i ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGH Ệ SINH HỌC ------------------oOo------------------- ĐỒ ÁN MÔN HỌC S Ả N XU Ấ T BIODIESEL TỪ VI T Ả O: K Ỹ THU Ậ T NUÔI C Ấ Y VI T Ả O THU LIPID SVTH: BÙI NG ỌC ĐOAN CHIÊUMSSV: 60604048 GVHD: KS. HU ỲNH NGUYỄN ANH KHOA Tp HCM, Tháng 6/2010
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Thực trạng ô nhiễm môi trƣờ ng và sự thiếu hụt nguồn năng lƣợng trong tƣơng lai
chính là mối quan tâm hàng đầu của các quốc gia hiện nay, và biodiesel đƣợ c xem là
một giải pháp khả thi nhằm thay thế cho nguồn nhiên liệu diesel dầu hỏa sử dụng cho
các phƣơng tiện giao thông vận tải lẫn trong công nghiệp.
Trong khi các nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel thông thƣờ ng: dầu thực vật,
mỡ động vật và nguồn dầu mỡ phế thải đều tỏ ra không thể đáp ứng nhu cầu biodiesel
trên toàn thế giớ i, vi tảo lại thể hiện là một đối tƣợ ng rất tiềm năng cho lĩnh vực này
nhờ vào khả năng sản xuất sinh khối lớ n và nguồn lipid thu nhận từ các loài vi tảo
cũng khá phù hợp để điều chế biodiesel.
Tình hình nghiên cứu và áp dụng nuôi cấy vi tảo trên quy mô lớ n ngày càng phổ
biến trong nhiều lĩnh vực nhƣ: sản xuất thực phẩm chức năng và xử lý môi trƣờ ng, do
đó việc ứng dụng nuôi cấy vi tảo trên các môi trƣờ ng sửa đổi để nâng cao năng suấtlipid phục vụ sản xuất biodiesel là hoàn toàn có khả thi.
Nghiên cứu các đặc điểm sinh lý và sinh hóa của loài vi tảo Nannochloropsis
oculata có thể dự đoán đƣợc đây là một loài vi tảo rất phù hợ p vớ i mục tiêu sản xuất
biodiesel: năng suất sinh khối cao trong môi trƣờ ng quang tự dƣỡ ng, hàm lƣợ ng lipid
nhiều và thành phần lipid dễ điều chỉnh theo điều kiện nuôi cấy. Từ đó đề xuất khảo
sát các yếu tố môi trƣờ ng nhằm nuôi cấy Nannochloropsis oculata thu lipid với năng
suất cao: môi trƣờng f/2, độ mặn trong khoảng 22-49g NaCl/L, nhiệt độ môi trƣờ ng25-270C, chiếu sáng bằng đèn huỳnh quang ít tỏa nhiệt 400-500µmol/m2s, hạn chế
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ............................................................................................ iii
MỤC LỤC .......................................................................................................... v
DANH SÁCH BẢNG ....................................................................................... vii
DANH SÁCH HÌNH .......................................................................................... ix
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. x
1. TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL ................................................................... 1
1.1. Định nghĩa các dạng năng lƣợ ng và biodiesel ......................................... 1
1.1.1. Năng lƣợ ng không tái sinh ............................................................... 1
1.1.2. Năng lƣợ ng tái sinh ......................................................................... 2
1.2. Tầm quan trọng của biodiesel và khả năng thay thế cho nguồn nhiên liệu
hóa thạch ......................................................................................................... 4
1.3. Nguyên tắc điều chế và nhu cầu về lipid trong sản xuất biodiesel ........... 7
1.4. Các nguồn nguyên liệu giàu lipid phục vụ cho việc sản xuất biodiesel và
tiềm năng của vi tảo ........................................................................................ 9
2. NĂNG SUẤT LIPID VÀ ẢNH HƢỞ NG CỦA MÔI TRƢỜ NG LÊN SỰ
TÍCH LŨY LIPID CỦA MỘT SỐ LOÀI VI TẢO ........................................ 15
2.1. Các loại vi tảo có chứa nhiều lipid ........................................................ 15
2.2. Một số nghiên cứu về ảnh hƣở ng của điều kiện môi trƣờ ng lên sự tích
lũy lipid ở vi tảo ............................................................................................ 16 2.2.1. Yếu tố nhiệt độ .............................................................................. 16
2.2.2. Yếu tố thành phần môi trƣờ ng ....................................................... 19
3. NUÔI VI TẢO NANNOCHLOROPSIS OCULATA THU LIPID NHẰM
SẢN XUẤT BIODIESEL ................................................................................ 25
Bảng 1. 2: So sánh vi tảo vớ i các nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel ............ 11
Bảng 1. 3: So sánh các thuộc tính giữa dầu từ vi tảo, diesel thông thƣờ ng và tiêuchuẩn ASTM biodiesel [28]............................................................................... 12
Bảng 2. 1: Hàm lƣợng và năng suất lipid của các loài tảo khác nhau ................. 15
Bảng 2. 2: Sự sinh trƣở ng và sản xuất lipid của C. vulgaris tại các nhiệt độ khác
Bảng 3. 2: Thành phần acid béo (%w/w acid béo tổng) của Nannochloropsis sp.vào ngày thứ 10 tại các nhiệt độ khác nhau ........................................................ 30
Bảng 3. 3: Sản lƣợ ng sinh khối và thành phần hợ p chất hóa sinh của
Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nhiệt độ khác nhau ....................... 31
Bảng 3. 4: Sản lƣợ ng sinh khối và hàm lƣợ ng lipid của Nannochloropsis sp. vào
ngày thứ 10 tại các độ mặn khác nhau ............................................................... 36
Bảng 3. 5: Thành phần acid béo (%w/w TFA) của Nannochloropsis sp. vào ngày
thứ 10 tại các độ mặn khác nhau ........................................................................ 37
Bảng 3. 6: Năng suất sinh khối và lipid của N. oculata trong hệ thống nuôi cấy
bán liên tục với các hàm lƣợ ng CO2 khác nhau .................................................. 41
Bảng 3. 7: Tham số sinh trƣở ng và sự sản xuất lipid của N. oculata ở các nồng độ
NaNO3 khác nhau .............................................................................................. 42
Bảng 3. 8: Sản lƣợ ng sinh khối và thành phần hợ p chất hóa sinh của
Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nồng độ NaNO3 khác nhau .......... 44
Hình 1. 1: Sự hình thành các lớ p nhiên liệu hóa thạch ......................................... 1
Hình 1. 2: Các dạng năng lƣợ ng tái sinh .............................................................. 2
Hình 1. 3: Bảng thống kê sử dụng các nguồn năng lƣợ ng .................................... 3
Hình 1. 4: Phản ứng chuyển vị ester .................................................................... 7
Hình 2. 1: Phần trăm các loại FAME trên tổng lƣợ ng FAME (g/100gFAME) của C.
vulgaris tại các nhiệt độ sinh trƣở ng khác nhau ................................................. 17
Hình 2. 2: Phần trăm các loại FAME trên tổng lƣợ ng FAME (g/100gFAME) của C.
vulgaris tại các nồng độ NaNO3 khác nhau........................................................ 23
Hình 3. 1: Thành phần acid béo các lipid chính trong Nannochloropsis sp. ....... 27
Hình 3. 2: Phần trăm các loại acid béo methyl ester trên tổng lƣợ ng acid béomethyl ester (g/100gFAME) của N. oculata tại các nhiệt độ khác nhau ................. 29
Hình 3. 3: Ảnh hƣở ng của mức độ chiếu sáng trên sự sinh trƣở ng của tế bào và
hàm lƣợ ng chlorophyll a đối vớ i Nannochloropsis sp. ...................................... 33
Hình 3. 4: Sự phân phối các acid béo chính trong Nannochloropsis sp. đƣợ c nuôi
cấy theo mẻ dƣớ i ảnh hƣở ng của mức độ chiếu sáng ......................................... 33
Hình 3. 5: Thành phần acid béo của Nannochloropsis sp. khi nuôi cấy trong điều
kiện ổn định liên tục tại ba mức độ chiếu sáng................................................... 35
Hình 3. 6: Ảnh hƣở ng nồng độ khí CO2 lên sự sinh trƣở ng của N. oculata ........ 39
Hình 3. 7: Sự sinh trƣở ng của N. oculata khi nuôi cấy bán liên tục trong môi
trƣờ ng sục khí có chứa 2%, 5%, 10%, 15% CO2 ............................................... 40
Hình 3. 8: Phần trăm các loại FAME trên tổng lƣợ ng FAME (g/100gFAME) của N.
oculata tại các nồng độ NaNO3 khác nhau ......................................................... 43
- Năng lượ ng hạ t nhân: là dạng năng lƣợng đƣợ c hình thành do khả năng
phóng xạ của một vài nguyên tố. Có hai kiểu phản ứng hình thành nên năng
lƣợ ng hạt nhân, đó là phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch.
1.1.2. Năng lƣợ ng tái sinh
Năng lƣợ ng tái sinh là dạng năng lƣợng thu đƣợ c từ các nguồn mà con
ngƣờ i xem là vô hạn. Sự vô hạn ở đây ngoài ý nghĩa nhiều đến mức không thể
cạn kiệt, nên đƣợ c hiểu theo nghĩa rộng hơn đó là có khả năng tái tạo trong một
thờ i gian ngắn và liên tục.
Dạng năng lƣợ ng này bao gồm:
-
Năng lƣợ ng mặt trờ i- Năng lƣợ ng gió
- Năng lƣợ ng sóng
- Năng lƣợ ng thủy triều
- Năng lƣợng địa nhiệt
- Năng lƣợ ng sinh khối
Hình 1. 2: Các dạng năng lƣợ ng tái sinh
Nguồn năng lƣợng tái sinh đang đƣợ c sử dụng nhiều nhất là thủy năng.
Song, nguồn năng lƣợ ng sinh khối cũng là một trong những nguồn đƣợ c con
ngƣờ i khai thác và sử dụng hiệu quả. Sinh khối đƣợ c xem là nguồn năng lƣợ nglớ n thứ tƣ, ƣớ c tính chiếm khoảng 14-15% tổng lƣợng năng lƣợ ng tiêu thụ trên
thế giớ i. Ở các nƣớc đang phát triển, sinh khối thƣờ ng là nguồn năng lƣợ ng lớ n
nhất, trung bình đóng góp khoảng 35% trong tổng cung cấp năng lƣợ ng. Vì vậy,
trong chiến lƣợ c sử dụng các nguồn năng lƣợ ng cách hiệu quả thì năng lƣợ ng
sinh khối luôn đƣợc xem là ƣu tiên hàng đầu và mang tính quyết định trong việcđáp ứng nhu cầu năng lƣợ ng của thế giới trong tƣơng lai [1].
Hiện nay, theo thuật ngữ về nhiên liệu, thì sinh khối (biomass) đƣợ c xem là
nhiên liệu ở dạng rắn, nhiên liệu sinh học (biofuel) là những nhiên liệu dƣớ i dạng
lỏng thu nhận từ sinh khối và cuối cùng khí sinh học (biogas) là sản phẩm của
quá trình phân giải yếm khí các chất hữu cơ [1].
Hai dạng nhiên liệu sinh học phổ biến nhất đó là biodiesel và bio-ethanol, là
hai dạng nhiên liệu tƣơng ứng có thể thay thế đƣợ c cho diesel và gasoline màkhông cần cải tiến nhiều hoặc không cần cải tiến động cơ các phƣơng tiện giao
thông cũng nhƣ máy móc sản xuất. Chúng đƣợ c sản xuất chủ yếu từ sinh khối
hay các nguồn năng lƣợ ng tái sinh khác và góp phần giảm thiểu khí thải từ việc
đốt cháy nhiên liệu so vớ i nhiên liệu hóa thạch tính trên cùng một đơn vị hiệu
suất [80].
- Định nghĩa Biodiesel
Biodiesel là hỗn hợ p các alkyl monoesters thu nhận đƣợ c từ quá trìnhchuyển vị ester dầu thực vật và mỡ động vật [80], có khả năng thay thế cho diesel
từ dầu mỏ.
Hình 1. 3: Bảng thống kê sử dụng các nguồn năng lƣợ ng
1.2. Tầm quan trọng của biodiesel và khả năng thay thế cho nguồn nhiên
liệu hóa thạch
Gần đây, con ngƣời đang quan tâm đến hai vấn đề quan trọng, đó là môi
trƣờ ng và sự khủng hoảng năng lƣợ ng. Đối với môi trƣờ ng, sự nóng dần lên của trái
đất chính là tâm điểm. Mọi ngƣời 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 lƣợ ng 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 CO2. Ngoài ra, sự khủng hoảng năng lƣợ ng khiến cho
giá dầu thô trên thế giới ngày càng tăng, ảnh hƣởng đến tình hình năng lƣợ ng sử
dụng trong gia đình cũng nhƣ trong khu vực [67].
Xét trên lĩnh vực môi trƣờ ng, giao thông vận tải và sản xuất công nghiệp lànhững nguồn thải chủ yếu của con ngƣờ i. Khảo sát tại liên minh Châu Âu, ngƣờ i ta
nhận thấy có đến 20% khí thải nhà kính là do giao thông vận tải và 60% khí thải nhà
kính xuất phát từ các khu công nghiệp [20]. Nông nghiệp là nguồn thải lớ n thứ ba,
tƣơng ứng khoảng 9% khí thải nhà kính, trong đó quan trọng nhất là các khí nitrous
oxide N2O và khí methane CH4 [21]. Theo dự đoán, sự phát triển của các nền kinh
tế mới đang tăng trƣởng nhƣ Ấn Độ và Trung Quốc sẽ làm gia tăng sự tiêu thụ năng
lƣợ ng trên toàn cầu, dẫn đến thêm nhiều mối nguy hại cho môi trƣờ ng [35].
Khí nhà kính không chỉ góp phần gây ra hiện tƣợ ng nóng dần lên của trái đất
mà còn gây ra nhiều ảnh hƣớ ng khác tớ i môi trƣờng và đờ i sống nhân loại. Các đại
dƣơng hấp thụ khoảng một phần ba lƣợ ng CO2 thải ra mỗi năm do các hoạt động
của con ngƣờ i. Khi nồng độ CO2 tăng lên trong không khí, lƣợ ng hòa tan trong
nƣớ c biển cũng tăng, dẫn đến giảm pH và nƣớ c biển có tính acid hơn. Sự giảm pH
là một điều kiện bất lợ i có thể gây ra những hủy hoại nhanh chóng đối vớ i các rặng
san hô cũng nhƣ sự đa dạng sinh thái đại dƣơng, vốn có quan hệ to lớn trong đờ i
sống các sinh vật đại dƣơng và trên cạn [55].
Chính sự nóng dần lên của trái đất đã, đang và sẽ tiếp tục ảnh hƣởng đến nhiều
khía cạnh khác nhau của đờ i sống nhân loại và môi trƣờ ng 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 [40].
Xét trên l ĩ nh vực khủng hoảng năng lƣợ ng, 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 [40]. Đây thực sự là những trở ngại lớ n đối vớ i vấn đề giao thông
vận tải, vì cho tớ i hiện nay vẫn chƣa tìm ra đƣợ c nguồn nguyên liệu nào có thể thay
thế cho nguồn nguyên liệu hóa thạch với giá thành tƣơng đƣơng [80].
Tìm kiếm những nguồn nguyên liệu sạch và có khả năng tái sinh là một trong
những vấn đề thách thức nhất mà con ngƣời đang phải đối mặt trong hiện tại lẫn về
lâu dài. Đây là vấn đề liên quan mật thiết vớ i sự phát triển kinh tế và sự thịnh vƣợ ng
cũng nhƣ chất lƣợ ng cuộc sống, sự bền vững toàn cầu do đó đòi hỏi các nhà đầu tƣ
phải có những quyết định lâu bền và những giải pháp dài hạn [80].
Hiện nay, nhiều lựa chọn đang đƣợ c nghiên cứu và đƣa vào thực nghiệm, đã
đạt đƣợ c những mức độ thành công khác nhau trong các giai đoạn nghiên cứu và
thực nghiệm khác nhau, bao gồm các nguồn năng lƣợng nhƣ năng lƣợ ng mặt trờ i,
bao gồm cả nhiệt năng và quang năng, thủy điện, địa nhiệt, gió, nhiên liệu sinh học,và sự cô lập carbon, cùng những loại khác [19, 27]. Mỗi loại đều có những ƣu điểm
cũng nhƣ những vấn đề vƣớ ng mắc, tùy thuộc vào khu vực áp dụng, những điều
kiện khác nhau sẽ có mức độ phù hợ p tốt hơn đối vớ i từng loại phƣơng pháp. Mục
tiêu quan trọng đó là giảm thiểu các khí thải từ các phƣơng tiện chuyên chở, nhƣ là
thay thế dần từng bƣớ c một nguồn nguyên liệu hóa thạch bằng những nguồn nguyên
liệu tái sinh, trong đó nhiên liệu sinh học đƣợ c xem là một cộng tác viên thực sự để
đạt đƣợ c những mục tiêu đó, đặc biệt trong tƣơng lai gần [80].
Trái đất nóng dần lên, do sự gia tăng nồng độ của khí nhà kính trong không
khí, đã và đang là mối lo ngại quan trọng nhất về môi trƣờ ng [85]. Giảm bớ t sự hình
thành CO2 trong khí quyển, nhiệm vụ hàng đầu của việc làm giảm hiệu ứng nhà
kính, có thể thực hiện bởi ba phƣơng pháp sau [6]:
- Giảm bớ t sử dụng nhiên liệu hóa thạch
- Loại bỏ CO2 trong khí quyển
- Thu hồi và cô lập hoặc tận dụng CO2 từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch trƣớ c
khi nó đƣợ c thải ra môi trƣờ ng.
Sản xuất nhiên liệu sinh học có thể đem lại những cơ hội mớ i góp phần gia
tăng sự đa dạng về các nguồn thu nhập cũng nhƣ các nguồn cung cấp năng lƣợ ng,
cụ thể là đẩy mạnh việc làm ở các vùng nông thôn, phát triển sự thay thế dài hạn đối
vớ i nguồn nhiên liệu hóa thạch, và giảm bớt lƣợ ng khí thải nhà kính, đẩy mạnh việc
loại bỏ Carbon từ các nhiên liệu vận tải và nâng cao sự an toàn trong việc cung cấp
Tìm kiếm những nguồn nguyên liệu thay thế đang là vấn đề nóng bỏng đối vớ i
nhiều nƣớc, đặc biệt là những nƣớ c thiếu các nguồn tài nguyên năng lƣợ ng thông
thƣờ ng. Vào những thập niên 1930 và 1940, dầu thực vật đã đƣợ c sử dụng nhƣ là
nhiên liệu diesel trong những trƣờ ng hợ p khẩn cấp. Trong những năm gần đây, khinền công nghiệp hiện đại phát triển ngày một rộng rãi và quy mô, nhu cầu về năng
lƣợng đã gia tăng đột biến, vì vậy những nguồn năng lƣợ ng thay thế đang đƣợ c
thăm dò và nghiên cứu ráo riết. Trong tổng số các động cơ phƣơng tiện hiện nay, tỷ
lệ phƣơng tiện sử dụng nhiên liệu diesel ngày càng phổ biến và đƣợ c sử dụng nhiều
hơn. Thêm vào đó, động cơ diesel cũng đƣợ c sử dụng rộng rãi trong công nghiệp
[75]. Vì vậy, nhiên liệu diesel là nguồn sử dụng lớ n nhất trong số các nhiên liệu dầu
mỏ sử dụng cho động cơ, và tỷ lệ này tăng lên liên tục ngày qua ngày [11]. Từ đó,
nhu cầu đối vớ i biodiesel càng trở nên cấp thiết, và thuật ngữ “biodiesel” xuất hiện
một cách thƣờ ng xuyên trong các bài báo cáo gần đây [24].
Biodiesel đƣợ c sản xuất từ sinh khối dầu (biomass oils), chủ yếu là từ dầu thực
vật. Biodiesel trở thành nguồn năng lƣợng đáng đƣợ c chú ý vì những lý do nhƣ sau.
- Thứ nhất, biodiesel là nguồn năng lƣợ ng tái sinh có thể đáp ứng cung và cầu.
Ngƣời ta đã ƣớc tính đƣợ c rằng lƣợ ng dầu mỏ dự trữ sẽ hoàn toàn cạn kiệt
trong vòng 50 năm trở lại tính theo mức tiêu thụ hiện nay [70].
- Thứ hai, biodiesel cho thấy thân thiện với môi trƣờng hơn các loại nhiên liệu
hóa thạch. Sử dụng biodiesel không làm gia tăng lƣợ ng khí thải carbon
dioxide nhƣng lại có hàm lƣợ ng các khí sulfur thấp hơn hẳn [4, 82]. Thành
phần khí thải sulfur và carbon monoxide giảm thiểu lần lƣợ t là 30% và 10%
khi sử dụng biodiesel. Lƣợ ng khí tạo thành trong quá trình đốt cháy nhiên liệu
có thể ít lại, và sự giảm bớ t carbon monoxide là nhờ vào hàm lƣợ ng oxygen
cao có trong biodiesel. Hơn nữa, biodiesel không chứa các hợ p chất dễ bay
hơi và các hợ p chất hóa học khác gây hại cho môi trƣờ ng. Gần đây, các cuộcđiều tra cho thấy rằng sử dụng biodiesel giảm thiểu đƣợ c 90% chất độc hại
trong không khí và 95% các bệnh ung thƣ khi so sánh với diesel thông thƣờ ng
[69].
- Thứ ba, biodiesel đem lại tiềm năng kinh tế đáng kể bởi vì trong tƣơng lai,
các dạng năng lƣợng không tái sinh nhƣ nhiên liệu hóa thạch sẽ ngày một gia
tăng giá thành là một điều không thể tránh khỏi [10].
- Cuối cùng, biodiesel tốt hơn diesel thông thƣờ ng ở nhiệt độ phát cháy và khả
Trong phản ứng chuyển vị ester, tác nhân phản ứng là dầu hay mỡ cùng các
alcohol có mạch carbon ngắn (thƣờ ng là methanol), có sự hiện diện của chất xúc tác
(thƣờ ng là NaOH). Mặc dù tỷ lệ phân tử gam giữa alcohol : dầu theo lý thuyết là 3:1
nhƣng thông thƣờng ngƣờ i ta áp dụng theo tỷ lệ 6:1 để phản ứng xảy ra hoàn toàn.Mối quan hệ giữa nguyên liệu đầu vào và sản phẩm biodiesel đầu ra đạt tỷ lệ
khoảng 1:1, nghĩa là theo lý thuyết, 1kg dầu sẽ tạo ra đƣợ c 1 kg biodiesel [80].
Có thể sử dụng chất xúc tác đồng thể hay dị thể, acid, base hoặc enzyme lipase
để tăng mức độ phản ứng chuyển vị ester, mặc dù đối vớ i vài quá trình sử dụng các
chất lỏng siêu tớ i hạn (methanol hoặc ethanol) có thể không cần dùng đến các chất
xúc tác [84]. Trong công nghiệp, thƣờ ng sử dụng nhất là các chất xúc tác đồng thể
có tính kiềm (ví dụ nhƣ NaOH hay KOH) trong các bình phản ứng có khuấy đảo,thực hiện theo mẻ [80]. Các phản ứng chuyển vị ester đƣợ c xúc tác bở i các chất có
tính kiềm có tốc độ phản ứng nhanh hơn 4000 lần so vớ i xúc tác bở i acid [25].
Trong phân tử triglyceride, khối lƣợ ng glycerol là khoảng 41 g/mol, trong khi
khối lƣợ ng các gốc acid béo dao động từ 650-790 g/mol. Chính thành phần các gốc
acid béo tạo ra các nhóm hoạt động trong phân tử glyceride, và chúng có tầm ảnh
hƣởng đáng kể đến tính chất của dầu thực vật và mỡ động vật [11].
Trong quá trình sản xuất biodiesel, ngƣờ i ta có thể sử dụng nguồn lipid từ dầuthực vật, mỡ động vật hoặc các loại dầu thải. Tuy nhiên, để sản xuất biodiesel đạt
chuẩn nhiên liệu, tính chất của nguồn nguyên liệu rất quan trọng, ngay từ quá trình
nghiên cứu ban đầu cho tới giai đoạn sản xuất, vì chất lƣợ ng của biodiesel phụ
thuộc vào chất lƣợ ng nguồn nguyên liệu [11].
Những nguồn nguyên liệu giàu các acid béo chƣa bão hòa chứa nhiều nối đôi
(polyunsaturated) thì dễ mắc phải quá trình oxy hóa hơn các nguồn lipid có nhiều
acid béo bão hòa hay chỉ có một nối đôi trong mạch (monounsaturated) [11].
Tuy nhiên, biodiesel từ nguồn nguyên liệu chứa một lƣợ ng lớ n các acid béo
bão hòa sẽ có nhiệt độ điểm sƣơng (nhiệt độ biodiesel bắt đầu xuất hiện tinh thể) và
nhiệt độ dòng chảy (nhiệt độ thấp nhất mà biodiesel vẫn có thể bơm và chảy đƣợ c
trong ống dẫn) cao. Thực tế cho thấy, biodiesel từ dầu thực vật có nhiệt độ điểm
sƣơng và nhiệt độ dòng chảy thấp hơn biodiesel từ mỡ động vật [11].
Nếu nguồn nguyên liệu lipid chứa một lƣợ ng lớ n các acid béo tự do và nƣớ c
thì quá trình chuyển vị ester sẽ gặp nhiều khó khăn vì chúng không thể chuyển hóa
đƣợ c thành biodiesel thông qua phản ứng xúc tác vớ i kiềm. Đây là vấn đề vƣớ ng
mắc khi sử dụng dầu đã qua chế biến, dầu thải nhà hàng, dầu cặn, mỡ động vật làm
nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel dù đây là những nguồn nguyên liệu có giá
thành rẻ [11].
Thành phần ester phổ biến nhất trong biodiesel là ester của các acid palmitic,
acid stearic, acid oleic, acid linoleic và acid linolenic. Các loại nguyên liệu nhƣ đậu
nành, hoa hƣớng dƣơng, hạt cải dầu (canola), cọ và lạc có thành phần lipid khá phù
hợp nhƣ trên [26]. Trong số đó, methyl oleate đƣợ c xem là thành phần chính lý
tƣởng để sản xuất biodiesel. Một số ester khác nhƣ methyl palmitoleic cũng có
những ƣu điểm, khi so vớ i methyl oleate thì trội hơn về nhiệt độ đông đặc thấp [26].
Bảng 1. 1: Các acid béo thƣờ ng có trong các nguồn nguyên liệu dùng sảnxuất biodiesel [26]
1.4. Các nguồn nguyên liệu giàu lipid phục vụ cho việc sản xuất biodiesel
và tiềm năng của vi tảo
Thông thƣờ ng, biodiesel chủ yếu đƣợ c sản xuất từ dầu của đậu nành và các
loại rau quả [9], cọ [2], hoa hƣớng dƣơng [4], hạt cây cải dầu [58] cũng nhƣ dầu phế
thải từ các nhà hàng [8]. Số lƣợ ng nguyên tử carbon trong chuỗi mạch carbon củaphân tử dầu diesel vào khoảng 15C, và điều này gần nhƣ tƣơng ứng vớ i dầu thực
vật vớ i chuỗi carbon vào khoảng 14-18C. Các đặc điểm về cấu trúc của biodiesel
cho thấy rằng biodiesel có thể ứng dụng để thay thế đƣợc cho năng lƣợ ng thông
thƣờ ng. Hiện tại, giá thành của biodiesel thì cao gấp 2 lần so với diesel thƣờ ng. Chi
phí sản xuất biodiesel bao gồm 2 phần chính, đó là chi phí cho nguồn nguyên liệu
thô (dầu thực vật và mỡ động vật) và chi phí quá trình. Chi phí cho nguồn nguyên
liệu thô chiếm khoảng 60-75% tổng chi phí nhiên liệu biodiesel [39]. Dù vậy, vẫn
có thể tìm đƣợ c một lƣợ ng lớ n dầu mỡ giá thành thấp từ các chế phẩm phế thải nhà
hàng và từ động vật [30], vấn đề chính khi sử dụng những nguồn dầu mỡ này đó là
chúng thƣờ ng chứa nhiều acid béo tự do gây khó khăn cho quá trình sản xuất
biodiesel thông qua quá trình chuyển vị ester [17]. Nguồn nguyên liệu thô có tỷ lệ
triglyceride cao thì phù hợp hơn. Ví dụ nhƣ dầu thực vật là loại nguyên liệu có tỷ lệ triglyceride rất cao, do đó nó đƣơc sử dụng để sản xuất biodiesel trong vài năm qua
[18].
Tuy nhiên, dầu thực vật còn là nguồn tiêu thụ của con ngƣờ i. Vì vậy sử dụng
dầu thực vật sản xuất biodiesel có thể làm cho giá thành dầu thực vật dùng trong
thực phẩm tăng cao, từ đó dẫn đến giá thành biodiesel cao và ngƣờ i tiêu dùng hạn
chế sử dụng dù rằng biodiesel có nhiều ƣu điểm hơn so vớ i diesel [80].
Dầu thực vật đƣợ c sử dụng trong nhiều mục đích thƣơng mại và khả năngcung ứng dầu thực vật cho việc sản xuất biodiesel thì không thể đáp ứng nổi tiềm
năng thƣơng mại của biodiesel trên một khu vực. Một ví dụ cụ thể đó là để đáp ứng
đƣợ c 10% chỉ tiêu tại EU từ việc sản xuất quy mô hộ gia đình, thì nguồn nguyên
liệu thực sự cung cấp không đủ cho nhu cầu hiện tại, và sự đòi hỏi về diện tích canh
tác thì vƣợ t xa tiềm năng phát triển đất trồng đối vớ i các loại cây trồng sản xuất
năng lƣợ ng sinh học [68]. Mở rộng trồng trọt, áp lực trong sự thay đổi sử dụng đất
trồng và sự gia tăng các cánh đồng canh tác có thể dẫn tớ i cạnh tranh đất đai và làm
mất đi sự đa dạng sinh học do sự lấn chiếm rừng và các vùng sinh thái quan trọng
[64]. Biodiesel sẽ không còn đƣợ c xem là một giải pháp ƣu việt khi nó chiếm dụng
nguồn cây trồng phục vụ cho những lợ i ích khác của con ngƣờ i hay nguồn nguyên
liệu của nó xâm lấn vào diện tích rừng và các môi trƣờ ng trọng yếu khác có liên
quan mật thiết đến sự đa dạng sinh học [80].
Giá thành và những khó khăn trong việc thu nhận và tinh chế các nhiên liệu
hóa thạch cùng những chính sách ở cấp độ khu vực cho tớ i quốc gia sẽ ngày càng
thúc đẩy gia tăng sản xuất biodiesel hoặc các loại nhiên liệu tái sinh khác. Và để biodiesel có thể trở thành quen thuộc đối với ngƣờ i tiêu dùng thì giá cả của nó phải
cạnh tranh đƣợ c với diesel thông thƣờ ng. Do đó mục tiêu đặt ra là phải giảm bớ t
đƣợ c chi phí cho nguồn nguyên liệu thô vốn chiếm 60-70% tổng chi phí nhiên liệu
biodiesel [11].
Để không phải cạnh tranh vớ i nguồn dầu thực phẩm, biodiesel nên đƣợ c sản
xuất từ các nguồn nguyên liệu giá thành rẻ nhƣ là các nguồn dầu phi thực phẩm, sử
dụng dầu rán, mỡ động vật, dầu cặn, và dầu nhờ n. Tuy nhiên, khối lƣợ ng dầu thảivà mỡ động vật sẵn có thì không đủ để đáp ứng nhu cầu biodiesel hiện nay. Vì vậy,
công nghệ sản xuất biodiesel chuyển tiếp qua một thế hệ mớ i, thế hệ thứ hai, lấy
nguồn nguyên liệu là sinh khối vi tảo, có thể góp phần giảm bớt đƣợ c những đòi hỏi
bức thiết về mặt bằng nhờ có hiệu suất năng lƣợng cao hơn trên mỗi đơn vị diện
tích đất cũng nhƣ không cạnh tranh ảnh hƣở ng tới đất nông nghiệp. Hơn nữa,biodiesel cần phải có mức tác động môi trƣờ ng thấp hơn và bảo đảm có cùng chất
lƣợ ng so vớ i các nguồn nhiên liệu hiện nay [61].
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 trồng vi tảo vớ i việc khai thác các nguồn
sinh khối khác qua bảng số liệu sau:
Bảng 1. 2: So sánh vi tảo vớ i các nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel khác [80]
Để giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lƣợ ng toàn cầu, tìm kiếm các nguồn
nguyên liệu sinh học giàu lipid để sản xuất biodiesel đạt hiệu quả cao đang thu hút
rất nhiều sự quan tâm. Các vi sinh vật có chất dầu đƣợ c kỳ vọng nhờ có chu kỳ sinh
trƣở ng ngắn, hàm lƣợ ng lipid cao và dễ dàng đƣợ c cải tạo giống bởi các phƣơngtiện công nghệ sinh học. Vài loài vi tảo đƣợ c liệt vào nhóm vi sinh vật giàu chất dầu
phù hợ p vớ i nhu cầu sản xuất lipid [15]. Vi tảo đƣợ c xem là đối tƣợ ng tiềm năng để
sản xuất nhiên liệu bở i rất nhiều ƣu điểm nhƣ là hiệu suất quang hợ p cao, sinh khối
lớ n và mức độ sinh trƣởng cao hơn khi so sánh vớ i các loại cây trồng sản xuất năng
lƣợ ng [50].
Trong số các nguồn sinh khối, vi tảo đƣợ c xem là một nguồn sinh khối hiện
đại và có nhiều tiềm năng nhất hiện nay bở i vì vi tảo có khả năng quang hợ p hiệuquả hơn bất kỳ loại sinh khối thực vật nào khác, mà theo Hall in Ref, quá trình
quang hợ p của vi sinh vật là quá trình tái sinh sử dụng năng lƣợ ng mặt trời để
chuyển hóa thành một dạng năng lƣợ ng dự trữ mới dƣớ i dạng các liên kết hóa học,
ngoài ra con ngƣờ i hoàn toàn có thể chủ động sản xuất sinh khối vi tảo vớ i số lƣợ ng
lớ n. Vì vậy nếu có thể thu hồi năng lƣợ ng với năng suất cao từ chúng thì sinh khối
vi tảo đƣợ c xem là một nguồn tài nguyên đầy hứa hẹn để sản xuất nhiên liệu [67],
và vi tảo có thể đƣợc xem nhƣ một nguồn năng lƣợ ng thay thế cho nguồn năng
lƣợ ng hóa thạch đang cạn kiệt dần [48]. Hơn nữa, theo tiêu chuẩn biodiesel củaAmerican Society for Testing Materials (ASTM), biodiesel từ dầu vi tảo có các
thuộc tính tƣơng tự vớ i biodiesel tiêu chuẩn, và nó cũng an toàn hơn vì có nhiệt độ
phát cháy cao.
Bảng 1. 3: So sánh các thuộc tính giữ a dầu từ vi tảo, diesel thông thƣờ ng vàtiêu chuẩn ASTM biodiesel [28]
Thuộc tính Biodiesel từ vi tảo DieselTiêu chuẩn
biodiesel ASTM
Khối lƣợ ng riêng(kg/L)
0.864 0.838 0.84-0.90
Độ nhớ t (mm2 /s,cSt tại 400C)
5.2 1.9-4.1 3.5-5.0
Điểm phát cháy(0C)
115 75 Tối thiểu 100
Điểm đông đặc(0C)
-12 -50-10 -
Chỉ số acid (mgKOH/g)
0.374 Tối đa 0.5 Tối đa 0.5
Giá trị nhiệt năng 41 40-45 -Tỷ lệ H/C 1.81 1.81 -
Những ƣu điểm khi nuôi cấy vi tảo nhƣ nguồn tài nguyên sinh khối:
- Tảo đƣợc xem là các cơ thể sống có khả năng thu nhận năng lƣợ ng mặt trờ i
để tạo ra các hợ p chất hữu cơ rất hiệu quả [83].
- Tảo đƣợ c xếp vào loài thực vật không có hệ mạch dẫn, đa phần đều thiếu cơ
quan sinh sản phức tạp [83].
- Vi tảo dễ dàng nuôi cấy để sản xuất một số hợ p chất đặc thù chọn lọc, có giá
trị kinh tế vớ i nồng độ cao nhƣ protein, carbohydrate, lipid và các sắc tố dựa
vào các điều kiện sinh trƣởng đa dạng [83]. Từ đó có thể tối ƣu hóa môi
trƣờng để thu đƣợ c sinh khối với hàm lƣợ ng lipid cao.
- Vi tảo thuộc vào nhóm vi sinh vật sinh sản theo chu kỳ phân đôi tế bào [83].
-
Vi tảo có thể sống đƣợ c ở môi trƣờng nƣớ c biển, nƣớ c lợ hoặc nƣớ c ngọt.Mặc dù vi tảo sống trong môi trƣờng nƣớc, nhƣng không đòi hỏi cần nhiều
nƣớc nhƣ các loại cây trồng khác [43]. Mặt khác, vi tảo cũng có thể thích nghi
với môi trƣờng nƣớ c thải, do đó không cần thiết phải tốn chi phí sử dụng
nƣớ c sạch [80].
- Hệ thống sản xuất sinh khối tảo dễ dàng thích nghi ở các quy mô và kỹ thuật
khác nhau [83].
- Việc nuôi thu sinh khối vi tảo không đòi hỏi nhiều diện tích nhƣ khi trồng các
loại cây lấy dầu khác [15], và năng suất sinh khối vi tảo cũng không phụ thuộc vào thờ i tiết hay ảnh hƣở ng của môi trƣờ ng [43]. Biodiesel sản xuất từ
vi tảo không làm ảnh hƣởng đến việc sản xuất thực phẩm và các sản phẩm
khác từ thực vật [28].
- Vi tảo có mức độ sinh trƣở ng rất nhanh, chu kỳ sinh trƣở ng hoàn tất chỉ trong
vài ngày [71], và có rất nhiều loài tảo chứa nhiều dầu [28], năng suất dầu trên
mỗi đơn vị nuôi cấy vi tảo có thể cao vƣợ t trội hơn so với năng suất dầu của
cây có hạt chứa hàm lƣợ ng dầu nhiều nhất [43]. Thông thƣờ ng các loài vi tảo
có hàm lƣợ ng dầu vào khoảng 20-50% [15].
Ví dụ nhƣ loài tảo Chlorella protothecoides khi nuôi theo phƣơng thức dị
dƣỡ ng có thể tích lũy lipid đạt 55% khối lƣợ ng khô của tế bào sau 144h nuôi
cấy trong môi trƣờ ng có bổ sung bột cao ngô trong fermenter [87].
- Sản xuất sinh khối vi tảo có thể đƣợ c xem là một phƣơng pháp cố định trực
tiếp khí thải CO2 vì vi tảo sử dụng CO2 nhƣ nguồn Carbon nhờ khả năng
quang hợ p (1kg sinh khối khô đòi hỏi cần có 1.8kg CO2) [43].
- Nuôi cấy vi tảo không cần dùng các loại thuốc xịt cỏ hay thuốc trừ sâu [43].
oleoabundans…, nhƣng do Nannochloropsis oculata nuôi theo phƣơng pháp tự
dƣỡ ng có sức sinh sản cao, lƣợ ng sinh khối trong ngày lớ n, 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.
2.2. Một số nghiên cứ u về ảnh hƣở ng của điều kiện môi trƣờ ng lên sự
tích lũy lipid ở vi tảo
Năng suất dầu của vi tảo là khối lƣợ ng dầu đƣợ c sản xuất trên mỗi đơn vị thể tích canh trƣờ ng vi tảo mỗi ngày, phụ thuộc vào mức độ sinh trƣở ng của tảo và hàm
lƣợ ng lipid có trong sinh khối. Xem xét qua một vài kết quả nghiên cứu, ta có thể
thấy rằng hàm lƣợ ng và đặc tính của lipid trong tế bào vi tảo rất đa dạng, tùy thuộc
vào sự thay đổi của điều kiện sinh trƣởng (nhƣ nhiệt độ và cƣờng độ chiếu sáng)
hay thành phần dinh dƣỡng trong môi trƣờ ng nuôi cấy (nhƣ nồng độ nitrogen,
phosphate và sắt) [34, 44].
2.2.1. Yếu tố nhiệt độ Nhiệt độ ảnh hƣở ng sâu sắc đến sự sinh trƣở ng 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.
Một ví dụ cụ thể đó là Chlorella vulgaris trong thí nghiệm của Attilio và
các cộng sự: loài vi tảo này đƣợc nuôi trong môi trƣờng cơ bản Bold, sử dụng
CO2 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 phƣơng thức quang tự dƣỡng trong 14 ngày dƣớ i ánh sáng liên tục có cƣờng độ
70µE/m2s, ở các nhiệt độ 25, 30, 35 và 380C [5].
Sự sinh trƣở ng của C. vulgaris bị ảnh hƣở ng mạnh mẽ khi nhiệt độ trên
300C. Ở 350C, loài vi tảo này bắt đầu bị ức chế, cụ thể là mức độ sinh trƣởng đặc
trƣng đã giảm 17% so vớ i ở 300C. Khi tăng nhiệt độ lên cao hơn nữa (380C), sự
sinh trƣở ng 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 trƣở ng của tế bào vi tảo có kết quả là số âm [5].
Hàm lƣợ ng lipid trong vi tảo có thể tăng lên dƣới các điều kiện nuôi cấy
khác nhau nhƣ sự thiếu hụt nitrogen [34, 79, 42], cƣờng độ chiếu sáng mạnh
[37], nhiệt độ thấp [62], nồng độ muối cao [78], và nồng độ sắt cao [44]. Dƣớ i
các điều kiện kích thích, nhiều loài vi tảo có thể đáp ứng bằng cách gia tăng hàm
lƣợ ng lipid, thông thƣờ ng từ 30% tớ i 60% (w/w) tế bào khô [14].
2.2.2.1. Thành phầ n Carbon
Cả hai loại nguồn carbon phi hữu cơ (CO2) lẫn carbon hữu cơ (glucose,
acetate…) đều đƣợ c vi tảo sử dụng để sản xuất lipid. Do vi tảo có khả năng sử
dụng CO2 nhƣ nguồn carbon chính trong thành phần dinh dƣỡ ng nhờ vào khả
năng quang hợp, con ngƣời hƣớng đến việc cô lập CO2 từ các nguồn khí thải
để tận dụng cho quá trình quang hợ p của vi tảo, một mặt giảm đƣợ c 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 trƣờ ng và khắc phục hiện tƣợ ng nóng dần lên
của trái đất do các loại khí nhà kính [12]. Theo ƣớ c tính, để sản xuất đƣợ c 100
tấn sinh khối vi tảo thì có khoảng 180 tấn CO2 đƣợ c sử dụng trong quá trình
quang hợp dƣới điều kiện ánh sáng tự nhiên hoặc nhân tạo [5].
Để việc sản xuất biodiesel và làm giảm CO2 trong không khí đạt hiệuquả, các loài vi tảo phải đƣợ c chọn lựa thỏa mãn các yêu cầu: sinh trƣở ng
mạnh, hàm lƣợ ng lipid nhiều và có khả năng thích nghi tốt khi mức độ CO2
cao [12]. Khi khảo sát yếu tố nồng độ CO2 đối vớ i mức độ sinh trƣở ng và sự
tích lũy lipid trên một số loài tảo đƣợ c lựa chọn nhằm sản xuất lipid, Chan
Yoo và các cộng sự đã đạt đƣợ c một số kết luận nhƣ sau [12]:
Ba loài tảo Scenedesmus sp., Chlorella sp., và Botryococcus braunii
đƣợ c nuôi trong điều kiện nhiệt độ 25 ± 1
0
C, chiếu sáng liên tục 150µmol/m
2
strong 2 tuần. Để rút ngắn thờ i gian phase lag, vi tảo trƣớc đó đƣợ c nuôi trong
môi trƣờ ng sục không khí có 2% CO2 trong 1 tuần trƣớ c khi cấy mẫu. Môi
trƣờ ng nuôi cấy thực sự thì sử dụng không khí chứa 10% CO2 hoặc khí thải từ
ống khói vớ i vận tốc 0.3v/v/m, nồng độ CO2 là 5.5%.
- Đối vớ i mức độ sinh trƣở ng của tế bào khi nồng độ CO2 là 10%
Trong ba loài đƣợ c khảo sát thì Scenedesmus sp. là loài đạt năng suất
sinh khối cao nhất. Sinh khối tối đa đạt đƣợ c là 3.13g/L vào ngày thứ 14, năngsuất sinh khối đạt 217.50 ± 11.24 mg sinh khối khô/L.ngày. Trong một nghiên
cứu khác của Morais và Costa [51], đối vớ i 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 vớ i 6% CO2 lần lƣợ t là 87 và 85mg sinh khối khô/L.ngày. Hơn nữa,hai loài tảo này cũng có thể sống trong môi trƣờ ng chứa CO2 vớ i 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 vớ i nồng độ CO2 là 12% [50]. Qua đó
thấy rằng, khi nuôi ở 10% CO2, năng suất sinh khối của Scenedesmus sp. cao
gấp 2-3 lần so vớ i các nghiên cứu ở nồng độ khác, và cả ba loài tảo đƣợ c khảo
sát ở nồng độ CO2 này đều không gặp phải bất kỳ ảnh hƣở ng xấu nào. Tuy
nhiên, B. braunii lại có mức độ thích nghi chậm vớ i nồng độ CO2 10%, do đó
mức sinh trƣở ng 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 trƣờ ng [60]. Lee và các
cộng sự [41] đã đề xuất rằng khi tăng mật độ tế bào ban đầu thì sẽ tăng đƣợ c
sức chịu dựng của vi tảo đối vớ i nồng độ CO2 cao và giảm đƣợ c thờ i gian
thích nghi. Nhƣ vậy, nếu B. braunii đƣợ c cho thích nghi vớ i nồng độ CO2 thấp
trƣớc đó, thì mức độ sinh trƣở ng và sản lƣợ ng sinh khối sẽ có thể gia tăng mà
không cần qua trải qua thờ i kỳ thích nghi [12].
- Đối vớ i lipid và acid béo khi nồng độ CO2 là 10%
Hàm lƣợ ng lipid tổng trong vi tảo theo nghiên cứu của Chan Yoo và các
cộng sự đạt từ 6.25% tớ i 25.79% khối lƣợ ng khô. Từ ngày thứ 7 đến ngày thứ
14, các giá trị có xu hƣớ ng giảm. Hàm lƣợ ng lipid trong Scenedesmus sp. thì
thấp hơn so vớ i B. braunii, nhƣng do Scenedesmus sp. có năng suất sinh khối
cao nên có năng suất lipid tổng cao nhất trong ba loài khảo sát.
Bảng 2. 3: Năng suất sinh khối và năng suất lipid của Botryococcus braunii,Chlorella vulgaris và Scenedesmus sp. khi nuôi ở 10% CO2 trong 14 ngày [12].
LoàiNăng suất sinh khối
(mg sinh khối khô/L.ngày)Năng suất lipid tổng
(mg/L.ngày)
B. braunii 26.55 ± 7.66 5.51 ± 1.53
C. vulgaris 104.76 ± 10.73 6.91 ± 0.03
Scenedesmus sp. 217.50 ± 11.24 20.65 ± 0.13
Trong khi hàm lƣợ ng lipid của cả hai loài Scenedesmus sp. và C. vulgaris
đều thấp hơn 11.92%, hàm lƣợ ng lipid tổng của B. braunii vào ngày thứ 7
và ngày thứ 14 lần lƣợ t là 25.79% và 21.10%. Các kết quả khác lại cho thấy
rằng, hàm lƣợ ng lipid tổng có thể đạt đƣợ c từ 20-50% là khá phổ biến, thậm
chí một số loài vi tảo có thể tích lũy lipid tớ i 80% (w/w) sinh khối khô.
Và nuôi cấy trên các điều kiện môi trƣờng khác nhau cũng có thể gia tăng
đƣợc hàm lƣợng lipid tích lũy trong tế bào vi tảo [44]. Hàm lƣợ ng lipid tổngcủa B. braunii trong phase cân bằng sớm thì cao hơn trong phase sinh trƣở ng
theo hàm số mũ (phase log). Mặc dù hàm lƣợ ng lipid của cả ba loài tảo đƣợ c
Chan Yoo khảo sát vớ i nồng độ 10% CO2 có thấp hơn một chút so vớ i kết quả
nghiên cứu trong các bản báo cáo khác, nhƣng chỉ xét trên phase cân bằng thì
hàm lƣợ ng này lại cao hơn [12].
Bảng 2. 4: Thành phần các acid béo của Botryococcus braunii, Chlorellavulgaris và Scenedesmus sp. khi nuôi cấy ở 10% CO2 trong 14 ngày [12].
Qua đó ta thấy, trong khi tốc độ sinh trƣở ng riêng của C. vulgaris thay
đổi không đáng kể thì hàm lƣợ ng 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 lƣợng acid palmitic không thay đổi
đáng kể [5]. Tuy nhiên, hàm lƣợ ng acid linolenic acid (C18:3) trong
C. vulgaris thì phù hợ p vớ i tiêu chuẩn biodiesel sử dụng cho các phƣơng tiệnvận chuyển ở Châu Âu (12%, mol/mol) [38].
Hình 2. 2: Phần trăm các loại FAME trên tổng lƣợ ng FAME (g/100gFAME)của C. vulgaris tại các nồng độ NaNO3 khác nhau [A4]
(FAME: fatty acid methyl ester)
Tuy nhiên trong kỹ thuật nuôi cấy vi tảo, nguồn nitrogen có thể đƣợ c sử dụng dƣớ i nhiều dạng khác nhau, nhƣ 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. Nhƣ đối vớ i Ellipsoidion sp, sử dụng ammonium
làm nguồn cung cấp nitrogen sẽ đem lại mức độ sinh trƣởng và hàm lƣợ ng
lipid cao hơn khi sử dụng urea và nitrate [88]. Neochloris oleoabundans khinuôi bằng nitrate sẽ sinh trƣởng nhanh hơn và tích lũy lipid nhiều hơn khi nuôi
vớ i urea [42], nhƣng tế bào lại sinh trƣở ng yếu trong môi trƣờ ng 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 vớ i Spirulina platensis [16, 74]. Trong số các nguồn nitrogen hữu cơ,
urea đóng một vai trò quan trọng và thƣờng đƣợ c sử dụng trong nuôi cấy vi
tảo trên quy mô lớ n bở i vì giá thành của urea thì thấp hơn nhiều khi so vớ i các
nguồn nitrogen khác [14].
Ngoài ra, chế độ nuôi cấy ảnh hƣở ng tớ i sự sinh trƣở ng và thành phần
hóa sinh trong tế bào vi tảo. Sử dụng phƣơng pháp nuôi cấy fed- batch để điều
chỉnh mức độ bổ sung môi trƣờ ng nhằm gia tăng năng suất [14]. Cải thiện
năng suất lipid có thể thực hiện bằng biện pháp nuôi cấy fed-batch bổ sung
gián đoạn nguồn nitrogen [79]. Thêm vào đó, trong phƣơng pháp nuôi cấy bán
liên tục, nồng độ chất dinh dƣỡng ban đầu và mức độ khôi phục cũng đƣợ c
sử dụng để biến đổi các thành phần hóa sinh trong tế bào vi tảo [56, 22].
Nguồn gốc: thuật ngữ Nannochloris bắt nguồn từ chữ Nannochlorid, vì vậy
thể chính xác là Nannochloridopsis. Và Nannochloropsis là một cụm từ viết tắt
từ thuật ngữ trên [32].
Nannochloropsis oculata thuộc vào lớ p tảo Eustigmatophyceae,
bộ Eustigmatales, họ Monodopsidaceae, chi Nannochloropsis [32].
Sự phân loại Nannochloropsis đã từng mắc phải nhiều nhầm lẫn. Đây là
loài tảo có kích thƣớ c rất nhỏ (nhỏ hơn 5 µ m), màu hơi xanh, không có giai đoạn
giao tử chuyển động để sinh sản hữu tính. Khi phân loại hình thái cơ thể sinh vật
của chi tảo này, các nhà khoa học đã xem xét dựa trên những nhóm chính đó là
Chlorophyceae, Tribophyceae và Eustigmatophyceae. Sử dụng kính hiển vi
quang học để phân biệt hình thái giữa các loài tảo trên gặp phải nhiều hạn chế,
do đó dẫn đến các nhận định sai lầm [32]. Hầu hết các tảo có hình dạng
chung chung nhƣ thuộc tảo đơn bào, có lớ p lục lạp đơn tại vách tế bào, váchtế bào trong suốt vô cấu trúc thiếu chất nhầy bao quanh, và chỉ sinh sản theo kiểu
chia đôi thành 2 phần bằng nhau đều đƣợ c liệt vào những loài của chi
Nannochloris Naumann thuộc Chlorophyceae [53].
Nannochloropsis đƣợ c Droop phát hiện ra vào năm 1955 tại các vùng
nƣớ c lợ bề mặt trong các hồ giữa những rặng đá. Antia và các cộng sự [3] đã
phát hiện ra những điểm không tƣơng thích trong sự phân loại của Droop [32]
dựa trên cơ sở thành phần các hợ p chất trong lục lạp và vi cấu trúc, qua đó N. coccoides đƣợ c xếp vào lớ p Chlorophyceae trong khi N. oculata đƣợ c xếp vào
Eustigmatophyceae. Nannochloropsis là một chi mớ i bao gồm các loài rất nhỏ
thuộc lớp Eustigmatophyceae, trong đó phổ biến nhất là loài Nannochloropsis
oculata.
3.1.2. Đặc điểm hình thái
Nannochloropsis oculata là loài tảo đơn bào, tự nổi trên môi trƣờ ng lỏng.
Tế bào có dạng hình cầu với đƣờ ng kính khoảng 2-4µm, hoặc hình trụ vớ i kíchthƣớ c là 3-4x1.5µm [32].
Bảng 3. 3: Sản lƣợ ng sinh khối và thành phần hợ p chất hóa sinh của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nhiệt độ khác nhau [31]
Nhiệt độ
(0C)
Sinh khối khô
(mg/L) Lipid (%w/w)
Carbohydrate
(%w/w)
Protein
(%w/w)14 388 ± 17.8 19 ± 0.8 12 ± 0.9 55 ± 4.1
22 403 ± 15.2 9 ± 0.5 11 ± 1.0 41 ± 2.9
30 318 ± 10.8 15 ± 0.7 11 ± 0.5 44 ± 2.7
3.2.1.3. Liên hệ mụ c tiêu sả n xuấ t biodiesel
Nguyên liệu trong sản xuất biodiesel chính là lipid từ vi tảo. Do đó
năng suất lipid là mục tiêu chính khi nuôi cấy N. oculata cho mục đích sản xuất
biodiesel. Ngoài ra, thành phần các acid béo trong nguồn lipid sản xuất biodiesellà rất quan trọng. Tỷ lệ acid béo bão hòa nhiều sẽ làm cho biodiesel dễ bị
lắng cặn do acid béo bão hòa có khả năng xoắn cuộn và tạo thành kết tủa, do đó
nhiệt độ đông đặc của biodiesel giàu acid béo bão hòa sẽ cao. Còn khi tỷ lệ
acid béo chƣa bão hòa mang nhiều nối đôi cao, biodiesel lại dễ bị oxy hóa làm
thay đổi tính chất của biodiesel. Hai loại acid béo lý tƣở ng nhất để sản xuất
biodiesel chính là C16:1 và C18:1.
Chính vì vậy trong thí nghiệm của Attilio, khi nuôi cấy N. oculata ở 250C,
ta thấy hàm lƣợng acid béo bão hòa và acid béo chƣa bão hòa mang nhiều nối đôi
có xu hƣớ ng giảm, trong khi C18:1 là một nguyên liệu rất phù hợp để sản xuất
biodiesel thì lại tăng lên nhiều. Thêm vào đó, tại 250C, năng suất lipid của
N. oculata tuy không khác biệt đáng kể so vớ i mức 150C và 200C, nhƣng vẫn là
đạt giá trị năng suất cao nhất.
Còn trong thí nghiệm của Hanhua Hu và Kunshan Gao, ta thấy sản lƣợ ng
sinh khối ở cả 3 nhiệt độ nuôi cấy không có sự khác biệt đáng kể, nhƣng
hàm lƣợ ng lipid tổng khi nhiệt độ cao hay thấp thì tăng gần nhƣ gấp đôi so vớ iở 220C. Hàm lƣợ ng acid béo bão hòa tăng nhẹ khi nhiệt độ từ 140C tớ i 220C,
nhƣng tăng mạnh khi nhiệt độ tăng từ 220C tớ i 300C và hàm lƣợ ng acid béo
mang nhiều nối đôi giảm đáng kể.
Vì vậy khi kết hợ p kết quả của 2 thí nghiệm, ta thấy cần tăng nhiệt độ
để giảm hàm lƣợ ng EPA trong tế bào Nannochloropsis oculata, tuy nhiên không
nên tăng nhiệt độ quá cao so vớ i nhiệt độ tối ƣu để hàm lƣợ ng C16:0 chỉ tăng
một lƣợ ng nhỏ. Do đó, điều kiện nhiệt độ thích hợ p nuôi cấy N. oculata nhằmsản xuất biodiesel chính là ở 250C – 270C.
Tuy nhiên, để xác định ảnh hƣở ng của mức độ chiếu sáng trên sự hình
thành các hợ p chất hóa học nội bào, thiết bị nuôi cấy turbidostat cần đƣợc điều
chỉnh sao cho chế độ chiếu sáng (bao gồm thờ i gian chiếu sáng, góc độ
chiếu sáng) không gây ảnh hƣở ng tớ i sự sinh trƣở ng của tế bào.
Khi đƣợ c nuôi cấy dƣớ i mức độ chiếu sáng GLL (35µmol /m2s),
môi trƣờ ng nuôi cấy Nannochloropsis bị giớ i hạn về ánh sáng, và mức độ
nhân đôi tế bào chỉ đạt 57% so vớ i khi nuôi ở điều kiện ánh sáng bão hòa (GSL,
290 µmol /m2s). Điều kiện ánh sáng PIL (550µmol /m2s) lại có tác dụng ức chế,
gây giảm mức độ nhân đôi của tế bào một phần. Khi mức độ chiếu sáng tăng lên
đến 850µmol /m2s, mức độ nhân đôi tế bào giảm nghiêm trọng. Điều đó
cho thấy, Nannochloropsis sp. khá nhạy cảm vớ i dòng photon có mật độ cao.Nồng độ các sắc tố quang hợ p giảm đi khi cƣờng độ ánh sáng tăng. Hàm lƣợ ng
carotenoid giảm không tƣơng xứng với lƣợ ng chlorophyll a. Kết quả là tỷ lệ giữa
carotenoid:chlorophyll a tăng lên khi mức độ chiếu sáng tăng. Nồng độ protein
vẫn duy trì không đổi, trong khi đó carbohydrate, lipid và các acid béo tăng
khi tăng mức độ chiếu sáng. Tỷ lệ khối lƣợ ng acid béo trong tổng lƣợ ng lipid
tăng k hi tế bào đƣợ c nuôi ở GSL, điều này cho thấy có sự tăng tƣơng ứng về
triacylglycerol. Nhƣng khi nuôi cấy ở chế độ PIL thì hàm lƣợ ng lipid và các
acid béo nội bào không gia tăng thêm nữa so vớ i chế độ GSL.
- Thành phần acid béo
Thành phần acid béo trong Nannochloropsis sp. chủ yếu là C20:5, tiếp theo
là C16:1, nhƣ đã nêu ở phần trên. Các kết quả nghiên cứu khi nuôi cấy theo mẻ
cho thấy rằng mức độ chiếu sáng thực sự ảnh hƣở ng nhiều đến thành phần acid
béo trong tế bào vi tảo. Khi tăng cƣờng độ chiếu sáng, hàm lƣợ ng các PUFA nhƣ
C20:4 và C20:5 giảm theo hàm số mũ, đồng thờ i hàm lƣợng C16:0 và C16:1 tăng
lên. Những kết quả này đã đƣợ c kiểm tra thông qua nuôi cấy điều kiện ổn địnhliên tục ở các mức độ chiếu sáng khác nhau. Khi nuôi ở điều kiện ánh sáng GLL,
hàm lƣợng acid béo C20:4 và C20:5 đạt khá cao, lần lƣợ t là 7.8 và 37.6%, hàm
lƣợ ng C16:0 và C16:1 thấp. Khi nuôi ở điều kiện ánh sáng GSL và PIL thì hàm
lƣợng C16:0 và C16:1 cao hơn, trong khi phần trăm C20:4 và C20:5 giảm mạnh.
- Sự tổng hợ p lipid
Quá trình đồng hóa CO2 tạo thành các loại lipid trong tế bào vi tảo cũng
phụ thuộc nhiều vào mức độ chiếu sáng. Dƣới điều kiện ánh sáng yếu, chỉ có
26% là triacylglycerol và tới 40% là các galactolipid, trong đó 26% là
monogalactosyl diacylglycerol và 14% là digalactosyl diacylglycerol. Dƣớ i
điều kiện ánh sáng bão hòa (GSL), sự tổng hợp triacylglycerol tăng lên và hàm
lƣợ ng tổng galactolipid giảm xuống. Xu hƣớ ng này vẫn tiếp tục khi tăng mức độ chiếu sáng đến mức ức chế (PIL), cụ thể là chiếu sáng ở 550µmol /m2s thì
Nannochloropsis sp. sẽ tổng hợ p 50% triacylglycerol và chỉ có 24% là
galactolipid, trong đó hàm lƣợ ng digalactosyl diacylglycerol chỉ giảm nhẹ, còn
hàm lƣợ ng monogalactosyl diacylglycerol giảm mạnh. Phần carbon lipid còn lại
chiếm khoảng 24-36% hàm lƣợ ng carbon lipid chính là các phospholipid, sắc tố
và một số loại lipid khác chƣa xác định.
Hình 3. 5: Thành phần acid béo của Nannochloropsis sp. khi nuôi cấy trongđiều kiện ổn định liên tục tại ba mức độ chiếu sáng: GLL 35µmol /m2s, GSL
290µmol /m2s và PIL 550µmol /m2s [S8]
- Liên hệ mục tiêu sản xuất biodiesel
Chất lƣợ ng của biodiesel có liên quan mật thiết vớ i tính chất nguồn
cung cấp lipid. Nhƣ đã nêu ở phần trên, nguồn lipid phù hợp để sản xuất
biodiesel là nguồn lipid có thành phần lipid chủ yếu là các triacylglycerol vớ i
hàm lƣợng các acid béo C16:1 và C18:1 càng cao càng lý tƣởng, hàm lƣợ ng các
acid béo chƣa no mang nhiều nối đôi nhƣ C20:4 và C20:5 nằm trong một tỷ lệ
giớ i hạn nhất định, thành phần acid béo lại phụ thuộc vào mức độ chiếu sáng.
Do đó, khi nuôi cấy Nannochloropsis oculata nhằm mục đích cung cấp lipidsản xuất biodiesel cần phải thiết lâp chế độ chiếu sáng sao cho ánh sáng tối thiểu
đạt mức bão hòa sinh trƣở ng (GSL). Tại mức độ chiếu sáng GSL (290 µmol
/m2s), sinh khối thu đƣợ c là hiệu quả nhất, hàm lƣợ ng C16:1 và C18:1 cao,
tuy nhiên triacylglycerol chƣa cao lắm. Nhƣng nếu chiếu sáng ở mức PIL (550
µmol /m2s), ta thấy hàm lƣợng C16:1 và C18:1 có xu hƣớ ng giảm còn C20:5 lạibắt đầu tăng trở lại mặc dù lƣợ ng triacylglycerol đƣợ c tổng hợ p nhiều hơn.
Chính vì vậy, để đạt hiệu quả tối ƣu trong nuôi cấy Nannnochloropsis oculata,
hƣớ ng chiếu sáng đƣợc đề nghị sử dụng là trong khoảng ánh sáng bão hòa cao,
gần đạt đến mức ức chế, nghĩa là vào khoảng 400 - 500 µmol /m2s.
3.2.3. Yếu tố độ mặn
Hanhua Hu và Kunshan Gao khảo sát sự ảnh hƣở ng của độ mặn môi trƣờ ng
lên sự sinh trƣở ng và thành phần các acid béo của Nannochloropsis sp.Thí nghiệm đƣợ c thiết kế nhƣ sau: Nannochloropsis sp. đƣợ c nuôi cấy trong môi
trƣờ ng f/2AW, nhiệt độ 220C, mức độ sục khí 200mL/phút với hàm lƣợ ng CO2
cao (2800µL/L), mức độ chiếu sáng 50µmol/m2s, thu mẫu vào ngày thứ 10 sau
khi cấy giống. Điều chỉnh độ mặn của nƣớ c biển nhân tạo bằng NaCl ở các nồng
độ nhƣ sau: 0.20, 0.36, 0.72, 1 hoặc 1.5M. Mỗi thí nghiệm lập lại 3 lần [31].
- Sự sinh trƣởng và hàm lƣợ ng lipid trong tế bào
Nannochloropsis sp. phát triển tốt nhất trong môi trƣờng có độ mặnlà 31g/L (0.36M NaCl). Qua các nồng độ muối khảo sát, loài vi tảo này thể hiện
khả năng duy trì tốt sự sinh trƣở ng trong khoảng độ mặn 22 – 49g/L (0.2-0.72M
NaCl) [31].
Hàm lƣợ ng lipid trong Nannochloropsis sp. khi đƣợ c nuôi cấy ở khoảng
độ mặn từ 22 – 49g/L xấp xỉ khoảng 11%. Tuy nhiên, khi nồng độ muối tăng lên
đến 64g/L thì hàm lƣợng lipid tăng lên 18%, nghĩa là tăng hơn 50% so vớ i các
độ mặn thấp hơn [31].Bảng 3. 4: Sản lƣợ ng sinh khối và hàm lƣợ ng lipid của Nannochloropsis sp.vào ngày thứ 10 tại các độ mặn khác nhau [31]
NaCl (M)/Độ mặn (g/L) Sinh khối khô (mg/L) Lipid (%w/w)
tăng. Mức độ sinh trƣởng trong môi trƣờng độ mặn 31g/L là cao nhất (sinh khối
khô đạt 308mg/L). Mức độ sinh trƣở ng của tế bào trong môi trƣờ ng độ mặn
49g/L cũng khá cao (237mg/L). Do đó có thể lựa chọn hai mức độ mặn này để
nuôi cấy Nannochloropsis oculata nhằm thu lipid. Để có thể chọn đƣợ c nồng độ muối phù hợ p nhất, môi trƣờ ng nuôi cấy cần đƣợ c khảo sát hai nồng độ muối
trên kết hợ p vớ i các yếu tố khác nhƣ nồng độ nitrogen, phosphorus và CO2, nhiệt
độ và mức độ chiếu sáng.
3.2.4. Yếu tố thành phần môi trƣờ ng
3.2.4.1. Thành phầ n carbon
Các loài vi tảo sống trong đại dƣơng có khả năng quang hợ p cao và
dễ dàng đƣợ c nuối cấy trong môi trƣờng nƣớ c biển vốn hòa tan một lƣợ ng lớ n
CO2 [72]. Sự cố định CO2 nhờ vào quá trình quang hợ p của vi tảo đồng thờ i
chuyển hóa sinh khối thành dạng nhiện liệu lỏng đƣợ c xem là một quá trình
đơn giản và rất có giá trị đối vớ i sự luân chuyển CO2 hiện nay, tạo nên một
giải pháp an toàn cho môi trƣờ ng [79]. Nannochloropsis oculata là một loài
vi sinh vật đáng đƣợc quan tâm trong lĩnh vực công nghệ sinh học về các
đối tƣợ ng thuộc đại dƣơng vì N. oculata có hàm lƣợ ng lipid cao. Sheng – Yi
Chiu và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hƣở ng của nồng độ CO2 trongdòng khí bổ sung vào môi trƣờ ng nuôi cấy lên sản lƣợ ng sinh khối và sự
tích lũy lipid ở N. oculata, qua đó đánh giá hiệu quả năng suất lipid khi
nuôi cấy theo mẻ và bán liên tục N. oculata [72].
Vi tảo N. oculata đƣợ c nuôi cấy trong môi trƣờ ng f/2 [72], thiết bị quang
phản ứng hình trụ bằng thủy tinh, nhiệt độ 26 ± 10C, dƣớ i ánh sáng
300µmol/m2s liên tục từ các đèn huỳnh quang ít tỏa nhiệt. Khí cung cấp vào
(đƣợ c lọc qua màng lọc 0.22µm) có các nồng độ CO2 khác nhau: 2%, 5%,
10% và 15%. Khí đƣợ c sục từ đáy thiết bị vớ i tốc độ sục là 200mL/phút
(tƣơng đƣơng 0.25vvm) [72]. Sau đó, Sheng – Yi Chiu và các cộng sự đã
rút ra đƣợ c một số kết luận sau:
- Sinh trƣở ng của N. oculata dƣớ i các nồng độ CO2 khác nhau khi
nuôi cấy theo mẻ [72]
Dịch nuôi cấy theo mẻ đƣợc đặt ở 26 ± 10C, chiếu sáng liên tục
300µmol/m2s, sục khí bở i không khí (nồng độ CO2 xấp xỉ 0.03%), 2%, 5%,
Hình 3. 8: Phần trăm các loại acid béo methyl ester trên tổng lƣợ ng acid béomethyl ester (g/100gFAME) của N. oculata tại các nồng độ NaNO3 khác nhau [5]
(FAME: fatty acid methyl ester)
- Thí nghiệm của Hanhua Hu và Kunshan Gao
Một thí nghiệm khác của Hanhua Hu và Kunshan Gao nhằm khảo sát
nồng độ nitrate đối vớ i sự sinh trƣở ng, tích lũy lipid, và thành phần lipid trong
tế bào cũng cho thấy rằng sự thiếu hụt nitrogen trong môi trƣờ ng nuôi cấy có
tác dụng đáng kể lên các đặc điểm hóa sinh của loài vi tảo này. Thí nghiệm
của Hu và Gao đƣợ c thiết lập ở các chế độ nhƣ sau: tế bào vi tảo
Nannochloropsis sp. đƣợ c nuôi cấy trong môi trƣờ ng 220C, sục khí
200mL/phút với hàm lƣợ ng CO2 là 2800µL/L, mức độ chiếu sáng
50µmol/m2s, hàm lƣợng nitrate đƣợc điều chỉnh dựa theo môi trƣờ ng f/2AW
cơ bản: 150 (hàm lƣợ ng N thấp), 600 (hàm lƣợ ng N trung bình) và 3000µM
NO3- (hàm lƣợ ng N cao) vớ i 36µM PO4
3-. Dùng NaNO3 để điều chỉnh
hàm lƣợ ng N. Mỗi thí nghiệm đƣợ c lập lại 3 lần [31].
Khi tăng nồng độ nitrate từ 150µM đến 600µM, sản lƣợ ng sinh khối của
dịch nuôi cấy tăng 39%. Tuy nhiên, nếu tăng nồng độ này lên cao 3000µM thìlƣợ ng sinh khối lại có xu hƣớ ng giảm nhẹ [31].
Hàm lƣợ ng lipid trong vi tảo tăng cao khi nồng độ nitrate giảm mạnh.
Lƣợ ng acid béo tổng tăng đáng kể vớ i nồng độ nitrate thấp. Trong đó,
hàm lƣợ ng C18:1, C16:1 và C16:0 có xu hƣớng tăng khi nồng độ nitrate giảm,
còn acid C20:5 thì lại giảm khi nồng độ nitrate trong môi trƣờ ng thấp.
Hàm lƣợ ng của PUFAs lần lƣợt đạt 12%., 23%, 41% tƣơng ứng vớ i các nồng
Vấn đề ô nhiễm môi trƣờ ng và sự thiếu hụt nguồn năng lƣợ ng trên toàn cầu
đang là vấn đề thu hút rất nhiều sự quan tâm. Nguồn nhiên liệu hóa thạch sử dụng chogiao thông vận tải và các phƣơng tiện cơ khí theo dự tính sẽ cạn kiệt trong vòng
50 năm tớ i. Trong các loại nhiên liệu xăng dầu, diesel có một vai trò quan trọng
và ngày càng đƣợ c sử dụng rộng rãi. Chính vì vậy nhiệm vụ tìm ra một nguồn
nhiên liệu mớ i có khả năng tái sinh và thay thế nguồn nhiên liệu hóa thạch là một
nhiệm vụ cấp bách mang tính thờ i sự và lịch sử đối vớ i các nhà khoa học. Và biodiesel
đƣợ c xem là một giải pháp khả thi, đáp ứng đƣợ c các yêu cầu hiện tại.
Biodiesel có thể đƣợ c sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu nhƣ thực vật,
động vật hay nguồn dầu phế thải. Nhƣng để đáp ứng đƣợ c nhu cầu sử dụng, chi phí
giá thành và không ảnh hƣở ng tớ i sự đa dạng sinh học cũng nhƣ các hoạt động khác
của con ngƣờ i (sự xâm lấn rừng và sự phân bố lại đất trồng), chỉ có vi tảo cho thấy có
khả năng trở thành nguồn cung cấp lipid tối ƣu cho việc sản xuất biodiesel.
Trong số các loài vi tảo đƣợ c khảo sát cho mục đích nuôi cấy thu lipid phục vụ
cho biodiesel của nhiều nhà khoa học, cũng nhƣ tham khảo qua nhiều tài liệu về
đặc tính của các loài vi tảo, có thể dự đoán rằng Nannochloropsis oculata là một
đối tƣợ ng rất có tiềm năng nhờ vào khả năng sinh trƣở ng mạnh trong môi trƣờ ngquang tự dƣỡ ng, sự tích lũy lipid có thể tăng cao đáng kể dƣới các điều kiện stress
môi trƣờ ng và thành phần lipid dễ dàng điều khiển thông qua điều kiện nuôi cấy.
Hàm lƣợ ng carbon cung cấp cho môi trƣờ ng nuôi cấy vi tảo là rất quan trọng.
Đối với điều kiện sục khí là không khí thì Nannochloropsis oculata sẽ bị thiếu hụt
lƣợ ng carbon nên mức độ sinh trƣở ng không tốt. Khi hàm lƣợ ng CO2 trong không khí
đạt 2% thì mức độ sinh trƣở ng của Nannochloropsis oculata đạt giá trị rất cao.
Trong suốt các khoảng nồng độ CO2 khảo sát (5-15%), nồng độ 2% CO2 chính lànồng độ tối ƣu để nuôi cấy N. oculata. Tuy nhiên, khi loài vi tảo này đƣợ c trải qua
quá trình huấn luyện thích nghi vớ i nồng độ CO2 2% trƣớc, sau đó nuôi cấy trong
môi trƣờng có hàm lƣợ ng CO2 cao thì vẫn có thể duy trì mức sinh trƣở ng khá tốt.
Vì vậy có thể kết hợ p việc nuôi cấy N. oculata vừa thu lipid sản xuất biodiesel vừa có
tác dụng cố định CO2 cải thiện sự ô nhiễm môi trƣờ ng.
Khi đƣợc nuôi dƣỡng trong môi trƣờ ng sục khí liên tục với hàm lƣợ ng CO2
thích hợ p, sự sinh trƣở ng của Nannochloropsis oculata không bị giớ i hạn bở i nguồn
cung cấp carbon. Lúc này, chính hàm lƣợ ng nitrogen và phosphorus là yếu tố
quan trọng mang tích chất quyết định đến mức độ sinh trƣở ng của vi tảo. Sự gia tăng
nồng độ nitrogen và phosphorus trong môi trƣờ ng nuôi cấy kích thích sự tăng trƣở ng
mật độ tế bào trong dịch nuôi cấy. Tuy nhiên, qua kết quả nghiên cứu của các
nhà khoa học đi trƣớ c, có thể dự đoán rằng mức độ sinh trƣở ng của Nannochloropsis
oculata tăng đáng kể khi điều kiện dinh dƣỡng (N và P) tăng từ nồng độ thấp đến
trung bình, nhƣng khi nồng độ này tăng cao hơn nữa, môi trƣờ ng nuôi cấy trở thành
môi trƣờng giàu dinh dƣỡ ng thì mức độ sinh trƣở ng của vi tảo gần nhƣ không tăng
thêm mà lại có xu hƣớ ng giảm nhẹ. Điều này cho thấy rằng, Nannochloropsis oculata
phù hợ p khi sống trong môi trƣờng có hàm lƣợ ng nitrogen và phosphorus ở mức
trung bình. Gia tăng hàm lƣợ ng một trong hai hoặc cả hai nguyên tố này đều gây ảnh
hƣởng đến sự cân bằng của tỷ lệ C:N hoặc N:P, do đó tác động đến sự sinh trƣở ng của
tế bào.
Khi hàm lƣợ ng nitrogen hoặc phosphorus trong môi trƣờ ng nuôi cấy bị hạn chế,
vi tảo Nannochloropsis sp. có xu hƣớng gia tăng sự tích lũy lipid trong tế bào.
Xu hƣớng này không đúng đối vớ i tất cả các loài vi tảo, nhƣng theo nghiên cứu
của Shifrin and Chisholm các loài tảo xanh thƣờ ng cho thấy khả năng gia tăng sự
tích lũy lipid trong điều kiện nuôi cấy thiếu hụt nitrogen [S11]. Hàm lƣợ ng lipid trong
tế bào Nannochloropsis sp. tăng gần gấp 4 lần khi nuôi trong môi trƣờ ng có mức độ
N thấp so với nuôi trong môi trƣờ ng có mức độ N cao [H4]. Tuy nhiên chƣa tìm thấytài liệu nào khảo sát đồng thờ i sự thiếu hụt của cả hai yếu tố dinh dƣỡ ng N và P lên
quá trình sinh trƣởng và tích lũy lipid đối vớ i vi tảo.
Nannochloropsis oculata là loài vi tảo có thể sống trong một khoảng độ mặn
rộng vì loài tảo này có thể sinh sống trong môi trƣờng nƣớ c mặn, nƣớ c lợ hoặc
thậm chí nƣớ c ngọt. Tuy nhiên, qua kết quả khảo sát của Hu và Gao đối vớ i
Nannochloropsis sp. có thể dự đoán rằng, Nannochloropsis oculata sẽ bị ức chế
sinh trƣởng đáng kể trong môi trƣờng có độ mặn quá cao (trên 60g NaCl/L), sinhtrƣở ng tốt trong môi trƣờng có độ mặn từ 20-50g/L, sinh trƣở ng tối ƣu khi độ mặn
khoảng 30g/L. Trong khoảng độ mặn phù hợ p cho Nannocloropsis oculata phát triển
sinh khối nhiều thì dƣờng nhƣ không ảnh hƣởng đáng kể tớ i sự tích lũy lipid trong
tế bào vi tảo, dao động trong khoảng 11-12%w/w.
Theo nghiên cứu của Renaud và các cộng sự đối vớ i một số loài vi tảo [R7] thì
nhiệt độ không thể hiện bất kỳ sự ảnh hƣở ng nào lên sự tổng hợ p lipid trong tế bào.
Trong nghiên cứu của Zhu và các cộng sự [Z1], sự tổng hợ p lipid trong vài loài vi tảo
sẽ tăng khi tăng nhiệt độ, đối vớ i loài Nitzschia paleacea [R7]. Tuy nhiên,
Nannochloropsis sp. lại cho thấy rất nhạy cảm vớ i nhiệt độ môi trƣờ ng: ngay cả khi
nhiệt độ thấp hơn hoặc cao hơn nhiệt độ sinh trƣở ng tối ƣu, lipid tích lũy trong tế bào
đều có xu hƣớng tăng cao đáng kể, gần nhƣ hàm lƣợng lipid tăng gấp đôi trong tế bào
vi tảo. Vì vậy, có thể dự đoán rằng khi Nannochloropsis oculata đƣợ c nuôi trongmôi trƣờ ng có nhiệt độ 25-270C thì mức độ sinh trƣở ng của tế bào vẫn duy trì tốt và
hàm lƣợ ng lipid trong tế bào cao hơn ở mức nhiệt độ tối ƣu.
Điều kiện ánh sáng trong quá trình nuôi cấy đặc biệt có vai trò quan trọng trong
mục tiêu nuôi cấy Nannochloropsis oculata nhằm sản xuất biodiesel. Chế độ
chiếu sáng ảnh hƣở ng sâu sắc đến thành phần lipid nội bào. Tế bào N. oculata trong
điều kiện ánh sáng bình thƣờ ng (50µmol/m2s) rất giàu acid EPA (C20:5). Acid EPA về
mặt dinh dƣỡ ng có giá trị cao nhƣng lại không phù hợp để sản xuất biodiesel.Tuy nhiên, thành phần lipid của N. oculata lại dễ dàng biến đổi tùy thuộc vào mức độ
chiếu sáng. Qua nghiên cứu của Assaf Sukenik và Yael Carmeli, chế độ chiếu sáng
đƣợc xác định là phù hợ p vớ i mục tiêu sản xuất biodiesel chính là chiếu sáng ở
cƣờng độ cao, tối thiểu là ở mức ánh sáng bão hòa sự sinh trƣở ng, tối đa là khi
dịch nuôi cấy bắt đầu có dấu hiệu bị ức chế sinh trƣở ng. Vì vậy, mật độ dòng photon
50. Morais M.G.D, Costa J.A.V, 2007. Biofixation of carbon dioxide by Spirulina
sp. and Scenedesmus obliquus cultivated in a three-stage serial tubular
photobioreactor. J. Biotechnol, 129, 439-445.
51. Morais M.G.D, Costa J.A.V, 2007. Isolation and selection of microalgae fromcoal fired thermoelectric power plant for biofixation of carbon dioxide. Energy
Convers. Manage, 48: 2169-2173.
52. Myers J., 1980. Primary Productivity in the Sea. Plenum Press, New York.
53. Naumann, E., 1921. Notizen sur Systematik der Süsswasseralgen. Arkiv for
temperature on the growth, total lipid content and fatty acid composition of recently isolated tropical microalgae Isochrysis sp., Nitzschia closterium,
Nitzschia paleacea, and commercial species Isochrysis sp., (cloneT.ISO). J.
Appl. Phycol, 7: 595 – 602.
64. Renewable Fuel Agency (RFA), 2008. The Gallagher review of the indirect
effects of biofuels production.
65. Richardson K., Beardall J., Raven J.A, 1983. Adaptation of unicellular algae to
irradiance: an analysis of strategies. New Phytol, 93: 157-91.
differences and effects of nitrate, silicate and light-dark cycles. J Phycol, 17:
374 – 384.
74. Soletto D., Binaghi L., Lodi A., Carvalho J. C. M., Converti A., 2005. Batchand fed-batch cultivation of Spirulina platensis using ammonium sulphate and
urea as nitrogen sources. Aquaculture, 243: 217 – 224.
75. Srivastava A, Prasad R ,2000. Triglycerides-based diesel fuels. Renew Sustain