Thiết kế và vận hành hệ thống kín quang phản ứng sinh học để nuôi thâm canh vi tảo biển

hang và ctv (2001). Nguyên nhân là do 
hệ thống tấm trong nghiên cứu này chưa bổ 
sung CO
2
 so sánh với hệ thống của hai tác giả 
nêu trên được bổ sung 1,5% CO
2
. Hệ thống 
tấm có đường dẫn ánh sáng hẹp 1,4cm của Zou 
và ctv (2000) cho năng suất lên đến 2,9g trọng 
lượng khô/L/ngày.
Hệ thống ống trong nghiên cứu này được 
lắp đặt bằng ống acrylic Ф60mm. Posten (2009) 
và nhiều tác giả khác đã kết luận rằng để đạt 
được mật độ cao, đường kính ống càng mỏng 
càng tốt, thậm chí đường kính chỉ bằng 12mm, 
24mm và 30 mm lần lượt theo thiết kế của Lee 
và Low (1991); Borowitzka (1997) và Molina 
Grima và ctv (1996). 
Khác với hệ thống tấm, ở đó sự đảo trộn là 
sục khí nên vi tảo nuôi có thể sử dụng carbon 
từ thành phần CO
2
 trong không khí, hệ thống 
ống là dòng chảy tuần hoàn của nước nuôi, 
nên việc cung cấp CO
2
 cho quang hợp là điều 
không thể thiếu. Nhu cầu CO
2
 cần thiết theo 
Posten (2009) là khoảng 1,85 gCO
2
/g sinh 
khối hoặc cao hơn. Nghiên cứu này đã đưa 
CO
2
 tinh khiết vào hệ thống thiết kế tại 2 vị trí 
khác nhau như đã mô tả ở phần phương pháp 
nghiên cứu.
Công bố của Doucha và ctv (2005) và 
Spalding (2008) là lời giải thích cho kết quả 
khác biệt về tốc độ tăng trưởng và mật độ đạt 
được của N. oculata. Để đảm bảo tế bào tảo có 
thể sử dụng được nguồn carbon, áp lực nước 
nuôi 0,1-0,2 kPa là cần thiết. Tuy hạn chế của 
nghiên cứu này là chưa đo được áp lực nước 
nuôi tại các điểm khác nhau trong suốt vòng 
tuần hoàn trong hệ thống ống, nhưng chắn 
chắn là áp lực nước trong hệ thống đã thiết kế 
sẽ khác nhau do chênh lệch về độ cao và do 
đầu bơm hút đẩy gây ra, vị trí 2 sẽ có áp lực 
cao hơn vị trí 1. 
Đối với việc tối ưu hóa hệ thống ống dẫn, 
ngoài việc cung cấp CO
2
, vận tốc dòng chảy 
và trao đổi khí là cực kỳ quan trọng. Theo 
Weissman và ctv (1988), việc thải O
2
 ra khỏi 
hệ thống ống còn khó khăn nhiều hơn so với 
việc cung cấp CO
2
. Đối với bất kỳ hệ thống 
ống, O
2
 tạo ra từ quá trình quang hợp sẽ được 
tích tụ trong nước nuôi cho đến khi dòng chảy 
đến chỗ trao đổi khí, nơi đó O
2
 sẽ được tách ra 
vào không khí. Vận tốc dòng chảy và tốc độ 
thải O
2
 ra khỏi hệ thống ống có liên quan mật 
thiết với nhau (Molina và ctv, 2001). Vì vậy, hệ 
thống ống trong nghiên cứu này, sau khi lắp đặt 
cũng đã vận hành thử trên loài N. oculata ở 3 
vận tốc dòng chảy khác nhau 0,2-0,3; 0,4-0,5 
và 0,6-0,7 m/giây. 
81TAÏP CHÍ NGHEÀ CAÙ SOÂNG CÖÛU LONG - 1 - THAÙNG 7/2013
VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN 2
Giải thích nguyên nhân quần thể không 
đạt được mật độ cực đại và suy tàn tại vận 
tốc dòng chảy thấp 0,2-0,3m/giây, là do giá 
trị DO của nước nuôi cao, dao động trong 
khoảng 350-400 % mức bão hòa, tương ứng 
với nồng độ 27-33mg/L. Bởi vì hàm lượng 
O
2
 trên mức bão hòa (0,2247 mol O
2
/m3 tại 
20°C) sẽ ức chế quang hợp của hầu hết các 
loài tảo, cho dù hàm lượng CO
2
 được duy trì ở 
mức tối ưu (Aiba, 1982). Thật vậy, Tredici và 
ctv (1992) đã dẫn chứng rằng năng suất của 
Spirulina được cải thiện rõ rệt khi giảm hàm 
lượng O
2
 hòa tan từ 35mg/L xuống 20mg/L. 
Molina và ctv (2001) kết luận rằng hàm lượng 
O
2
 cao kết hợp với cường độ ánh sáng cao sẽ 
làm tổn hại tế bào tảo do sự oxi hóa bằng ánh 
sáng (photooxidation). Giá trị DO của nước 
nuôi ở 2 vận tốc dòng chảy cao hơn, dao động 
trong khoảng 120-200%, tương ứng 8-15mg/
L. Giá trị DO tỷ lệ nghịch với vận tốc dòng 
chảy. Như vậy, vận tốc dòng chảy lớn hơn có 
khuynh hướng tốt hơn cho sinh trưởng của 
quần thể tảo, do giảm hàm lượng O
2
 tích tụ 
xuống dưới mức ức chế quang hợp. Tuy nhiên 
vận tốc dòng chảy lớn quá giới hạn cho phép 
không những giảm sản lượng thu hoạch mà 
còn làm tổn hại tế bào tảo, như Carlozzi và 
Torzillo (1996) đã quan sát khi nuôi Spirulina 
trong hệ thống ống với vận tốc dòng chảy 
cao (0,97 m/giây). Mới đây, Norsker và ctv 
(2011) cũng đã kết luận rằng nồng độ O
2
 cao 
sẽ làm giảm năng suất tảo, và việc loại bỏ khí 
O
2
 là một trong những vấn đề cần nghiên cứu 
khi tối ưu hóa hệ thống thiết kế. 
Như vậy với hệ thống ống đã thiết kế, vị trí 
đưa CO
2
 vào hệ thống tại điểm giữa đầu bơm 
và ống ở vị trí thấp nhất, vận tốc dòng chảy 
0,6-0,7 m/giây, đạt mật độ 520x106 tb/mL. Khi 
so sánh với hệ thống ống của Bùi Bá Trung và 
ctv (2009) bao gồm 10 ống thủy tinh Ф32mm, 
chiều dài 1270mm, đạt mật độ 61x106 tb/mL, 
mật độ trong nghiên cứu này cao gấp 9 lần và 
hoàn toàn có thể so sánh với hệ thống ống của 
các tác giả ngoài nước, đạt mật độ từ 108 đến 109 
tb/mL, tùy thuộc vào đường kính ống (Lubian 
và ctv, 2000).
V. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
1. Tốc độ sục khí trong hệ thống tấm có ảnh 
hưởng đến tốc độ tăng trưởng và mật độ cực 
đại của loài nuôi thử nghiệm N. oculata. Tốc độ 
sục khí 0,3-0,4 L/L/phút là không tối ưu khi so 
sánh với 0,6-0,7 và 0,9-1,0 L/L/phút, sự khác 
biệt giữa hai tốc độ 0,6-0,7 và 0,9-1,0 L/L/phút 
không có ý nghĩa thống kê.
2. Hệ thống tấm đã thiết kế có thể tích 72 lít 
cho mỗi đơn vị nuôi, đường dẫn ánh sáng 10cm, 
cho mật độ N. oculata 311x106 tb/mL.
3. Vị trí đưa CO
2
 vào hệ thống và vận tốc 
dòng chảy có ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng 
và mật độ cực đại của loài nuôi thử nghiệm N. 
oculata. Ở vị trí CO
2
 không phù hợp, quần thể 
N. oculata phát triển nhưng không đạt được cực 
đại. Ở vận tốc dòng chảy 0,2-0,3 m/giây, quần 
thể N. oculata không phát triển và suy tàn. Quần 
thể N. oculata đạt cực đại ở mức cao hơn khi 
vận tốc dòng chảy cao và nằm giữa hai giá trị 
0,4-0,5 và 0,6-0,7 m/giây, tuy nhiên sự khác biệt 
là không có ý nghĩa thống kê. 
4. Hệ thống ống đã thiết kế có chiều dài 
34m, thể tích nuôi 85 lít, đường dẫn ánh sáng 
6cm, cho mật độ N. oculata 520x106 tb/mL.
5. Cả hai hệ thống tấm và ống đã thiết kế và 
lắp đặt rất có tiềm năng để thay thế hoàn toàn 
phương pháp nuôi vi tảo biển theo kiểu truyền 
thống, chẳng những phục vụ cho ngành nuôi 
trồng thủy sản, mà còn có thể phục vụ cho các 
ngành công nghiệp khác như nuôi tảo Spirulina 
làm nguồn cung cấp chất dinh dưỡng cho người, 
nuôi các loài vi tảo để ly trích astaxanthin, 
DHA, EPA.
LỜI CẢM ƠN
Tác giả chân thành cảm ơn Chương trình 
Công nghệ sinh học Nông nghiệp, Thủy sản của 
Bộ NN & PTNT đã cấp kinh phí, các bạn cộng 
tác viên của đề tài và Ban lãnh đạo Viện Nghiên 
cứu Nuôi Trồng Thủy sản 2 đã tạo mọi điều kiện 
thuận lợi cho nghiên cứu thành công.
82 TAÏP CHÍ NGHEÀ CAÙ SOÂNG CÖÛU LONG - 1 - THAÙNG 7/2013
VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN 2
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Abu-Rezq, T.S., Al-Musallam, L., Al-Shimmari, J., 
Dias, P., 1999. Optimum production conditions for 
different high-quality marine algae. Hydrobiologia 
403, 97-107.
Aiba, S., 1982. Growth kinetics of photosynthetic 
microorganisms. Adv. Biochem. Eng, 23, 85-
156.
Alias, C.B., Lopez, M.C.G.M., Acien Fernandez, 
F.G.A., Sevilla, J.M.G. , Sanchez, J.L.G., Grima, 
E.M., 2004. Influence of power supply in the 
feasibility of Phaeodactylum tricornutum cultures. 
Biotechnol. Bioeng, 87(6), 723-733.
Borowitzka, M.A., 1997. Microalgae for aquaculture: 
opportunities and constraints. J. Appl. Phycol, 9, 
393-401.
Brown, M., Robert, R., 2002. Preparation and 
assessment of microalgal concentrates as feeds 
for larval and juvenile Pacific oyster (Crassostrea 
gigas). Aquaculture 207, 289-309.
Bùi Bá Trung, Hoàng Thị Bích Mai, Nguyễn Hữu 
Dũng, Cái Ngọc Bảo Anh, 2009. Ảnh hưởng 
của mật độ ban đầu và tỷ lệ thu hoạch lên sinh 
trưởng vi tảo Nannochloropsis oculata nuôi 
trong hệ thống ống dẫn trong suốt nước chảy 
liên tục. Tạp chí Khoa học-Công nghệ Thủy 
sản, số 1/2009.
Carlozzi, P., Torzillo, G., 1996. Productivity of 
Spirulina in a strongly curved outdoor tubular 
photobioreactor. Appl. Microbiol. Biotech. 45, 
18-23.
Chini Zittelli, G., Lavista, F., Bastianini, A., Rodolfi, L., 
Vincenzini, M., Tredici M.R., 1999. Production 
of eicosapentaenoic acid by Nannochloropsis sp. 
cultures in outdoor tubular photobioreactors. J. 
Biotech. 70, 299-312.
Chini Zittelli, G., Pastorelli, R., Tredici M.R., 2000. 
A modular flat panel photobioreactor (MFPP) for 
indoor mass cultivation of Nannochloropsis sp. 
under artificial illumination. J. Appl. Phycol. 12, 
521-526.
Chini Zittelli, G., Rodolfi, L., Tredici, M.R., 2003. 
Mass cultivation of Nannochloropsis sp. in 
annular reactors. J. Appl. Phycol. 15, 107-114.
Contreras, A., Garcıa, F., Molina, E., Merchuk, J.C., 
1998. Interaction between CO2-mass transfer, 
light availability, and hydrodynamic stress 
in the growth of Phaeodactylum tricornutum 
in a concentric tube airlift photobioreactor”. 
Biotechnol. Bioeng. 60, 17-325.
Đặng Tố Vân Cầm, Nguyễn Thị Kim Vân, Trần Kim 
Đồng, Nguyễn Hữu Thanh, Nguyễn Xuân Toản, 
Lâm Văn Đức, 2009. Công nghệ sinh sản nhân tạo 
cá măng (Chanos chanos, Forskal 1775). Tuyển 
tập nghề cá sông Cửu Long, 133-143.
Doucha, J., Straka, F., Livansky, K., 2005. Utilization 
of flue gas for cultivation of microalgae (Chlorella 
sp.) in an outdoor open thin-layer photobioreactor. 
J. Appl. Phycol. 17(5), 403-412.
Garcıa, C.F., Gallardo, R.J.J., Sanchez, M.A., Ceron, 
G.M.C., Belarbi, E.H., Molina Grima, E., 2007. 
Determination of shear stress thresholds in toxic 
dinoflagellates cultured in shaken flasks. Process 
Biochem. 42, 1506-1515.
Gitelson, A.A., Grits, Y.A., Etzion, D., Ning, Z., 
Richmond, A., 2000. Optical properties of 
Nannochloropsis sp and their application to 
remote estimation of cell mass. Biotechnol. 
Bioeng. 69(5), 516-525.
Guillard, R.R.L., Ryther, J.H., 1962. Studies on marine 
planktonic diatoms. Gran. Can. J. Microbiol. 8, 
229-239.
Korstad, J., Neyts, A., Danielsen, T., Overrein, I., 
Olsen, Y., 1995. Use of swimming speed and 
egg ratio as predictors of the status of rotifer 
cultures in aquaculture. Hydrobiologia 313/314, 
395-398.
Le Xan, Do Xuan Hai, 2004. Effect of temperature, 
salinity and stocking density on development 
of mass culture of Isochrysis galbana and 
Nannochloropsis oculata for breeding. Increasing 
aquaculture productivity.
Lee, Y.K., Low, C.S. ,1991. Effect of photobioreactor 
inclination on the biomass productivity of an 
outdoor algal culture. Biotechnol. Bioeng. 38, 
995-1000.
Lubian, L.M., Montero, O., Moreno-Garrido, 
I., Emma Huertas, I., Sobrino, C., 2000. 
Nannochloropsis (Eustigmatophyceae) as 
source of commercially valuable pigments. J. 
Appl. Phycol. 12, 249-255. 
Michels, M.H.A., Goot, A.G., Norsker, N.H., Wijffels, 
R.H., 2010. Effects of shear stress on the 
microalgae Chaetoceros muelleri. Bioprocess. 
Biosyst. Eng. 33, 921-927.
Molina Grima, E., Sanchez Perez, J.A., Garcia 
Camacho, F., Fernandez Sevilla, J.M., Acien 
Fernandez, F.G., 1996. Productivity analysis 
of outdoor chemostat cultures in tubular airlift 
photobioreactors. J. Appl. Phycol. 8, 369-380.
Molina Grima, E., Fernandez, J., Acien, F.G., Chisti, 
83TAÏP CHÍ NGHEÀ CAÙ SOÂNG CÖÛU LONG - 1 - THAÙNG 7/2013
VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN 2
Y., 2001. Tubular photobioreactor design for algal 
cultures. J. Biotech. 92, 113-131.
Muller-Feuga, A., 2004. Microalgae for aquaculture. 
The current global situation and future trends, 
352-364. 
Nguyễn Thị Xuân Thu, Nguyễn Thị Bích Ngọc và 
Nguyễn Thị Hương, 2004. Tình hình sử dụng tảo 
đơn bào làm thức ăn cho động vật thủy sản.
Norsker, N.H., Barbosa, M.J., Vermuë, M.H., Wijffels, 
R.H., 2011. Microalgal production - A close look 
at the economics. Biotech. Adv. 29, 24-27.
Posten, C., 2009. Design principles of photo-bioreactors 
for cultivation of microalgae. Eng. Life Sci. 9 (3), 
165-177.
Pulz, O., 2001. Photobioreactors: production systems 
for phototrophic microorganisms. Appl. 
Microbiol. Biotech, 57, 287-293.
Richmond, A., 2000. Microalgal biotechnology at the 
turn of the millennium: a personal view. J. Appl. 
Phycol. 12, 441-451.
Richmond, A., Zhang, C.W., 2001. Optimization of 
a flat plate glass reactor for mass production of 
Nannochloropsis sp. outdoors. J. Biotech, 85, 
259-269.
Spalding, M.H. , 2008. Microalgal carbon-dioxide-
concentrating mechanisms: Chlamydomonas 
inorganic carbon transporters. J. Exp. Bot, 59, 
1463-1473.
Tredici, M.R., Zitelli, G.C., Biagiolini, S. , 1992. 
Influence of turbulence and areal density on the 
productivity of Spirulina platensis grown outdoor 
in a vertical alveolar panel. In: First European 
Workshop on Microalgal Biotechnology, 58-60.
Wang, C.H., Sun, Y.Y., Xing, R.L., Sun, L.Q. , 2005. 
Effect of liquid circulation velocity and cell 
density on the growth of Parietochloris incisa in 
flat plate photobioreactors. Biotechnol. Bioproc. 
Eng. 10(2), 103-108.
Zhang, C.W., Zmora, O., Kopel, R., Richmond, A. , 
2001. An industrial-size flat plate glass reactor 
for mass production of Nannochloropis sp. 
(Eustigmatophyceae). Aquaculture 195, 35-49.
Zou N., Zhang C.W., Cohen Z. and Richmond A. , 2000. 
Production of cell mass and eicosapentaenoic 
acid (EPA) in ultrahigh cell density cultures of 
Nannochloropsis sp. (Eustigmatophyceae). Eur. J. 
Phycol, 35, 127-133.
DESIGNING AND OPERATING PHOTOBIOREACTOR
FOR INTENSIVE CULTURE OF MARINE MICROALGAE
Dang To Van Cam1, Trinh Trung Phi1, Dieu Pham Hoang Vy1, 
Le Thanh Huan1, DangThi Nguyen Nhan1, Tran Thi Tuyet Lan2
ABSTRACT
Two different types of photobioreactor were designed at the National Breeding Center for Southern 
Marine Aquaculture, Research Institure for Aquaculture No.2. Flat plate glass reactor has a volume 
of 72L with a light-path of 10cm, this type of photobioreactor were produced in twelve units. Tubu-
lar photobioreactor made of acrylic pipe 60cm in diameter has a volume of 85L and was produced 
in six units. Both of the designed systems were experimentally operated on a marine microalgae 
species, Nannochloropsis oculata, in order to optimize the designs. The flat plate glass reactor was 
optimized at air flow rate of 0.9-1.0 L/L/min, obtaining the density of N. oculata at 311x106 cells/
mL. The tubular photobioreactor was optimized at position of CO
2
 injection between the pump 
and lowest pipe and liquid velocity at 0.6-0.7m/s, obtaining the density of N. oculata at 520x106 
84 TAÏP CHÍ NGHEÀ CAÙ SOÂNG CÖÛU LONG - 1 - THAÙNG 7/2013
VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN 2
1 National Breeding Center for Southern Marine Aquaculture, Research Institute for Aquaculture No.2 
Email: camdtv.ria2@mard.gov.vn 
2 Directorate of Fisheries
cells/mL. The results show that it is potential to use the designed systems for intensive culture of 
N.oculata in particular and marine microalgae in general for a high quality marine seed production. 
Key words: Flat plate glass reactor; Nannochloropsis oculata; photobioreactor; tubular photobioreactor
Người phản biện: TS. Nguyễn Thị Ngọc Tĩnh 
 Ngày nhận bài: 10/6/2013 
Ngày thông qua phản biện: 24/6/2013 
Ngày duyệt đăng: 8/7/2013