R = A/P = dw/ [w + 2d], trong đó w và d lần lượt là chiều rộng và sâu của ao, kênh. Đối với những con kênh, ao rất rộng và được che bóng (shallow) thì R xấp xỉ bằng với độ sâu d. Tỷ lệ năng lượng hao hụt (S) trên đơn vị Vũ Thành Lâm, Mail: lamvt@vnu.edu.vn at website: www.thuviencongdong.net 7
Nuôi tảo quy mô lớn - Thiết kế và quản lý bề dài của kênh là d/L, d là biến thiên độ sâu dòng nước và L là chiều dài kênh. n là hệ số ma sát Manning (s/m3) dùng để đánh giá độ gồ ghề của bề mặt kênh, ao. Ngoài ra để tối ưu hoá khả năng thu nhận ánh sáng của tảo có liên quan mật thiết đến độ sâu của cột nước với sự khuấy trộn. Tảo cần ánh sáng để sinh trưởng. Trong ao, tảo phân bố gần bề mặt nước để có thể nhận được nhiều quang năng hơn và trong trường hợp mật độ tảo qúa cao thì ánh sáng chỉ có thể đi xuyên qua vài cm kể từ mặt nước. Bởi vậy cần tính toán độ sâu của ao sao cho tảo có thể nhận được nhiều ánh sáng nhất. Mặt khác trong ao lại được lắp đặt các thiết bị khuấy trộn để tạo dòng. Từ các phương trình (4), (5) ta thấy rằng diện tích giới hạn của ao (A) giảm khi độ sâu của ao giảm và tăng cường tốc độ khuấy trộn. Tuy nhiên, tăng độ sâu ao và giảm tốc độ khuấy thì diện tích giới hạn của ao sẽ đủ lớn cho phép xây dựng và vận hành hơn là giới hạn thủy lực, được xem là yếu tố giới hạn kích thước ao thực. Để tối ưu hóa năng suất, độ sâu ao cũng cần phải hợp lý. Hệ số quang hợp cực đại (fm) được tính toán theo phương trình sau: fm = (Ss/So)/ [ln(So/Ss) + 1] (6) Trong đó: Ss: mật độ dòng photon tại thời điểm quang hợp bão hòa So: mật độ dòng photon tại thời điểm tức thời. Đối với tảo lục, có một mối liên hệ giữa mật độ tảo, Ct (mg/l) và độ xuyên sâu của ánh sáng, Dp (cm) theo Oswald (1998). Dp = 6000/Ct (7) Trong nuôi cấy quy mô lớn, người ta thấy rằng hầu như ánh sáng chỉ chiếu được xuống 2/3 của chiều sâu bể do đó: Dp = (2/3)d (8) và Ct = 9000/d (9) Như vậy trong một ao hở, nuôi cấy tảo lục liên tục với độ sâu 30 cm thì hàm lượng tảo trung bình đạt được trong điều kiện giới hạn ánh sáng là 300 mg trọng lượng khô /l. Nếu dòng photon có lớn hơn cũng chỉ làm gia tăng hàm lượng thêm chút ít bởi vì độ xuyên sâu của ánh sáng là hàm log của cường độ của nó. Như thế ta thấy rằng hàm lượng tảo chỉ đạt được lớn trong các ao nuôi cấy nông. Sự thiết kế lắp đặt hệ thống khuấy xục bao gồm cánh khuấy (guồng quay) và động cơ nhằm tối ưu tốc độ dòng chảy và đảm bảo tốc độ dòng chảy là hết sức cần thiết. Thực nghiệm cho thấy guồng quay là thiết bị khuấy trộn hiệu qủa nhất đối với bể nuôi có sử dụng dòng động. Guồng quay được đặt tại một vị trí lõm xuống (sump) (thấp hơn bề Vũ Thành Lâm, Mail: lamvt@vnu.edu.vn at website: www.thuviencongdong.net 8
Nuôi tảo quy mô lớn - Thiết kế và quản lý mặt ao) trên nền đáy ao. Đường kính của guồng quay càng lớn thì hiệu qủa của nó càng tăng. Tuy nhiên giá thành để mua thiết bị này lại lớn hơn. Đường kính phù hợp là 1.500 mm. Tương tự như vậy, lưỡi gạt nước (blade) trên guồng quay càng lớn thì chúng làm việc càng có hiệu qủa và giảm độ sốc của động cơ (motor). Khe hở (clearance) giữa lưỡi gạt nước và nền đáy ao càng nhỏ thì guồng quay hoạt động tốt hơn. Trong thực tế khe hở thích hợp cho phép là 20 mm. Từ các yếu tố phân tích trên người ta đưa ra công thức tính toán độ sâu tối thiểu cần thiết cho các chỗ lõm dùng để đặt thiết bị guồng quay như sau: ∂ = 3.14/Pn (10) D = (r + T).cos∂ (11) B = r + T – D (12) ∂ = Nửa góc giữa các lưỡi gạt nước Pn = Số lượng lưỡi gạt nước (tối đa là 8 trên một guồng quay) r = Bán kính guồng quay T= Độ rộng khe hở giữa lưỡi gạt nước và đáy ao B = Độ sâu của chỗ lõm (nơi đặt guồng quay) D = Khoảng cách từ trục guồng quay đến đáy ao. Nếu chúng ta thay thế (10) vào (11) và (11) vào (12) thì nhận được: B = (r + T)(1 - cos[µ/Pn]) (13) Ví dụ Pn = 8, r = 750 và T = 20 thì B = 59. Như vậy chỗ lõm đặt máy phải có độ sâu tối thiểu 59 mm và bán kính 770 (= 750 + 20) mm. Trong thực tế do việc xây dựng và lắp đặt thiết bị không hoàn toàn trùng khớp với tính toán lý thuyết và để tạo ra dung sai an toàn người ta khuyến nghị rằng trong trường hợp này độ sâu cần thiết cho chỗ lõm này phải là 100 mm. Trục của guồng quay phải cách bề mặt đáy ao 670 mm. Chiều cao của mỗi lưỡi gạt nước tính bằng độ sâu cột nước (d) cộng với độ sâu chỗ lõm (B) trừ đi khe trống (T) (d + B – T). Đối với cột nước sâu 200 mm, thì độ sâu bù cho sự thay đổi mất áp suất là 50 mm, do đó chiều cao của mỗi lưỡi gạt nước sẽ là 330 mm. Để tạo ra dung sai an toàn cho phép là 20 mm thì chiều cao cuối cùng của lưỡi gạt vào cỡ 350 mm. Việc chọn (động cơ) motor không đơn giản vì năng lượng điện cần thiết để vận hành guồng quay được đặt trên chỗ lõm (sump) trong ao là không dễ tính toán. Tuy nhiên, người ta có thể sử dụng số liệu cho guồng quay không có chỗ lõm để ước lượng. Vũ Thành Lâm, Mail: lamvt@vnu.edu.vn at website: www.thuviencongdong.net 9
Nuôi tảo quy mô lớn - Thiết kế và quản lý Công suất của máy phụ thuộc vào sự giảm áp suất, đường kính ao, tốc độ và được tính toán như sau: P = Q. W.∆d/102e (14) Trong đó P = Điện năng tiêu thụ (kW) Q = Lưu lượng nước di động (m3/s) W = Trọng lượng riêng của nước (kg/m3) thay đổi tùy theo nhiệt độ e = Hệ số của guồng quay; 102 là hệ số tính thêm vào khi chuyển đổi từ m.kg/s thành kW. Ở 150C, trọng lượng riêng của nước xấp xỉ 1.000 kg/m3. Đối với một con kênh có độ rộng là w và độ sâu d, lưu lượng dòng Q được cho bởi công thức sau: Q = w.d.V (15) Như vậy, giả sử w = 6m, d = 20 cm và V = 15 cm/s, hệ số của guồng quay là 0.17 (đây là giá trị trung bình đối với guồng quay vận hành trên nền đáy ao) thì điện năng cần tiêu hao là 1.038 kW. Trong 24 h, điện năng tiêu thụ là 24.9 kW/ ngày. Nếu ta có diện tích ao 1.27 ha được khuấy động thì cần cung cấp điện năng tương đương với 24.9/1.27 = 19.59 kW-h/ha2.ngày. Trong trường hợp tốc độ dòng tăng lên 20 cm/s thì điện năng tiêu thụ tăng tới 33.2 kW-h/ngày. Với cách tính toán như trên có thể thấy rằng một motor 2 kW là đủ để tạo ra tốc độ 30 cm/s trong một ao có diện tích 1000 m2. Một số giống tảo nuôi cần có sự bổ xung khí cacbonic (CO2) như Spirulina là cần thiết để tảo phát triển tốt nhất đạt sinh khối cao. Bổ xung cacbonat nhằm thiết lập và duy trì trạng thái tính kiềm cao trong môi trường nuôi. Hầu hết các ao nuôi tảo đều bị giới hạn bởi nguồn CO2. Việc bổ xung carbonic vào trong ao sẽ làm tăng sản lượng tảo nhưng lại khiến cho chi phí nuôi tăng lên. Đối với nuôi cấy Spirulina thì bổ xung carbonic là cực kỳ quan trọng để duy trì trạng thái kiềm cao của môi trường. Phương pháp đơn giản nhưng hiệu qủa để cung cấp carbonic là tạo ra các tấm nhựa mỏng có khung là ống PCV nổi trên mặt nước. Máy khuếch tán trên nền đáy ao sẽ thổi CO2 vào trong nước. Yếu tố giới hạn sự khuếch tán của CO2 vào trong nước là tại màng lỏng nằm giữa bề mặt chung lỏng – khí. Khối lượng khí (mM/L) được thổi vào trong nước được tính toán bằng: Q = kA(Cs - Cd) (16) Trong đó k là hệ số vận chuyển khối (the mass transfer coefficient) (M/phút), A diện tích bề mặt chung giao nhau (m2), Cs nồng độ cân bằng của khí hòa tan tại bề mặt giao Vũ Thành Lâm, Mail: lamvt@vnu.edu.vn at website: www.thuviencongdong.net 10
Nuôi tảo quy mô lớn - Thiết kế và quản lý nhau (mM) và Cd nồng độ khí trong nước. Nếu dòng khí CO2 đi vào trong máy phun và giá trị của áp suất riêng phần của khí đã được biết thì hệ số vận chuyển khối ki (M/phút) đối với một vùng phun dự tính sẽ được ước tính như sau: Ki =Qt/Ai(Csi - Cd).1000 (17) Ở đây: Qt là dòng CO2 đi vào (mM/phút), Ai là diện tích được phun (m2), Csi là nồng độ bão hòa của CO2 trong điều kiện cân bằng với áp suất riêng phần dưới máy phun (mM/L), Cd là nồng độ thực của CO2 hòa tan trong dịch nuôi cấy tảo (mM/L). Đối với ao nuôi cấy tối ưu thì chênh lệch giá trị Csi – Cd cần phải càng cao càng tốt. Điều này có nghĩa rằng nồng độ CO2 cao phải được duy trì trong pha khí ở phía dưới máy phun. Theo Becker (1994) tốc độ dòng CO2 phải từ 70 – 130mM CO2/phút.m2 là phù hợp trong điều kiện nhiệt độ nuôi cấy từ 25 – 300C và nồng độ bão hòa của máy phun từ 15 – 25 mM/L trong điều kiện nồng độ CO2 hoà tan cực đại là 1.5mM/L. Điều này có nghĩa rằng cứ 1 m2 diện tích phun cần đến 1.8 – 3.4 kg CO2 trong thời gian 10 h. Ở mức nhiệt độ này, nồng độ cực đại của CO2 là 1.5 mM/L sẽ bị thất thoát khoảng 7mM/phút.m2. Trên cơ sở tính toán tốc độ sinh trưởng của Scenedesmus obliquus (Tupr.) Kutzing, Becker (1994) đã kết luận rằng 1 m2 của vùng phun có thể cung cấp 40 – 75 m2 diện tích ao nuôi. Toàn bộ hệ thống nuôi tảo của công ty Green Diamon tại Chiang Mai, Thailand Vũ Thành Lâm, Mail: lamvt@vnu.edu.vn at website: www.thuviencongdong.net 11
Nuôi tảo quy mô lớn - Thiết kế và quản lý 3. Giống tảo 3.1. Chọn giống Giống tảo nuôi phụ thuộc mật thiết với các kiểu hồ nuôi khác nhau. Tảo giống phải đạt độ thuần khiết cao, trong quá trình nuôi cần hạn chế sự phát triển của các loài tảo tạp phát triển. Tetraselmis Haematococcus Skeletonema Phòng giống tảo Cần có một phòng thí nghiệm nhỏ với hệ thống phòng nhân giống tảo trước khi thả nuôi tại hồ lớn. Giống tảo nên được đặt mua tại các cơ sở có uy tín. Ở Việt Nam, hiện nay, có phòng tảo giống của Giáo sư Dương Đức Tiến đạt tiêu chuẩn và chất lượng giống tảo. Các giống tảo được lựa chọn đạt tiêu chí chất lượng đặt ra như: hàm lượng carotenoid cao và phát triển nhanh với Dunaliella salina, hay dễ thu hoạch, phát triển nhanh và hàm lượng dinh dưỡng cao với Spirulina platensis. Dunaliella Chlorella Isochrysis Spirulina Tỷ lệ cấy giống thông thường theo tỷ lệ 1/10 về thể tích. Việc duy trì mật độ tảo giống cao nhằm lấn át sự phát triển của tảo tạp nhiễm và các vi sinh vật khác. Điều này đảm bảo cho chất lượng, sự tinh sạch của sản phẩm. Hơn nữa nó còn giúp rút ngắn thời gian thu hoạch, giảm chi phí sản xuất. Vũ Thành Lâm, Mail: lamvt@vnu.edu.vn at website: www.thuviencongdong.net 12
Nuôi tảo quy mô lớn - Thiết kế và quản lý 3.2. Giữ và nhân giống Việc chủ động về giống tảo là yêu cầu cần thiết cho sản xuất. Điều này giúp doanh nghiệp giảm chi phí mua giống và chủ động công việc của mình. Giữ giống cần có một phòng thí nghiệm nhỏ với các dụng cụ tối thiểu sau: 01. Nồi hấp áp lực (Autoclave) 01. Tủ cấy vi sinh vật (Biologycal Safety Cabinet) 01. Kính hiển vi quang học (Microscopic) 01. Dàn đèn ánh sáng Dụng cụ và hoá chất thí nghiệm thông thường khác. Một số dụng cụ hóa chất dùng trong phòng thí nghiệm Phòng thí nghiệm còn có chức năng kiểm tra thường xuyên mật độ và độ tinh sạch của tảo nuôi. Nhân giống cấp II để có được mật độ tảo cao / thể tích dung dịch lớn trước khi nuôi trong ao, hồ lớn là một khâu trong quy trình kỹ thuật. Cần có khu nhân giống với các bể nuôi khác nhau tuỳ theo quy mô nuôi của các bạn. Việc nhân giống phát triển dần theo tỷ lệ 1/10 về thể tích giống. Vũ Thành Lâm, Mail: lamvt@vnu.edu.vn at website: www.thuviencongdong.net 13
Nuôi tảo quy mô lớn - Thiết kế và quản lý Nhân giống tảo Bể nhân giống tảo 4. Môi trường nuôi tảo Các thức pha chế và sử dụng môi trường nuôi tảo quy mô lớn dựa trên cơ sở môi trường nuôi trong phòng thí nghiệm. Điều này liên quan mật thiết đến nguồn nước và giá thành sản phẩm. Ngoài ra còn phụ thuộc vào một số điều kiện phát triển của tảo, sản phẩm được sử dụng cho đối tượng nào, con người, vật nuôi hay dùng cho xử lý môi trường? Nhưng trước hết chúng ta quan tâm đến môi trường nuôi tảo trong phòng thí nghiệm- môi trường nhân giống. 4.1. Môi trường nhân giống Môi trường nhân và giữ giống trong phòng thí nghiệm bao gồm nhiều loại đã được nêu trong các công trình nghiên cứu khoa học. Bởi vậy các bạn có thể tham khảo một số môi trường nuôi tại các website sau: Cơ sở nghiên cứu tảo Địa chỉ website CCAP Http://www.Ife.ac.uk/ccap CCMP Http://ccp.bigelow.org NIES Http://www.nies.go.jp/biology/mcc/home.htm PCC Http://www.pasteur.fr/recherche/banques/pcc SAG Http://www.epsag.uni-goettinggen.de/html/sag/html UTCC Http://www.botany.utoronto.ca/utcc UTEX Http://www.utexas.edu/research/utex Vũ Thành Lâm, Mail: lamvt@vnu.edu.vn at website: www.thuviencongdong.net 14
Nuôi tảo quy mô lớn - Thiết kế và quản lý Đối với Spirulina, thông thường, chúng ta sử dụng môi trường Zarrouk có thành phần dinh dưỡng như sau: Thành phần Khối lượng (g/l) K2HPO4 0.5 NaNO3 2.5 K2SO4 1.0 NaCl 1.0 MgSO4. 7H2O 0.2 CaCl2.2H2O 0.04 FeSO4 . 7H2O 0.01 EDTA 0.08 NaHCO3 16.8 Vi lượng A5 1ml Thành phần dung dịch vi lượng A5 như sau: Thành phần Khối lượng (g/l) H3BO3 2.86 MnCl2. 4H2O 1.81 ZnSO4. 4H2O 0.222 Na2MoO4 0.0177 CuSO4. 5H2O 0.079 4.2. Môi trường sử dụng cho nuôi tảo quy mô lớn Thông thường, môi trường sử dụng cho nuôi tảo quy mô lớn được phát triển từ môi trường cơ bản trong phòng thí nghiệm. Thành phần dinh dưỡng liên quan mật thiết đến sự sinh trưởng của tảo và điều kiện khí hậu của vùng nuôi cũng như điều kiện nguồn nước và giá thành, chất lượng của sản phẩm. Thông thường chi phí về môi Vũ Thành Lâm, Mail: lamvt@vnu.edu.vn at website: www.thuviencongdong.net 15
Nuôi tảo quy mô lớn - Thiết kế và quản lý trường nuôi chiếm từ 10-30% tổng giá trị sản phẩm. Ngoài ra việc một số nhà sản xuất tái sử dụng môi trường nuôi nhằm hạ chi phí sản xuất. Một vài loài tảo sản xuất cho mục đích chăn nuôi và xử lý môi trường còn sử dụng nước thải làm môi trường sản xuất như sản xuất Spirulina ở Thái Lan. Việc quản lý duy trì pH và hàm lượng oxy (O2) hoà tan trong nước là rất quan trọng trong quá trình nuôi. Ngày nay một số cơ sở áp dụng máy móc hiện đại nhằm tăng khả năng tự động hoá việc quản lý. Môi trường nuôi tảo Tetraselmis spp. và Nannochloropsis spp. Tên môi trường Thành phần (g/l) F/2 Conway NaNO3 0.075 Na2EDTA 4.36x10-3 6.6x10-3 Na2SiO3. 5H2O 0.018 NaH2PO4. 2H2O 0.05 FeCl3.6H2O 3.15x10-3 KOH 13.3x10-3 KNO3 13.3x10-3 CuSO4. 5H2O 1.1x10-5 1.96x10-5 ZnSO4. 5H2O 2.2x10-5 4.4x10-5 CoCl2. 6H2O 1.1x10-5 2.10-4 MnCl2. 4H2O 1.8x10-3 3.6x10-4 NaMoO4. 2H2O 0.6x10-5 0.125x10-4 (NH4)6Mo7O24. 4H2O 0.126x10-5 Vitamin B12 0.1x10-3 0.5x10-4 Vitamin B1 0.2x10-3 0.2x10-4 Biotin 0.1x10-5 0.01x10-5 Vũ Thành Lâm, Mail: lamvt@vnu.edu.vn at website: www.thuviencongdong.net 16
Nuôi tảo quy mô lớn - Thiết kế và quản lý Môi trường Guillard-Ryther (không sử dụng vitamin). Loại môi trường này thích hợp cho hầu hết các loài tảo biển như Skeletonema, Dunnaniella,... tuy vậy thành phần dinh dưỡng của nó tương đối cao so với hàm lượng các chất tương ứng có trong nước biển. Thành phần đa lượng Khối lượng Thành phần vi lượng Khối lượng (mg/l) (mg/l) NaNO3 84.148 CuSO4. 5H2O 0.0196 NaH2PO4. H2O 10.0 ZnSO4.7H2O 0.0440 Na2SiO3. 9H2O 50.0 CoCl2. 6H2O 0.200 Na2EDTA 10.0 MnCl2. 4H2O 0.3600 FeCl3. 6H2O 2.9 NaMÔ4. 2H2O 0.0126 5. Vận hành và quản lý hệ thống Chúng ta thường xuyên phải kiểm tra về các chỉ số như: nhiệt độ, pH, độ kiềm và độ đục của bể nuôi tảo. Ngoài ra, tuỳ chế độ nuôi và cách nuôi mà ta bổ xung nước và dinh dưỡng hợp lý cho từng loài tảo khác nhau. Cần kiểm tra kỹ chất lượng nguồn nước, kim loại nặng và các chất hoá học khác, điều này ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm. Việc đảm bảo ổn định về thời tiết cũng nên chú trọng, đảm bảo đủ nắng cho tảo quang hợp, che phủ tránh môi trường nuôi bị quá pha loãng khi mưa nhiều. Thường xuyên kiểm tra các chỉ số sinh học sau: Động vật chân chèo (Rotifers) kích thước từ 100 – 2mm Đôi khi một số động vật chân chèo rơi vào trong môi trường và chúng thường sử dụng tảo làm thức ăn. Hãy nhớ rằng vào ban đêm, tảo tiêu thụ oxygen và sản sinh ra CO2. khí này có tác dụng đầu độc động vật. Vì vậy, nếu bạn dừng khuấy vào ban đêm tảo sẽ sử dụng oxygen hòa tan và do đó động vật thiếu oxygen chúng sẽ bị chết. Cách khác để hạn chế động vật là sử dụng chúng. Dùng một lưới dài, hình túi (mắt lưới đường kính 10m), bên trong bể và tại các góc bên phải theo hướng di chuyển của môi Vũ Thành Lâm, Mail: lamvt@vnu.edu.vn at website: www.thuviencongdong.net 17
Nuôi tảo quy mô lớn - Thiết kế và quản lý trường nuôi cấy, bạn có thể với được chúng. Những động vật này là thức ăn rất tốt cho tôm hoặc cá con. Động vật nguyên sinh (kích thước từ 2 - 1mm) Chúng không độc cho người, cũng không hại cho tảo. Có lẽ chúng còn giúp ích cho tảo bởi vì chúng tạo ra một lượng nhỏ CO2 trong nước. Dù sao thì cũng không nên giữ lại chúng trong bể nuôi giống như kiến trong bếp nhà bạn vào mùa hè. Amoeba Những loài này khác với động vật nguyên sinh ở chỗ chúng ăn tảo. R.R. Kudo đã mô tả 74 loài amoeba khác nhau. Có một loài trong số chúng gây nguy hiểm cho người đó là Entamoeba histolytica. Các dạng sống dinh dưỡng hiếm khi nhìn thấy bên ngoài vật chủ (người, chó, mèo). Chúng lan truyền bằng các bào tử “hình trứng”, các bào tử này bị chết trong nước nhiệt độ 45oC trong thời gian 1 h, và nếu ở nhiệt độ 55 oC trong ít giây. Nhiệt độ bên trong của thiết bị sấy sử dụng năng lượng mặt trời dao động từ 50-60 độ C và qúa trình làm khô diễn ra trong suốt 4 h, vì vậy nguy cơ tiềm ẩn từ những sinh vật loại này bị diệt trừ gần như tuyệt đối. Cũng như các động vật nguyên sinh khác, sự cho phép nhiệt độ nuôi cấy từ 40 – 44 độ C trong 1 ngày (cùng với giá trị cao của pH) là rất hiệu qủa để diệt trừ các dạng amip. Tảo tạp Môi trường nuôi cấy còn bị nhiễm các loại tảo khác. Nhưng do nồng độ muối, pH cao, môi trường do đó thường trở nên không thuận lợi với đa số các loài tảo. Ở nồng độ muối đạt 20 g/l hầu như các loài tảo bị tiêu diệt. Có một số loại vi khuẩn lam và tảo xanh lục gây độc cho người và động vật, nhưng người ta có thể phát hiện ra chúng nhờ kính hiển vi và dựa trên các khóa phân loại truyền thống. Một số tảo độc khác cũng gây độc như Anabaena, Aphanizomenon flossaque, và Microcystis aeruginosa dễ dàng được nhận dạng, thậm chí với độ phóng đại thấp. Vi khuẩn Có một số loại vi khuẩn trong bể nuôi cấy, đó là những loại vi khuẩn có mặt phổ biến nhiều nơi. Các nguy cơ tiềm tàng do vi khuẩn này gây ra có thể tác động lên người. Tuy vậy, do pH của hầu hết các loài vi khuẩn gây bệnh cũng như nấm mốc và nấm men, nằm trong khoảng từ 6.0 – 8.0, vì vậy chúng dường như không thích ứng trong bể nuôi Spirulina. Trong trường hợp bể nuôi chứa các yếu tố gây bệnh cho người hoặc một vài Vũ Thành Lâm, Mail: lamvt@vnu.edu.vn at website: www.thuviencongdong.net 18
Nuôi tảo quy mô lớn - Thiết kế và quản lý tác nhân gây ảnh hưởng trong qúa trình thu vớt sinh khối, những tác nhân này có thể bị tiêu diệt bởi nhiệt độ trong qúa trình sấy. Virus Hầu hết các loài virus bị tiêu diệt ở 75 độ C hoặc thấp hơn trong thời gian 1 h. Ở nhiệt độ cao hơn, thời gian diệt giảm đi đáng kể, vì vậy,quá trình sấy, tạo hỗn hợp khô có tác dụng chống lại virus. Đa số virus bị bất hoạt trong thời gian 20 phút với nhiệt độ từ 50 – 60 độ C. Thời điểm thu hoạch Nhà thiên văn Vatican sống ở thế kỷ thứ 16 là Secchi đã phát minh ra thiết bị đơn giản dùng để đo độ trong được gọi là đĩa Secchi. Khi độ sâu của đĩa Secchi đạt từ 1,5-2cm là thời điểm phù hợp để thu hoạch - thu vớt tảo trong bể nuôi cho đến khi độ sâu của đĩa Secchi nhìn thấy được là 4 cm. Sau khi thu hoạch bạn phải bổ xung hóa chất môi trường trở lại bể. Đối với 1 kg tảo Spirulina được thu vớt bạn phải bổ xung 1,4 gam Mg (tương đương với 14,2 gam Magie sulfat), 7,6 gam P (tương đương 42,72 gam K2HPO4), 5,25 gam sulfur (16,48 gam K2SO4), 1 gam canxi (2,77 gam CaCl2), 4,48 gam NaCl (dùng muối biển), 120 gam nitơ (260,86 gam ure) và các chất vi lượng khác. Đối với các loài tảo khác tuỳ thuộc vào môi trường và phương thức nuôi tảo. 6. Thu hoạch tảo và làm khô Thu hoạch tảo và làm khô là khâu quyết định quan trọng trong việc thành bại của cơ sở nuôi tảo. Chất lượng sản phẩm sau đó cũng được quyết định bởi khâu này. Tuỳ theo các loài tảo có kích thước khác nhau mà người ta đưa ra các phương pháp thu hoạch khác nhau. - Tảo tập đoàn như Spirulina với kích thước lớn có thể thu hoạch được bằng phương pháp vớt lọc thông thường. - Đối với các loài tảo đơn bào có kích thước nhỏ hơn có thể thu hoạch bằng phương pháp ly tâm hay vớt lọc phụ thuộc nhiều vào mục đích sử dụng của sản phẩm. - Nuôi tảo cho mục đích cung cấp làm thức ăn trực tiếp cho nuôi thuỷ sản chúng ta có thể cô đặc tảo bằng lưới lọc có kích cỡ mắt lưới nhỏ. Vũ Thành Lâm, Mail: lamvt@vnu.edu.vn at website: www.thuviencongdong.net 19
Nuôi tảo quy mô lớn - Thiết kế và quản lý Ví dụ cụ thể tảo Spirulina có thể được thu hoạch bằng phương pháp sau: Thu hoạch được thực hiện bằng cách thông qua màng lọc polyester, đường kính mắt lưới 30µm. Thiết bị lọc được đặt nghiêng chút ít để có thể tiến hành lọc được liên tục đồng thời rửa và vớt. Sau đó chuyển chúng qua qua giai đoạn vắt nước bằng máy vắt, ép hoặc nhờ màng rung cho nước chảy bớt xuống. Bánh tảo sau đó được cắt ra thành từng miếng, khúc nhờ dao; sau giai đoạn này nước vẫn chiếm 70-80%. Trong giai đoạn này Spirulina do chứa nhiều đạm nên chúng dễ bị vi khuẩn tấn công và lên men tạo ra các sản phẩm không mong muốn chỉ trong vài giờ- tuỳ thuộc vào nhiệt độ. Vì vậy các trang trại nuôi trồng Spirulina thủ công, nhỏ lẻ thường phơi bằng cách cho dịch tảo vào trong các hộp kim loại rồi đem phơi ngoài nắng từ đó sử dụng hơi nóng và gió thổi qua làm bay hơi nước. Người ta còn sử dụng thiết bị đơn giản hình xy lanh, một đầu có châm các lỗ nhỏ đường kính 2 mm, rồi cho tảo vào trong. Sau đó ép mạnh một đầu, tảo sẽ chảy ra thành các sợi như sợi mì tiếp theo trải nhẹ lên các khung bằng kim loại hoặc bằng gỗ rồi đưa vào trong các hộp để làm khô. Hộp làm khô có kích thước các lỗ vào và ra bằng nhau cho phép không khí lưu thông được dễ dàng. Người ta có thể cải tiến hiệu qủa bằng cách gia nhiệt không khí ở bên dưới tấm kính hoặc bạt plastic trước khi cho chúng vào hộp làm khô. 7. Các sản phẩm thông dụng của Tảo hiện nay. a) Trà xanh tảo. Trà, đặc biệt là trà xanh, là loại đồ uống giàu vitamine C. Những loại vi tảo như Spirulina và Chlorella nghèo vitamin C nhưng lại giàu đạm, diệp lục, carotenoid, PUFA (axit béo chuỗi dài không no) , polysaccharide và vi lượng. Người ta cho rằng nếu trộn sinh khối tảo với trà xanh sẽ được loại trà có hàm lượng dinh dưỡng tăng cao. Hiện nay nhu cầu với các loại thực phẩm có dinh dưỡng cao, nhiều thành phần là rất cần thiết. Nhờ có các loại protein, lipid và polysaccharide trọng lượng phân tử thấp, vi tảo sẽ làm cho trà thay đổi đặc tính tán sắc ánh sáng và có bọt hấp dẫn. Vi tảo có diệp lục và phycocyanin, những sắc tố này làm thay đổi mầu sắc của trà thành mầu xanh lục. Vũ Thành Lâm, Mail: lamvt@vnu.edu.vn at website: www.thuviencongdong.net 20