Công nghệ sản xuất vi tảo cho trại sản xuất giống

Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống sản xuất mở và hệ thống sản xuất khép kín

Một lò phản ứng quang học hình ống kính để trồng vi tảo và các sinh vật quang hợp khác. Nó có một khối lượng hoạt động 4.000 lít và nguyên tắc được phát triển vào cuối những năm 1990.

Bài viết này (được điều chỉnh và tóm tắt từ ấn bản gốc trong Revista Acuacultura - Cámara Nacionalde Acuacultura, số 123, tháng 6 năm 2018) mô tả các hệ thống sản xuất vi tảo khác nhau và những ưu điểm và nhược điểm tương đối của chúng. So với các hệ thống sản xuất tảo thông thường ở ngoài trời, có những lợi thế rõ ràng cho việc sử dụng các hệ thống khép kín và kiểm soát, nhưng vẫn còn một số thách thức về kỹ thuật và kinh tế.

Có một nhu cầu lớn cho các hệ thống sản xuất công nghiệp với chi phí đầu tư phải chăng. Mặc dù chi phí tương đối cao liên quan đến thiết bị sản xuất liên tục hiện có trên thị trường, đã có công nghệ tiến bộ tuyệt vời những cái sẽ đảm bảo sản xuất ổn định, mật độ cao (106 cells / mL) và chất lượng dinh dưỡng cao.

Vi tảo như nguồn thức ăn sống

Vi tảo có những đặc điểm nhất định làm cho chúng rất có giá trị như một nguồn thức ăn sống. Mỗi tế bào về cơ bản là một “nhà máy” năng lượng mặt trời tổng hợp đường và các hợp chất hoạt tính sinh học khác, sau này có thể được sử dụng làm nguồn dinh dưỡng, đặc biệt cho các giai đoạn ấu trùng của cá và tôm.

Tất cả vi tảo là phototrophic, chỉ đòi hỏi nguồn ánh sáng UV, carbon dioxide (CO2) và chất dinh dưỡng vô cơ để phát triển. Vi tảo - là đơn bào - có cấu trúc rất đơn giản so với các cây tiên tiến hơn, và về bản chất bao gồm một thành tế bào, một không bào và một hạt nhân.

Sự đơn giản về cấu trúc này cho phép tốc độ sinh trưởng và sinh sản rất cao so với sinh vật đa bào, bởi vì hầu hết năng lượng từ các bước sóng ánh sáng nhất định (400 đến 700 nm) được sử dụng để tổng hợp carbohydrate, protein và chất béo (theo thứ tự này) . Hiệu quả chuyển hóa năng lượng rất cao đối với các phân tử hoạt tính sinh học làm cho vi tảo trở thành nguồn dinh dưỡng lý tưởng.

Theo truyền thống, nước tự nhiên như nước hồ và đầm phá đã được sử dụng để phát triển tảo. Các hệ thống sản xuất mở này ở ngoài trời và phụ thuộc vào việc cung cấp ánh sáng tự nhiên làm nguồn năng lượng duy nhất cho hệ thống. Ưu điểm chính của các hệ thống mở này là mức đầu tư thấp cần thiết để bắt đầu hoạt động.

Tuy nhiên, nhìn chung các hệ thống mở là nhạy cảm với một số bất lợi, một số quan trọng hơn những người khác. Sự nhiễm bẩn bởi sinh vật ăn thịt, cạnh tranh và / hoặc gây bệnh là những vấn đề phổ biến nhất liên quan đến việc sản xuất tảo trong các hệ thống mở, ngoài trời.

Ngoài ra, biến động khí hậu, dòng chất dinh dưỡng vô cơ và nguồn cung cấp carbon dioxide đầy đủ là những khó khăn thường gặp khác. Hiện nay, việc sử dụng các hệ thống mở cho việc sản xuất tảo thương mại chủ yếu được giới hạn trong các tình huống mà điều kiện axenic không được coi là nguyên thủy, nhưng chi phí đầu tư ban đầu thấp.

Nhìn từ trên không của một trang trại nuôi tôm, với nuôi tôm bán thâm canh và bán thâm canh và nuôi tảo. Các màu sắc khác nhau của ao là bằng chứng về sự đa dạng của các loài vi tảo xảy ra trong các hệ thống mở và khó khăn của chúng trong việc duy trì vi sinh vật đơn bào.

Ngược lại, các hệ thống nuôi kín (bioreactors) được sử dụng đặc biệt để sinh trưởng các sinh vật đơn bào dưới các điều kiện hoàn toàn mang tính vô trùng, đảm bảo sự vắng mặt của các tác nhân gây ô nhiễm trong cây trồng. Sự phát triển của các lò phản ứng quang học trên quy mô công nghiệp có thể được vận hành trong các thông số sinh học và kinh tế khả thi vẫn đang được tiến hành. Tuy nhiên, trong hai năm qua, việc sử dụng các đơn vị quy mô trung bình đã cho thấy lợi ích của nó trong lĩnh vực nuôi ấu trùng, đặc biệt là trong sản xuất cá biển và hàu ở châu Âu và ở Hoa Kỳ.

Nói chung, các lò phản ứng quang học được chiếu sáng nhân tạo bằng đèn cực tím (UV) với các sóng phát xạ cụ thể trong phạm vi từ 400 đến 700 nm. Đây là loại mô hình nuôi trồng có thể được đặt trong nhà hoặc ngoài trời, nhưng điều kiện nuôi trồng trước đây rất ổn định và cho phép duy trì mật độ cao của các tế bào / ml với đồng nhất và tối ưu hóa khía cạnh dinh dưỡng.

Bảng 1

Parameter	Open system	Closed system
Contamination risk	High	Very low
Carbon dioxide losses	High	Low
Evaporation losses	High	Low
Light use efficiency	Poor	Excellent
Area required	Large	Small
Investment costs	Low	High
Increasing production	Easy	Difficult

Bảng 1. So sánh các hệ thống mở và đóng để nuôi cấy vi tảo.

Hệ thống sản xuất mở

Nói chung, hệ thống mở (tiếp xúc với không khí mở) đại diện cho phương pháp sản xuất sinh khối tảo đơn bào cổ điển, bao gồm bể nhân tạo, bể và mương thường hoạt động ở độ sâu 15 đến 45 cm và không quá 1 mét.

Các kỹ thuật thương mại khác nhau đã được sử dụng để sản xuất tảo bởi một số quốc gia trong 50 năm qua, nhưng hiện nay có một tiêu chuẩn hóa đối với các bể tròn với dòng chảy dọc trục - cho tính đồng nhất lớn hơn của mùa vụ - và “mương dẫn nước” với các dòng chảy theo chiều dọc thì phổ biến hơn ở nơi không gian vật lý bị giới hạn.

Quan điểm sản xuất thương mại của Spirulina spp trong các hệ thống nuôi mở, bao gồm mương với dòng chảy dọc ở Trung Quốc và các bể tròn có dòng chảy dọc trục ở Nhật Bản.

Các đơn vị sản xuất mở cung cấp một số lợi thế, đặc biệt là về tiếp cận với ánh sáng tự nhiên và dễ xây dựng. Tuy nhiên, trong 40 năm qua, một số hạn chế đáng kể của công nghệ này đã được báo cáo, bao gồm:

● Cho đến nay, chỉ có một số lượng hạn chế các loài vi tảo thực hiện trong các hệ thống mở.

● Các hệ thống mở đòi hỏi các khu vực rộng lớn để duy trì tỷ lệ diện tích / khối lượng có thể chấp nhận được.

● Hiệu quả thấp của đồng hóa của khí carbon dioxide; sự cung cấp của nó hầu như luôn là yếu tố hạn chế đầu tiên của các hệ thống mở.

● Mức sản xuất tối đa thấp hơn nhiều so với hệ thống động lực học về mật độ tế bào / mL 

● Trong nhiều trường hợp, chi phí vận hành cho mỗi kg sinh khối thu hoạch được thì cao hơn trong các hệ thống thông thường do nhu cầu lao động, nước và năng lượng của chúng cao hơn.

● Chất lượng sản phẩm cuối cùng thì thay đổi và rất khó để vận dụng.

● Sự nhiễm bẩn mùa vụ bởi kẻ thù, đối thủ cạnh tranh và mầm bệnh là rất thường xuyên và tốn kém để giải quyết; ví dụ, do thiết kế hệ thống bể được sử dụng, tổn thất về bốc hơi thì cao.

Mặc dù có nhiều cải tiến trong nhiều năm - bao gồm kiểm soát nhiệt độ, phân phối vi chất dinh dưỡng, tiêm carbon dioxide trực tiếp và thiết bị đồng nhất cơ học - năng suất của các hệ thống này vẫn rất thấp so với thế hệ hệ thống phản ứng quang học mới nhất, mặc dù chi phí cao hơn.

Hệ thống sản xuất khép kín

Việc sản xuất đủ lượng vi tảo chất lượng cao không gây ô nhiễm là một thách thức không ngừng đối với nhiều phòng thí nghiệm ấu trùng địa phương, thường dẫn đến việc sử dụng các chất thay thế loại kém chất lượng hoặc tảo không đủ, và trong trường hợp cực đoan đã sử dụng nước nhuộm thậm chí không chứa vi tảo.

Theo truyền thống, các kỹ thuật nuôi trồng mở có nhu cầu cao về lao động, không gian và hệ thống cung cấp nước cũng như không khí. Trong các tình huống yêu cầu các điều kiện có tính vô trùng (miễn nhiễm từ các sinh vật sống khác), chi phí vận hành tăng theo cấp số nhân. Ngày nay chúng ta thấy rằng những lợi thế ban đầu của các hệ thống này đã được khắc phục bởi những hạn chế cố hữu của sản xuất mở.

Tình trạng này đã dẫn đến sự phát triển quy mô thương mại, hệ thống khép kín cho sản xuất vi tảo. Nhiều hệ thống như vậy đã hoạt động trong các trại giống, chủ yếu ở châu Âu và Hoa Kỳ, nhưng có nhiều tiềm năng cho việc áp dụng công nghệ này trong các phòng thí nghiệm sản xuất ấu trùng trong khu vực của chúng ta.

Một ví dụ về việc sử dụng các lò phản ứng sinh học trong phòng thí nghiệm thương mại sản xuất ấu trùng hàu ở Nova Scotia, Canada.

Lò phản ứng quang học hiện đại

Các lò phản ứng quang học hiện đại (FBRs) cho phép tự động hóa toàn bộ quy trình sản xuất vi tảo và năng suất rất cao (> 106) mật độ tế bào trên mỗi mL nuôi cấy nhiều loại vi tảo có chất lượng dinh dưỡng cao và có thể so sánh và đôi khi chi phí vận hành thấp hơn so với các hệ thống thông thường, và hoàn toàn không gây ô nhiễm. Thực tế, một trong những lợi thế quan trọng nhất của FBR là an toàn sinh học mà chúng cung cấp, làm giảm đáng kể rủi ro kinh tế của sản xuất.

Trong các hệ thống thông thường, nó đã được chứng minh rõ ràng rằng các sinh vật gây bệnh phát triển cùng với vi tảo được chuyển trực tiếp đến các ngành nuôi trồng ấu trùng, và hiệu ứng trầm cảm là điều mà chắc chắn một số vi sinh vật sử dụng trên vi khuẩn phẩy Vibrios không xảy ra, và trên thực tế, đồng canh tác vi khuẩn và vi tảo thể hiện sức mạnh tổng hợp hơn là sự kìm chế.

“Các lò phản ứng khép kín cung cấp một môi trường an toàn sinh học, giảm khả năng ô nhiễm của vụ mùa. Theo Pride Farms (Galicia, Tây Ban Nha), việc kiểm soát môi trường vi sinh vật là điều quan trọng nhất, bởi vì nó ảnh hưởng đến tỷ lệ sống và do đó ảnh hưởng đến lợi nhuận trong hoạt động của chúng ta.

Trại sản xuất giống tôm trong các vùng sản xuất hậu ấu trùng có tỷ lệ mắc bệnh tôm cao và an toàn sinh học thấp, công nghệ sản xuất khép kín của vi tảo có thể là một đầu tư hiệu quả về chi phí.

Quan điểm

Đối với các trại sản xuất tôm giống của Ecuador, việc sử dụng công nghệ để sản xuất vi tảo liên tục trong môi trường khép kín và được kiểm soát hoàn toàn sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và sản lượng của ấu trùng. Đối với các trại giống nằm trong khu vực có tỷ lệ mắc bệnh tôm cao và an toàn sinh học thấp, công nghệ sản xuất khép kín mới có thể cung cấp một giải pháp thay thế khả thi mặc dù chi phí đầu tư ban đầu tương đối cao.