Nghiên cứu thiết lập hệ thống quang sinh học phương nghiêng diện tích màng 2 m2 và điều kiện nuôi cấy cố định vi tảo H. pluvialis để thu sinh khối giàu astaxanthin - NCS. Đỗ Thành Trí

Tên đề tài: Nghiên cứu thiết lập hệ thống quang sinh học phương nghiêng diện tích màng 2 m2 và điều kiện nuôi cấy cố định vi tảo H. pluvialis để thu sinh khối giàu astaxanthin
Ngành: Công nghệ sinh học
Mã số ngành: 62420201
Họ tên nghiên cứu sinh: Đỗ Thành Trí
Khóa đào tạo: 27/2017
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Trần Hoàng Dũng
Người hướng dẫn khoa học: GS. TS. Michael Melkonian
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên-ĐHQG.HCM
1. Tóm tắt nội dung luận án:
Trong luận án này, hệ thống quang sinh học màng đôi chất nền xốp phương nghiêng 15° (viết tắt là TL-PSBR phương nghiêng) được thiết kế, chế tạo và vận hành thành công từ quy mô phòng thí nghiệm với diện tích màng 0,05 m2 đến quy mô pilot với diện tích màng 2 m2. Trong 5 nội dung nghiên cứu, nội dung 1 và 4 tập trung vào vấn đề thiết kế, chế tạo module TL-PSBR phương nghiêng quy mô khác nhau. Hệ thống TL-PSBR phương nghiêng diện tích màng 0,05 m2 gồm các thành phần chính là hệ thống buồng nuôi được đặt theo phương nghiêng 15° so với mặt đất, hệ thống cung cấp dịch dinh dưỡng, hệ thống cung cấp không khí, hệ thống đèn chiếu sáng, và hệ thống khung thép đã được thiết kế và hoàn thiện dần. Các thử nghiệm vận hành hệ thống cho thấy phương thức bổ sung CO2 bằng cách sủi bọt khí chứa 1% CO2 vào môi trường BG11-H làm cho pH môi trường luôn duy trì ở mức ổn định từ 6,5–7,5. Tuy nhiên, tại thời điểm thực hiện thí nghiệm này, hệ thống sủi bổ sung CO2 còn phức tạp, tiêu tốn năng lượng và chi phí vận hành, cần được tiếp tục cải tiến. Vật liệu chính để chế tạo các buồng nuôi là mica (acrylic), sợi thuỷ tinh không dệt được dùng làm lớp nguồn, giấy kraft được chọn làm lớp chất nền để cố định vi tảo.
Trong nội dung 2 và 3, hai giai đoạn khác nhau của vi tảo H. pluvialis đã được nuôi cấy trong TL-PSBR phương nghiêng diện tích màng 0,05 m2. Nuôi cấy thành công H. pluvialis pha xanh trong hệ thống TL-PSBR phương nghiêng để tạo nguồn sinh khối ban đầu cho các hệ thống hệ thống TL-PSBR phương nghiêng quy mô pilot, cung cấp một giải pháp thay thế cho việc nuôi cấy huyền phù sinh khối ban đầu. Để tăng sinh tảo H. pluvialis pha xanh trong TL-PSBR phương nghiêng diện tích màng 0,05 m2, cường độ ánh sáng 80 μmol photon.m−2.s−1 từ đèn huỳnh quang thích hợp cho sự tăng sinh nhưng vẫn giữ các tế bào ở dạng tế bào Palmella xanh. Mật độ sinh khối ban đầu là 6,5 g.m-2 là phù hợp cho sự phát triển của vi tảo trong thời gian nuôi 10 ngày. Cũng trong hệ thống này, một số thí nghiệm cũng được tiến hành để nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến sinh khối và sự tích lũy astaxanthin của H. pluvialis. Kết quả cho thấy mật độ sinh khối ban đầu phù hợp ở cường độ ánh sáng trong khoảng 400–600 µmol photon m-2 s-1 là 5–7,5 g.m-2. Tảo được lưu trữ trong 24 giờ sau khi thu hoạch từ trạng thái huyền phù để cố định vào TL-PSBR mang lại năng suất sinh khối và năng suất astaxanthin cao nhất, lần lượt là 8,7 g.m-2.d-1 và 170 mg.m-2.d-1; thời gian bảo quản lâu hơn làm giảm năng suất. Hiệu suất sử dụng ánh sáng trên mỗi mol photon là cao nhất trong khoảng 300–500 µmol photon.m-2.s-1. Hàm lượng astaxanthin trong sinh khối khô khoảng 2–3 % (w/w).
Trên cơ sở nội dung 1-3, các module TL-PSBR phương nghiêng quy mô pilot với diện tích màng 2 m2 được thực hiện trong nội dung 4. Việc vận hành thử nghiệm hệ thống này đã được thực hiện để kiểm soát các yếu tố chính trong hệ thống gồm nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và phương thức bổ sung CO2.
Ở nội dung 5, các hệ thống LED được ưu tiên tiếp tục sử dụng trong các thử nghiệm. Sự kết hợp giữa đèn LED xanh lam và đỏ với cường độ 100–120 µmol photon.m-2.s-1 trong nuôi cấy H. pluvialis cố định dẫn đến SKK và tích lũy astaxanthin cao nhất so với chỉ sử dụng đèn LED xanh lam hoặc đỏ. Thời gian chiếu sáng bằng đèn LED màu đỏ và xanh lam ở cường độ ánh sáng 120 µmol photon.m-2.s-1 đã được tăng lên 16–24 giờ mỗi ngày. Với chu kì sáng/tối 22/2 h, năng suất sinh khối của tảo là 7,5 g.m-2.ngày-1, cao gấp 2,4 lần so với chu kì 14/10 h. Tỉ lệ astaxanthin trong SKK là 2% và tổng lượng astaxanthin là 1,7 g m-2. Cùng với việc tăng thời gian chiếu sáng, việc bổ sung 10 hoặc 20 mM NaHCO3 vào môi trường nuôi cấy BG11-H trong 10 ngày nuôi cấy ở TL-PSBR phương nghiêng không làm tăng tổng lượng astaxanthin so với việc chỉ bổ sung CO2 ở tốc độ bổ sung 3,6 mg.min-1 vào môi trường nuôi cấy. Việc bổ sung NaHCO3 với nồng độ 30–80 mM đã ức chế sự phát triển của tảo và tích lũy astaxanthin. Việc cung cấp nguồn carbon hiệu quả cho nuôi cấy vi tảo kiểu cố định trong TL-PSBR phương nghiêng vẫn là nhiệm vụ cần được tiếp tục hoàn thiện trong tương lai.
2. Những kết quả mới của luận án:
- Đã thiết lập được hệ thống nuôi TL-PSBR phương nghiêng để áp dụng công nghệ nuôi cấy vi tảo kiểu cố định trong màng sinh học. Trong đó, thiết kế, chế tạo và hoàn thiện được TL-PSBR phương nghiêng quy mô nhỏ, diện tích màng 0,05 m2 và thiết lập được quy trình nuôi tảo vi kiểu cố định trong hệ thống này; Thiết kế, chế tạo được hệ thống TL-PSBR phương nghiêng diện tích màng 2 m2 phương nghiêng dạng module; xây dựng được quy trình vận hành để nuôi vi tảo trong hệ thống này ở quy mô pilot.
- Vận hành hệ thống TL-PSBR phương nghiêng để nuôi cấy thành công chủng vi tảo H. pluvialis CCAC 0125 ở quy mô phòng thí nghiệm, pha xanh và pha đỏ tích luỹ astaxanthin. Ở quy mô pilot với diện tích màng 2 m2, kết quả năng suất sinh khối trung bình đạt khoảng 7,5 g m-2 ngày-1 và hàm lượng astaxanthin xấp xỉ 2,0 % chỉ sau 10 ngày.
3. Các ứng dụng/ khả năng ứng dụng trong thực tiễn hay những vấn đề còn bỏ ngỏ cần tiếp tục nghiên cứu
- Các khả năng ứng dụng trong thực tiễn: ứng dụng hệ thống TL-PSBR phương nghiêng để nuôi các loài vi tảo có giá trị kinh tế như H. pluvialis, Nannochloropsis, Chlorella,…
- Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu: Tiếp tục hoàn thiện công nghệ sản xuất sinh khối H. pluvialis trên hệ thống TL-PSBR phương nghiêng, khả năng sử dụng ánh tự nhiên trong nuôi cấy.