Tài liệu Nghiên cứu các điều kiện nuôi cấy thu sinh khối và các phương pháp thu hoạch, bảo quản tảo spirulina platensis.

Đồ án tốt nghiệp 1 MỞ ĐẦU Trong những năm cuối cùng của thế kỉ 20, các nhà sinh học đã phát hiện ra các nhóm sinh vật có tốc độ sinh trưởng nhanh. Vi tảo (Microalgae) là những sinh vật bậc thấp có trong sự chú ý đó vì chúng không chỉ có những cơ chế đặc thù mà còn sinh trưởng và phát triển cực kì nhanh. Hàng năm có 200 tỉ tấn chất hữu cơ được tạo thành trên toàn thế giới, trong số đó 170- 180 tỉ tấn là do tảo tạo thành. Vi tảo chiếm 1/3 sinh khối của thực vật trên trái đất. Cho đến nay hàng loạt các công nghệ nuôi trồng, thu hoạch, chế biến sinh khối vi tảo, các loại công nghệ này đang không ngừng được hoàn thiện, hạ giá thành và nâng cao chất lượng sinh khối, mặt khác sử dụng vi tảo đang được mở rộng trong các lĩnh vực như dùng làm thức ăn bổ dưỡng cho người và thức ăn cho động vật, đặc biệt là các ngành nuôi trồng thủy sản, nguồn phân bón sinh học, năng lượng sạch, các hóa chất trong công nghiệp và dược phẩm, xử lý môi trường. Tuy ở nước ta đã có nhiều nghiên cứu về loại tảo này nhưng quy mô ứng dụng còn chưa rộng. Hiện tại ở Đà Nẵng vẫn chưa có cơ sở nào sản xuất sinh khối để phục vụ cho các ngành thực phẩm và y học, sở dĩ như thế là do thành phần môi trường nuôi cấy còn sử dụng quá nhiều hóa chất nên môi trường nuôi cấy đắt, do đó kém kinh tế dẫn đến chi phí đầu tư cao, các điều kiện để nuôi cấy cũng chưa tốt nhất và phương pháp thu nhận sinh khối tảo chưa được triệt để, hiệu quả chưa cao. Ngoài ra, cũng chưa có phương pháp bảo quản giống tốt trong một thời gian dài để chủ động được nguồn giống để giảm chi phí sản xuất cho những đợt sau. Trước những lý do như thế chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu các điều kiện nuôi cấy thu sinh khối và các phương pháp thu hoạch, bảo quản tảo Spirulina platensis”. Nhằm mục đích tìm ra môi trường ít thành phần hóa chất, rẻ tiền, phương pháp thu hoạch tốt và các phương pháp bảo quản giống trong một thòi gian dài để chủ động trong quá trình nuôi cấy và mang lại tính kinh tế. SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo GVHD: TS. Đặng Đức Long Đồ án tốt nghiệp 2 PHẦN I TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Giới thiệu chung về đối tượng thí nghiệm 1.1.1. Vai trò, vị trí của tảo Spirulina trong công nghệ sinh học (CNSH) Công nghệ sinh học là một lĩnh vực công nghệ cao dựa trên nền tảng khoa học về sự sống, kết hợp với quy trình và thiết bị kỹ thuật nhằm tạo ra các công nghệ khai thác các hoạt động sống của vi sinh vật, tế bào thực vật và động vật để sản xuất ở quy mô công nghiệp các sản phẩm sinh học có chất lượng cao phục vụ cho lợi ích, nhu cầu của con người đồng thời phát triển kinh tế- xã hội và bảo vệ môi trường [30]. Trong tự nhiên vai trò của giới tảo (Algae) nói chung, nhất là tảo biển với vai trò quang hợp gắn giữ cacbonic đã tạo ra khoảng 500 tỷ tấn chất hữu cơ có thể sử dụng được (trong đó có nhiều hoạt chất sinh học quý) và thải ra 90% lượng oxy trong bầu khí quyển cần cho sự hô hấp của người và động vật. Chính điều này đã kích thích nghề nuôi tảo biển ra đời và đặc biệt xuất hiện Công nghệ sinh học vi tảo với bộ 3 nổi tiếng là Chlorella, Scenedesmus và Spirulina, chúng có nhiều giá trị trong công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm... Trong 3 nhóm tảo trên thì Spirulina hiện được chọn để phát triển sản xuất hơn 2 loại kia do 5 ưu thế sau: - Hiệu quả kinh tế cao và góp phần bảo vệ, cải thiện môi trường: Spirulina không những đơn giản trong nhu cầu dưỡng chất mà còn rất hiệu quả trong sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời, nước (có thể dùng nước biển, nước lợ, nước mặn,...)…, tạo ra 16,8 tấn oxy/năm... Điều này giúp bảo vệ môi trường khí quyển, giảm hiệu ứng nhà kính (green house). - Giá trị sử dụng đã vượt ra khỏi ranh giới truyền thống là dùng làm thực phẩm. Theo Thạc sĩ- Dược sĩ Lê Văn Lăng, giảng viên Trường Đại học Y Dược TpHCM, Spirulina là nguồn dinh dưỡng quý của tự nhiên. Nó có đủ các thành phần thiết yếu: protein- lipid- glucid cùng khoảng 30 vi lượng và hầu hết các vitamin cần thiết cho cơ thể, đáp ứng hoàn hảo công thức chuẩn về chế phẩm SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo GVHD: TS. Đặng Đức Long Đồ án tốt nghiệp 3 dinh dưỡng- vi lượng khoáng- vitamin do FAO/WHO công bố và là sản phẩm cải thiện suy dinh dưỡng rất tốt cho trẻ em, người già, người bệnh sau phẫu thuật... Mặt khác, với các hoạt chất: Phycocyanin, Sulfolipid, Spirulan, Betacaroten, các khoáng vi lượng (coban, kẽm, sắt…) và các vitamin cần thiết, tảo Spirulina còn có giá trị dược liệu, giúp cơ thể tăng cường miễn dịch, chống lại bệnh tật. Có thể dùng tảo Spirulina hỗ trợ trong điều trị các bệnh: viêm gan, suy gan, đục thủy tinh thể, suy giảm thị lực, rụng tóc… Song song đó, tảo Spirulina cũng có tác dụng trong phòng chống một số bệnh ung thư do các hoạt chất tăng cường miễn dịch, chống oxy hóa, bảo vệ tế bào, chống đột biến gen. Năm 1996- 1997, một nhóm nhà khoa học người Nhật đã phân lập và xác định cấu trúc một hoạt chất mới trong Spirulina và đặt tên là Spirulan (Ca-Sp). Các thử nghiệm đã chứng tỏ Ca- Sp có tác dụng kháng virus HIV type 1 và virus Herpes simplex type 1 [31]. - Tham gia vào việc xử lý môi trường: ngoài việc cung cấp dưỡng khí oxy, Spirulina còn có khả năng gắn giữ mạnh các cation độc như chì, thuỷ ngân, cadimi,... nên chúng có thể dùng để xử lý chất thải lỏng, xử lý nước thải [29]. - Spirulina có thể là đối tượng chuyển tải các tiến bộ khoa học kỹ thuật rất hiện đại trong công nghệ sinh học: + Nuôi định hướng thu các chất có lợi cho dinh dưỡng và trị bệnh cho người và động vật. Đã có các tiến bộ về nuôi cấy Spirulina gắn Iod (phòng trị bệnh thiếu vi chất iod), gắn Selen, gắn Germani (chất chống oxy hoá, chống lão hoá, phòng chống ung thư...)v.v... Hoặc nuôi với những tiền chất định hướng cho sinh khối Spirulina giàu acid béo cần thiết, giàu beta-caroten. Sự thành công trong tương lai phụ thuộc vào việc chọn giống Spirulina và tìm tòi công nghệ phù hợp, sẽ cho những lô/mẻ sinh khối Spirulina rất có giá trị trong y dược. + Spirulina với công nghệ chuyển nạp gen: Chuyển nạp gen là kỹ thuật phân lập gen từ cơ thể cho (donor) cấy ghép vào bộ máy di truyền của cơ thể nhận (receiver) nhằm tạo ra tính trạng mới cần thiết từ cơ thể đó. Kỹ thuật tân tiến này đang được nghiên cứu với Spirulina ở 2 hướng sau:  Chuyển gen chịu trách nhiệm di truyền tạo phao khí của Spirulina giúp vi sinh vật nổi trên mặt nước dễ dàng. Ta biết muốn phòng trừ bệnh sốt rét phải diệt SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo GVHD: TS. Đặng Đức Long Đồ án tốt nghiệp 4 muỗi Anopheles stopenis, bệnh sốt xuất huyết phải diệt muỗi Aedes aegypti, bệnh giun chỉ phải diệt muỗi Culex quinquefasciatus. Một cách hiệu quả cắt đứt vector truyền bệnh này là diệt ấu trùng (bọ gậy, lăng quăng...) của chúng. Hiện một số nghiên cứu cho thấy có những vi sinh vật, hoặc vi nấm có thể thực hiện được điều này. Tuy vậy, việc phải sống trôi nổi trên mặt nước (môi trường ấu trùng các loại muỗi gây bệnh sinh sống) để diệt ấu trùng muỗi lại là điểm không có hoặc yếu kém của các vi sinh vật này. Do vậy có thể tách gen di truyền tạo phao khí nổi trên mặt nước của Spirulina ghép vào vi sinh vật có ích trên, tạo ra những đặc điểm mong muốn diệt ấu trùng muỗi gây bệnh [1].  Chuyển nạp gen tạo chất dẻo sinh học cho Spirulina: có thể ghép vào Spirulina gen tạo chất polyhydroxyl butylat (P.H.B), gen này có ở vi khuẩn Aleutroplus, để tạo ra giống Spirulina mới có đặc tính phát triển sinh khối nhanh, đồng thời chứa P.H.B với hàm lượng thích hợp. Trích ly chất P.H.B để sản xuất nhựa thay thế nhựa dẻo (như polystyrene) và chất dẻo mới này dễ bị phân huỷ không làm ô nhiễm môi trường v.v... [22]. - Spirulina tương đối thích nghi với mọi quy mô sản xuất: có thể thu hoạch từ tự nhiên hoặc nuôi ở quy mô nhỏ (hộ gia đình, làng xã), trong điều kiện bán tự nhiên với kỹ thuật đơn giản như nuôi trồng thuỷ sản, và nuôi ở quy mô công nghiệp [11]. 1.1.2. Phân loại học Mang nhiều tên gọi khác nhau như Spirulina, Arthrospira và là một chủ đề được thảo luận nhiều từ trước đến nay, nhất là khi cái tên “tảo” được nhắc đến lần đầu tiên. Năm 1852, việc phân loại học đầu tiên được viết bởi Stizenberger. Ông đưa ra tên loài mới là Arthrospira dựa vào cấu trúc chứa vách ngăn, đa bào, dạng xoắn. Gomont đã khẳng định những nghiên cứu của Stizenberger vào năm 1892, đồng thời Gomont bổ sung thêm loài không có vách ngăn là Spirulina và loài có vách ngăn là Arthrospira. Như vậy, tên được công nhận là Arthrospira, nhưng trong những hoạt động khảo sát và nghiên cứu Arthrospira được gọi là Spirulina, do đó tên Spirulina được sử dụng phổ biến cho đến nay thay cho tên Arthrospira. SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo GVHD: TS. Đặng Đức Long Đồ án tốt nghiệp 5 1.1.3. Đặc điểm sinh học của Spirulina Loài Spirulina (Arthrospira) platensis thuộc[2]: Chi : Spirulina (Arthrospira) Họ : Oscillatoriceae Bộ : Oscillatoriales Lớp : Cyanophyceae Ngành : Cyanophyta 1.1.3.1. Đặc điểm hình thái Hình 1.1: Tảo Spirullina platensis Tên “Spirulina” xuất phát từ tiếng Latinh “helix” hoặc “spiral” biểu hiện hình dạng xoắn của nó. Spirulina là tảo đa bào, dạng sợi, sống cộng sinh, các tế bào được phân biệt bởi vách ngăn, dạng sợi xoắn hình lò xo không phân nhánh, số vòng xoắn lớn nhất là 6- 8 vòng đều nhau. Đường kính xoắn khoảng 35- 50m, bước xoắn là 60m, chiều dài sợi tảo có thể đạt 250m. Nhiều trường hợp Spirulina có kích thước lớn hơn. Các vách ngang chia sợi Spirulina thành nhiều tế bào riêng rẽ liên kết với nhau bằng cầu liên bào. Sợi tảo Spirulina có khả năng chuyển động và tự vận động theo kiểu trượt quanh trục của sợi [13]. 1.1.3.2. Đặc điểm cấu tạo Tế bào Spirulina có cấu trúc giống với sinh vật Prokaryote thiếu các hạt liên kết với màng. Thuộc gram âm, thành tế bào nhiều lớp và được bao bọc bởi màng polysaccharide nhầy. Thành tế bào Spirulina không chứa celulose mà hệ tiêu hóa con người không phân cắt được. Spirulina có tỷ lệ chuyển hóa quang hợp khoảng 10% so với chỉ 3% của các thực vật sống trên cạn như đậu nành. Tế bào tảo Spirulina chưa có nhân điển hình, vùng nhân chỉ là vùng giàu axit nucleic chưa có màng nhân bao bọc, phân bố trong nguyên sinh chất. Thành tế bào Spirulina có cấu trúc nhiều lớp, không chứa celulose mà chứa mucopolyme, pectin và các loại polysacharid khác. Màng tế bào nằm sát ngay dưới thành tế bào và nối với màng quang hợp thylakoid tại một vài điểm. Spirulina không có lục lạp mà chỉ chứa thylakoid quang hợp nằm rải rác trong nguyên sinh chất. Màng thylakoid bao quanh các hạt polyphosphat có đường kính 0,5- 1μ thường nằm ở trung tâm tế bào. Sắc tố quang hợp chính là phycocyanin, bên cạnh đó còn SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo GVHD: TS. Đặng Đức Long Đồ án tốt nghiệp 6 có chlorophyll a. Ngoài ra, tế bào Spirulina không có không bào thực, chỉ có không bào chứa khí làm chức năng điều chỉnh tỉ trọng tế bào. Không bào khí có vai trò rất quan trọng trong việc làm cho Spirulina nổi lên mặt nước [10]. Spirullina là một chi tảo thuộc ngành tảo lam, tế bào Spirulina không có ty thể và mạng lưới nội chất, tuy nhiên tế bào vẫn có ribosome với hệ số lắng 70S và một số thể vùi như hạt polyphotphat, glycogen, phycocyanin, cacboxysome và hạt mesosome [10]. Thành tế bào dưới kính hiển vi điện tử hiện lên gồm 4 lớp: từ lớp L 1 đến lớp L4 (L1, L2, L3, L4). L1 và L3 chứa vật liệu dạng sợi. L 2 là một peptidoglycan giống như ở tế bào vi khuẩn. L 4 được sắp xếp chạy theo chiều dọc của trục sợi Spirulina [4]. L1 L2 L3 L4 Hình 1.2. Lát cắt tế bào Spirulina platensis Hình 1.2. cũng cho thấy một vách ngăn đang hình thành, vách ngăn này gồm ba lớp: L2 kẹp giữa hai L1, có thể hình dung như hình 1.3. L4 L3 L2 L1 Màng sinh chất L1 L2 L1 Hình 1.3. Mô hình sắp xếp vách tế bào Spirulina platensis SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo GVHD: TS. Đặng Đức Long Đồ án tốt nghiệp 7 Lớp L1 và L3 có chức năng vận chuyển điện tử, do đó hai lớp L 2 và L4 tập trung các điện tử đó. Độ dày của mỗi lớp từ 10-15nm, nên độ dày của toàn bộ thành tế bào là khoảng 40- 60nm. Các lớp L 1, L3, L4 có độ dày bằng nhau, lớp L1 lớn hơn [2]. 1.1.3.3. Đặc điểm sinh thái Spirulina là chi tảo lam phân bố rộng trong đất, nước ngọt, nước lợ, nước mặn và suối nước nóng. Đây là một trong khoảng 2500 loài cyanophyta cổ nhất, tự dưỡng đơn giản, có khả năng tổng hợp các chất cần thiết cho cơ thể, kể cả các đại phân tử phức tạp để xây dựng tế bào và có khả năng cố định đạm rất cao, chúng không thể sống hoàn toàn trong tối… Trong quá trình sinh trưởng và phát triển tảo Spirulina chịu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường. Những yếu tố như ánh sáng, nhiệt độ, pH và thành phần dinh dưỡng không chỉ ảnh hưởng đến quang hợp và sản xuất sinh khối tế bào mà còn ảnh hưởng tới các hoạt động chuyển hóa của tế bào. a) Ảnh hưởng của ánh sáng Ánh sáng là nhân tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến quang hợp của các sinh vật. Do bản chất tiền nhân của Spirulina nên ánh sáng không ảnh hưởng nhiều tới quá trình phát triển. Tuy nhiên, Spirulina cũng giống như nhiều loài tảo khác có khả năng quang tự dưỡng và phụ thuộc vào ánh sáng vì đây là nguồn năng lượng chính [28]. Hầu hết, các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm về đáp ứng của Spirulina đối với ánh sáng là được thực hiện dưới điều kiện phát triển quang tự dưỡng bằng việc sử dụng môi trường khoáng và bicarbonate như một nguồn carbon. Từ các nghiên cứu đó cho thấy sự phát triển của Spirulina trở nên bão hòa ở cường độ ánh sáng 1µmol m-2 s-1 khoảng bằng 10- 15% lượng ánh sáng mặt trời ở bước sóng 400- 700nm, giá trị này tùy thuộc vào điều kiện phát triển và mối tương quang giữa chlorophyll và sinh khối [28]. Ngoài ra, cường độ chiếu sáng còn ảnh hưởng đến các hàm lượng các chất bên trong tế bào tảo. Một số nghiên cứu đã nhận định rằng khi cường độ chiếu sáng tăng thì hàm lượng của acid béo (PUFA) giảm [26]. SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo GVHD: TS. Đặng Đức Long Đồ án tốt nghiệp 8 Theo Seshadri & Thomas (1979), sự tác động của ánh sáng tới Spirulina là bởi hai yếu tố chính đó là thời gian và cường độ chiếu sáng. Quá trình nuôi cấy ngoài trời thì cường độ ánh sáng tối hảo cho Spirulina trong khoảng 20- 30klux. Về thực hành nuôi cấy Spirulina thì cường độ ánh sáng tối ưu là 25- 30klux, ở khoảng này hoạt tính quang hợp cao nhất, cần điều chỉnh đạt được khoảng cường độ chiếu sáng này trong nuôi cấy [11]. Ngoài ra, cường độ ánh sáng còn phụ thuộc vào mật độ nuôi cấy của tảo, vì khi cường độ ánh sáng cao mà mật độ tảo lớn thì mỗi sợi tảo vẫn nhận được cường độ ánh sáng nhỏ. Nhiều loại vi tảo có cường độ quang hợp bão hoà ở khoảng 33% tổng lượng cường độ ánh sáng. Vì vậy trong điều kiện ánh sáng có cường độ cao và thời gian chiếu sáng dài, người ta thấy xuất hiện hiện tượng quang ức chế có thể làm tảo chết hoặc làm giảm đáng kể năng suất nuôi trồng [1]. Theo Charenkova C.A (1977) thì thời gian chiếu sáng càng dài thì năng suất tảo Spirulina càng cao. Năng suất tảo đạt cao nhất khi chiếu sáng liên tục. Như vậy tảo Spirulina không có chu kỳ quang [1]. b) Ảnh hưởng của nhiệt độ Trong khi ánh sáng được xem là nhân tố môi trường quan trọng nhất cho quang hợp của vi sinh vật thì nhiệt độ là nhân tố cơ bản nhất cho sự sống của sinh vật. Nhiệt độ ảnh hưởng đến tất cả hoạt động sống của vi sinh vật như quá trình trao đổi chất, thành phần dinh dưỡng cũng như các đặc tính sinh lý khác. Nhiệt độ môi trường luôn là một trong những yếu tố nhạy cảm ảnh hưởng đến bất kỳ sinh vật nào. Nhiệt độ môi trường nuôi là yếu tố cần đáp ứng liên tục, vì rất dễ bị chi phối và tác động bởi điều kiện xung quanh, mức độ và thời gian chiếu sáng. Do vậy nhiệt độ là một trong những yếu tố thường xuyên được theo dõi trong công nghệ nuôi trồng vi tảo [28]. Spirulina phát triển ở nhiệt độ khá cao, chúng có khả năng phát triển mạnh ở khoảng nhiệt độ 32- 400C. Nhiệt độ cực thuận cho nuôi cấy Spirulina là 35- 380C. Ở nhiệt độ dưới 250C Spirulina phát triển rất chậm, ở nhiệt độ trên 38 0C tảo này sẽ chết rất nhanh [21]. Tuy vậy, trong tự nhiên người ta phát hiện Spirulina ở những suối nước nóng đến 690C. SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo GVHD: TS. Đặng Đức Long Đồ án tốt nghiệp 9 Ngoài ra, nhiệt độ còn ảnh hưởng đến thành phần sinh hóa của tảo. Theo một nghiên cứu đã cho thấy rằng: ở nhiệt độ 350C không ảnh hưởng xấu lên sản xuất sinh khối nhưng lại ảnh hưởng tích cực lên sản xuất protein, lipid và phenolic. Nhiều chủng khác nhau sẽ phát triển ở các khoảng nhiệt độ khác nhau [28]. Có một mối liên hệ giữa nhiệt độ và ánh sáng trong quá trình nuôi cấy tảo. Giống như hai mặt đối lập của một quá trình thống nhất, chúng đều đóng vai trò quan trọng quyết định đến năng suất và sinh khối của Spirulina. Sinh trưởng của tảo đạt cao nhất với một cường độ và thời gian chiếu sáng thích hợp, kèm theo nó là một chế độ nhiệt tương đối ổn định. c) Ảnh hưởng của pH pH môi trường là một trong các nhân tố quan trọng trong nuôi cấy Spirulina. pH tối ưu cho sự phát triển của chi này là kiềm và kiềm cao. Đây là ưu thế lớn giúp Spirulina ít bị lây nhiễm bởi các tảo khác [14]. Tuy nhiên, pH là yếu tố nội tại luôn luôn thay đổi, không những do chế độ chiếu sáng, nhiệt độ hàm lượng các chất dinh dưỡng tạo nên mà còn do tác động ngược lại của chính trạng thái sinh trưởng của quần thể tảo. Khi tảo phát triển càng mạnh, pH môi trường bị thay đổi và trở thành yếu tố kìm hãm cho sự sinh trưởng và phát triển. Do đó, pH môi trường quá cao hay quá thấp đều làm chậm quá trình sinh trưởng của tảo [20]. Theo Trần Văn Tựa và Nguyễn Hữu Thước (1993) thì pH môi trường từ 8,5- 9 là pH tối ưu cho tảo Spirulina sinh trưởng và phát triển. Ở pH này, nguồn cacbon vô cơ được tảo đồng hóa nhiều nhất. Tuy nhiên ở pH= 10- 11 Spirulina vẫn có khả năng phát triển nhưng rất chậm. Một nghiên cứu đã chỉ ra rằng mặc dù Spirulina là loài tảo sống trong môi trường kiềm nhưng giá trị pH > 10,3 là có hại cho môi trường nuôi cấy [6]. Vì vậy pH được coi là yếu tố chỉ thị, phản ánh các thành phần nuôi dưỡng cung cấp cho môi trường nuôi dưỡng tảo, chủ yếu là nguồn bicarbonat và khí CO2 hoà tan [11]. d) Ảnh hưởng của thành phần dinh dưỡng SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo GVHD: TS. Đặng Đức Long Đồ án tốt nghiệp 10 Spirulina có thể sống trong môi trường tự nhiên đến các môi trường nhân tạo hoặc nửa nhân tạo bằng bổ sung các chất khoáng cần thiết vào nguồn nước tự nhiên: nước biển, nước suối khoáng, nước khoáng ngầm, giếng khoan... Thành phần dinh dưỡng bao gồm cả nguyên tố đa lượng (C, N, P, K, S, Mg, Na, Cl, Ca và Fe) và nguyên tố vi lượng (Zn, Cu, Ni, Co,W). Tất cả điều ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của tảo. Trong đó, các nguyên tố vi lượng là thành phần bắt buộc hay tác nhân kích thích hoạt động của nhiều hệ enzyme, có tác dụng thúc đẩy sinh tổng hợp chlorophyll và làm giảm sự phân hủy chlorophyll nhờ làm tăng độ bền vững của phức hệ liên kết giữa chlorophyll và protein. Ngoài ra, nhiều nguyên tố vi lượng còn làm tăng khả năng tổng hợp carotenoid [14]. Các nguyên tố vi lượng thật sự cần thiết cho quá trình sinh trưởng của tảo, tuy nhiên hàm lượng của chúng trong nước tự nhiên là rất thấp, có thể không cung cấp đủ cho nhu cầu sinh trưởng của tảo do đó việc bổ sung vi lượng vào môi trường nuôi cấy là hết sức cần thiết. Trong nuôi cấy tảo, vi lượng thường được bổ sung với một lượng rất nhỏ vì khi hàm lượng vượt quá ngưỡng chịu đựng của vi tảo, chúng có khả năng gây độc cho tế bào [20]. 1.1.4. Đặc điểm sinh sản Spirulina có hai hình thức sinh sản đó là sinh sản sinh dưỡng và sinh sản vô tính. Hình thức sinh sản sinh dưỡng được thực hiện bằng cách gãy từng khúc của sợi tảo, khúc gãy gọi là khúc tản. Từ một sợi tảo mẹ, hình thành nên những đoạn Necridia (gồm các tế bào chuyên biệt cho sự sinh sản). Trong các Necridia hình thành các đĩa lõm ở hai mặt và sự tách rời tạo các hormogonia bởi sự chia cắt tại vị trí các đĩa này. Trong sự phát triển, dần dần phần đầu gắn tiêu giảm, 2 đầu hormogonia trở nên tròn nhưng vách tế bào vẫn có chiều dày không đổi. Các hormogonia phát triển, trưởng thành và chu kì sinh sản được lập đi lập lại một cách ngẫu nhiên, tạo nên vòng đời của tảo. Kiểu sinh sản này thường gặp ở các sợi tảo có dạng chuỗi tế bào xếp nối nhau. Trong thời kì sinh sản tảo Spirulina nhạt màu ít sắc tố xanh hơn bình thường [5, 13]. SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo GVHD: TS. Đặng Đức Long Đồ án tốt nghiệp 11 Hình 1.4. Vòng đời của tảo Spirulina Trong một số điều kiện sống không thuận lợi, Spirulina cũng có khả năng tạo bào tử giống vi khuẩn, đó là hình thức sinh sản vô tính. Bào tử tảo có chứa nhiều chất dinh dưỡng ở dạng dự trữ và được bao bọc bởi một lớp dày, khi gặp điều kiện thuận lợi, chúng sẽ tạo thành sợi mới. Chu kỳ phát triển của tảo Spirulina rất ngắn, nuôi trong phòng thí nghiệm thì thời gian thế hệ của nó chỉ kéo dài trong 24 giờ, ở điều kiện tự nhiên là khoảng 3- 5 ngày [7]. 1.1.4. Thành phần dinh dưỡng của tảo Spirulina - Hàm lượng protein trong Spirulina thuộc vào loại cao nhất trong các thực phẩm hiện nay 60- 70% trọng lượng khô, cao hơn trong thịt bò 3 lần, trong đậu tương 2 lần. Cứ 1kg tảo xoắn Spirulina chứa 55mg vitamin B1, 40mg vitamin B2, 3mg vitamin B6, 2mg vitamin B12, 113mg vitamin PP, 190mg vitamin E, 4.000mg caroten trong đó β-Caroten khoảng 1700mg (tăng thêm 1000% so với cà rốt), 0,5mg acid folic, inosit khoảng 500- 1.000mg. Phần lớn chất béo trong Spirulina là acid béo không no, trong đó acid linoleic 13.784mg/kg, γ-linoleic 11.980mg/kg. Đây là điều hiếm thấy trong các thực phẩm tự nhiên khác. Hàm lượng khoáng chất có thể thay đổi theo điều kiện nuôi trồng, thông thường sắt là 580- 646mg/kg (tăng thêm 5.000% so với rau chân vịt), mangan là 23- 25mg/kg, Magie là 2.915- 3.81mg/kg, selen là 0,4mg/kg, canxi, kali, phospho đều khoảng là 1.000- 3.000mg/kg hoặc cao hơn (hàm lượng canxi tăng hơn sữa 500%). Hàm lượng cacbonhydrat khoảng 16,5%, hiện nay đã có những thông tin dùng glucose SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo GVHD: TS. Đặng Đức Long Đồ án tốt nghiệp 12 chiết xuất từ tảo Spirulina để tiến hành những nghiên cứu chống ung thư [34, 35]. - Tảo Spirulina có chứa phong phú các acid amin cần thiết như lysin, threonin... rất quan trọng cho trẻ đặc biệt là trẻ thiếu sữa mẹ. Hàm lượng khoáng chất và các nguyên tố vi lượng phong phú có thể phòng tránh bệnh thiếu máu do thiếu dinh dưỡng một cách hiệu quả và cũng là nguồn bổ sung dinh dưỡng rất tốt cho trẻ lười ăn [34]. - Trong tảo Spirulina có chứa nhiều loại chất chống lão hóa như β-caroten, vitamin E, acid γ-linoleic. Những chất này có khả năng loại bỏ các gốc tự do thông qua tác dụng chống ôxi hóa, làm chậm sự lão hóa của tế bào, đồng thời sắt, canxi có nhiều trong tảo vừa dễ hấp thụ vừa có tác dụng phòng và hỗ trợ điều trị các bệnh thường gặp ở người già như thiếu máu, xốp xương...[34]. - Có thể dùng tảo Spirulina hỗ trợ trong điều trị bệnh viêm gan, suy gan, bệnh nhân bị cholesterol máu cao và viêm da lan tỏa, bệnh tiểu đường, loét dạ dày tá tràng và suy yếu hoặc viêm tụy, bệnh đục thủy tinh thể và suy giảm thị lực, bệnh rụng tóc. Với liều dùng vừa phải, Spirulina làm cân bằng dinh dưỡng, tổng hợp các chất nội sinh, tăng hormon và điều hòa sinh lý [34]. - Tảo tiêu diệt được Candida albicans, một loại nấm thường kí sinh trong đường ruột của nạn nhân AIDS. Hiện nay Spirulina còn được nghiên cứu invitro, để ngăn chặn sự tấn công của virus HIV. Ngoài ra, tảo Spirulina có những tác dụng đã và đang được các nhà khoa học nghiên cứu [32, 33, 34]. 1.2. Tình hình nghiên cứu và nuôi trồng tảo Spirulina 1.2.1. Tình hình nghiên cứu và nuôi trồng tảo Spirulina trên thế giới Người ta bắt đầu biết đến tảo Spirulina qua loại thức ăn Tecuitlatl của người dân Aztec (Mêhicô) và bánh Dihé của bộ tộc Kanembu (Cộng hòa Chad và Niger). Việc phát hiện và phát triển tảo Spirulina ra khắp thế giới gắn liền với lịch sử tìm ra châu Mỹ của Christophe Colomb năm 1492. Mãi đến năm 1960, khi Leonard và Comperé (người Bỉ) phân tích và công bố giá trị dinh dưỡng của Tecuitlatl và Dihé chứa hàm lượng protein cao thì Spirulina được giới khoa học quan tâm nhiều hơn. Năm 1963, Giáo sư Clement thuộc Viện nghiên cứu dầu hỏa SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo GVHD: TS. Đặng Đức Long Đồ án tốt nghiệp 13 Pháp là người đầu tiên nghiên cứu nuôi tảo Spirulina ở quy mô công nghiệp thành công. Năm 1967, nghiên cứu này đã được triển khai tại Công ty Sosa Texcoco ở Mêhicô, Spirulina đã được nuôi trồng ở quy mô lớn trên suối nước khoáng giàu bicacbonat. Tiếp sau đó, hàng loạt xí nghiệp sản xuất tảo Spirulina đã xuất hiện ở Mỹ, Ấn Độ, Nhật Bản, Thái Lan, Hàn Quốc, Trung Quốc,…[11]. Nhu cầu về các chất có giá trị cao trong tảo Spirulina dùng để làm thuốc và thực phẩm chức năng ngày càng tăng. Viện Nghiên cứu truyền nhiễm virus, trường Y khoa Harvard, Earthrise Farms (California) gần đây công bố nghiên cứu của họ về khả năng ức chế sự nhân lên của virus HIV- 1 trong dòng tế bào T của nước chiết từ Spirulina. Nếu một người sử dụng 2- 3g tảo Spirulina sẽ giúp tăng cường sức khỏe và khả năng tự bảo vệ của cơ thể [27]. Tảo lam Spirulina platensis có thể là chỉ thị tốt nhất cho một vài loại nước thải. Spirulina có khả năng loại bỏ kim loại nặng cadimi trong nước thải rất tốt, do độ hấp thụ cũng như hiệu suất hấp thụ kim loại của nó rất cao [29]. Ngoài các hướng nghiên cứu đã được chỉ ra ở trên, hiện nay đã có nhiều công bố thông báo về khả năng chuyển gen ở tảo Spirulina bằng việc áp dụng công nghệ gen, kỹ thuật DNA tái tổ hợp đang được thực hiện ở Nhật Bản và một số nước, nhằm mục đích tạo ra những chủng giống Spirulina có những đặc tính mong muốn cho định hướng ứng dụng như tăng cường khả năng tổng hợp acid γlinolenic hoặc là tạo chất dẻo sinh học dễ phân hủy…[22]. Việc sử dụng tảo Spirulina platensis trong các nghiên cứu về vũ trụ là hướng có triển vọng. Ý tưởng về vi hệ sinh thái tự cung tự cấp “MELISSA” (Micro Ecological Life Support System Alternative) cho các chuyến du hành vũ trụ sử dụng tảo Spirulina platensis để chuyển nước thải, CO2, phân, nước tiểu thành sinh khối tảo dinh dưỡng, H2O sạch và O2 cung cấp lại cho người đang được NASA (Cơ quan hàng không và vũ trụ Hoa Kỳ) thử nghiệm ở dạng pilot [24]. 1.2.2. Tình hình nghiên cứu và nuôi trồng tảo Spirulina ở Việt Nam Ở Việt Nam, tảo Spirulina được nhập nội từ Pháp năm 1972 và trở thành đối tượng nghiên cứu sinh lý, sinh hóa, tại Viện Sinh vật học (nay là Viện Công nghệ sinh học) do cố Giáo sư- TSKH. Nguyễn Hữu Thước chủ trì. Những thí nghiệm SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo GVHD: TS. Đặng Đức Long Đồ án tốt nghiệp 14 nghiên cứu về tác động của ánh sáng, nhiệt độ, pH đã cho phép đẩy nhanh quá trình thích ứng của tảo này ở điều kiện Việt Nam. Các nghiên cứu tác động của các nguyên tố khoáng lên sinh trưởng và quang hợp của tảo Spirulina là cơ sở cho việc thiết lập những môi trường dinh dưỡng rẻ tiền, thích hợp cho nuôi trồng chúng. Chính trên nền môi trường này, Spirulina đã được đưa vào thử nghiệm nuôi trồng đại trà tại Hà Nội, Bình Thuận, Bến Tre, Thành phố Hồ Chí Minh [7]. Vào đầu thời điểm năm 1980, ở Thuận Hải, hai sản phẩm Spirulina đã được xí nghiệp dược phẩm TW24 tung ra thị trường dưới tên gọi “Linavina” và “Lactogyl” để làm thuốc bổ dưỡng. Sinh khối Spirulina cũng được các đơn vị như bệnh viện Thống Nhất, bệnh viện phụ sản Từ Dũ, bệnh viện tỉnh Thuận Hải, trung tâm dinh dưỡng trẻ em thành phố Hồ Chí Minh tiến hành thử nghiệm chống suy dinh dưỡng ở trẻ em và người già [11, 18]. Trong khoảng thời gian 1981- 1985, Phòng Công nghệ Tảo- Viện Công nghệ sinh học đã hợp tác chặt chẽ với Bộ môn Hóa Công nghệ trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Công ty Công nghiệp tỉnh Thuận Hải (nay là tỉnh Bình Thuận) để triển khai nuôi trồng Spirulina ở quy mô lớn tại suối nước khoáng Vĩnh Hảo giàu bicacbonat và các chất khoáng khác, tận dụng gió, ánh sáng, nhiệt độ cao quanh năm. Ban đầu, Spirulina được nuôi trồng ở quy mô 60 bể (mỗi bể 45m 3) với năng suất 8- 10g khô/m2/ngày. Cũng trong thời gian này, hàng loạt nghiên cứu ứng dụng sinh khối Spirulina cho gia cầm, cá, vịt, ong, tằm cũng đã được thực hiện. Năm 1994, Nguyễn Thị Đệ đã tiến hành nghiên cứu vai trò và một số tính chất của phycobiliprotein chính trong tảo Spirulina [3,17]. Năm 1996, Đặng Đình Kim, Đặng Hoàng Phước Hiền, Dương Trọng Hiền đã khẳng định khả năng ứng dụng của phycobleu tách chiết từ Spirulina platensis cho bệnh nhân ung thư. Phycobleu có tác dụng nâng cao thể trạng cho bệnh nhân ung thư vùng đầu, cổ trong thời gian chiếu xạ hoặc sau phẫu thuật và loại sản phẩm này không gây phản ứng phụ nào [15]. Năm 1997, một nhóm nhà nghiên cứu đã thử nghiệm một số đặc điểm sinh lý, sinh hóa của Spirulina platensis trong điều kiện chịu mặn NaCl và đã kết luận SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo GVHD: TS. Đặng Đức Long Đồ án tốt nghiệp 15 rằng hàm lượng chlorophyll và carotenoid có khuynh hướng tăng khi tăng nồng độ trong môi trường. Như vậy muốn sản xuất nhiều chlorophyll và carotenoid thì trong môi trường nuôi cấy có thể bổ sung thêm một ít muối NaCl [12]. Năm 2008, Hoàng Sỹ Nam, Đặng Diễm Hồng đã tiến hành nuôi trồng thử nghiệm 2 chủng tảo Spirulina platensis CNT và Spirulina platensis C1 trong các loại nước khoáng Thạch Thành- Thanh Hóa, Thanh Tân- Thừa Thiên Huế và Thanh LiêmHà Nam đã cho kết quả là cả 3 loại nước khoáng điều có thể sử dụng để nuôi trồng tảo, trong đó loại nước khoáng ở Thanh Hóa thì cho chi phí nuôi tảo giảm được một nửa mà chất lượng tảo vẫn đảm bảo để làm thực phẩm cho người và động vật nuôi [9]. 1.3. Các vấn đề trong nuôi tảo Spirulina platensis Trước tình hình nhu cầu sử dụng tảo Spirulina trong các lĩnh vực khác nhau ngày càng tăng ở Việt Nam, song lượng sinh khối tảo này sản xuất ra vẫn còn chưa đáp ứng đủ, do đó việc lựa chọn, tạo đột biến được những chủng giống tảo Spirulina tốt là điều kiện trước tiên. Ngoài ra, phải tìm được môi trường dinh dưỡng thích hợp, rẻ tiền để nuôi trồng loài tảo này ở quy mô lớn, phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam nhằm không ngừng nâng cao năng suất và chất lượng sinh khối tảo là điều cần được quan tâm và có ý nghĩa thực tiễn to lớn. *Spirulina sản xuất ra đường (carbohydrate hoặc saccharide) trong suốt quá trình chúng quang hợp. Khi nồng độ các chất này trở nên dư thừa trong cơ thể, chúng sẽ tiết ra môi trường. Vì những chất đường nhầy nên khi sợi tảo trườn lên sẽ tạo ra khối nhầy và các sợi tảo sẽ không tiếp xúc được với môi trường dinh dưỡng nên chúng sẽ bị chết vì đói. Chúng ta phải cảnh giác với 3 nguyên nhân dẫn đến việc sản sinh đường quá mức, đặc biệt khi nhiệt độ cao đe dọa quang phân giải. Thứ hai là thiếu nitrogen phức hợp trong môi trường vì nitrogen phức hợp trong tế bào được sử dụng để chuyển hóa polysaccharide thành protein. Khi chúng không được chuyển hóa thành protein thì chúng sẽ tiết ra môi trường. Và sự thừa bicarbonate hoặc thiếu sulfur trong môi trường cũng dẫn tới làm sản sinh đường dư thừa [12]. *Các vi sinh vật nhiễm tạp: SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo GVHD: TS. Đặng Đức Long Đồ án tốt nghiệp 16 - 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. Vào ban đêm, tảo tiêu thụ oxygen và sản sinh ra CO 2, khí này có tác dụng đầu độc động vật. Vì vậy, nên dừng khuấy vào ban đêm và 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) gắn bên trong bể, tại các góc bên phải theo hướng di chuyển của môi trường nuôi cấy như vậy các động vật này sẽ bị giữ lại trên lưới. Những động vật này là thức ăn rất tốt cho tôm hoặc cá con [12, 38] . - 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. Chúng lan truyền bằng các bào tử “hình trứng”, các bào tử này bị chết trong nước nhiệt độ 45 0C trong thời gian 1h và ở nhiệt độ 550C trong ít giây. Nhiệt độ bên trong của thiết bị sấy sử dụng năng lượng mặt trời dao động từ 50-600C và qúa trình làm khô diễn ra trong suốt 4h, vì vậy nguy cơ tiềm ẩn từ những sinh vật loại này bị diệt trừ gần như tuyệt đối [12]. - Tảo Môi trường nuôi cấy còn bị nhiễm các loại tảo khác. Nhưng do nồng độ muối, pH cao của 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. Tuy nhiên, loài tảo silic Navicula, tảo xanh lục, và tảo lục Chlorella vẫn sống sót được trong các bể nuôi Spirulina. Chúng thường sống ở đáy bể và nếu như mật độ của Spirulina trở nên dày đặc thì ức chế các tảo khác do ánh sáng không xuống được tới đáy. Trong trường hợp chúng phát triển mạnh thì người ta sẽ dừng khuấy, thu vớt sinh khối tảo Spirulina trên bề mặt, chuyển chúng sang bể khác, tiếp theo rửa sạch bể để loại bỏ tảo nhiễm tạp [12, 38]. *Môi trường nuôi cấy sau khi thu hoạch có mùi tanh nồng nếu thải ra môi trường sẽ bị ô nhiễm vì có tính kiềm mạnh vì vậy cần xử lý trước khi thải ra ngoài. SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo GVHD: TS. Đặng Đức Long Đồ án tốt nghiệp 17 1.4. Mật rỉ (hay rỉ đường) Mật rỉ là sản phẩm cuối cùng của quá trình sản xuất đường mà từ đó đường không thể kết tinh một cách kinh tế nữa bởi các công nghệ thông thường. Có hai loại rỉ đường: rỉ đường mía và rỉ đường củ cải. Ở Việt Nam chỉ dùng rỉ đường mía. So với rỉ đường củ cải thì rỉ đường mía có lượng saccharose thấp hơn nhưng lượng đường khử cao hơn. Rỉ đường thường chiếm khoảng 3- 5% trọng lượng của mía ép hay 100 tấn mía sẽ tạo ra 3- 5 tấn rỉ đường. Thành phần của rỉ đường mía phụ thuộc vào giống mía, thổ nhưỡng, điều kiện canh tác và công nghệ sản xuất. Rỉ đường mía thu được khi chế biến đường thô là một hỗn hợp phức tạp có chứa các đường lên men, các chất hữu cơ, chất có chứa nitơ cũng như các hợp chất vô cơ. Trong rỉ đường có 15- 20% là nước, 80- 85% chất khô hoà tan. Trong chất khô có từ 25- 40 % là đường, trong đó saccharose chiếm 30-35%, đường glucose, fructose chiếm 15- 20%, còn lại những chất không phải là đường hoà tan trong nước gồm có 30- 32% là các chất hữu cơ như pectin, furfurol, acid hữu cơ, caramen, các chất màu, acid amin, vitamin, chất kích thích sinh trưởng và 1820% là chất vô cơ có các ion: K+, Na+, Cl-, Ca2+, Mg2+, SO32- … [37]. Tuy nhiên, rỉ đường cũng có những đặc điểm không phù hợp cho quá trình nuôi cấy. Muốn sử dụng chúng cho quá trình nuôi cấy đòi hỏi phải có các quá trình xử lý thích hợp. Các đặc điểm cần lưu ý mật rỉ bao gồm: - Rỉ đường thường có màu sẫm. Màu này khó bị phá huỷ trong quá trình nuôi cấy. Sau nuôi cấy chúng sẽ bám vào sinh khối sinh vật và bám vào sản phẩm. Việc tách màu ra khỏi sinh khối và sản phẩm thường rất tốn kém và rất khó khăn. Vì vây phải xử lý trước khi tiến hành quá trình nuôi cấy. - Hàm lượng đường khá cao (thường nằm trong khoảng 40- 50%). Lượng đường này chủ yếu là saccharose nên khi tiến hành lên men phải pha loãng tới nồng độ thích hợp. - Đặc điểm gây khó khăn lớn nhất cho quá trình nuôi cấy là hệ keo trong mật rỉ. Keo càng nhiều thì khả năng hoà tan oxy càng kém và khả năng trao đổi chất SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo GVHD: TS. Đặng Đức Long Đồ án tốt nghiệp 18 của oxy càng kém. Do đó công việc quan trọng nhất khi sử dụng mật rỉ là phải phá hệ keo này. - Vì rỉ đường là chất dinh dưỡng khá lý tưởng nên chúng rất dễ bị vi sinh vật xâm nhập và phát triển. Như vậy chất lượng mật rỉ cũng dễ thay đổi theo thời gian bảo quản. Để giải quyết những đặc điểm không thuận lợi có trong mật rỉ đối với quá trình lên men, người ta thường sử dụng acid sunfuric đậm đặc với lượng 3,5kg cho một tấn mật rỉ. Khi cho H2SO4 vào mật rỉ, ta có ba cách thực hiện quá trình xử lý này : + Cách thứ nhất: Khi cho 3,5kg H2SO4 vào một tấn mật rỉ, người ta khuấy đều ở nhiệt độ thường trong thời gian 24h, sau đó ly tâm thu dịch trong. + Cách thứ hai: Khi cho 3,5kg H2SO4 vào một tấn mật rỉ, người ta đun toàn bộ lên 850C và khuấy đều liên tục trong 6h, sau đó ly tâm thu dịch trong. + Cách thứ ba: Cho H2SO4 đến khi pH của mật rỉ đạt được giá trị là 4, người ta đun nóng đến 120- 1250C trong một phút để các chất vô cơ kết tủa, sau đó ly tâm thu dịch trong. Thực hiện một trong ba cách trên sẽ thu được dịch mật rỉ đã loại thể keo và màu. Từ mật rỉ đã qua xử lý này đem pha chế thành các loại môi trường có nồng độ khác nhau.. Tuy nhiên giá trị của mật rỉ trong quá trình nuôi cấy thu nhận sinh khối không chỉ do lượng đường saccharose có trong mật rỉ mà còn do các loại muối khoáng, các chất kích thích sinh trưởng và các thành phần khác quyết định [15]. 1.5. Giới thiệu về hệ thống ánh sáng đèn Led trong nuôi cấy tảo Vấn đề môi trường đang là thách thức lớn của nhân loại. Việc thải khí CO 2 của các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch được coi là một trong những nguyên nhân chủ yếu gây hiệu ứng nhà kính làm cho khí hậu nóng dần lên, dẫn đến hàng loạt những biến đổi khí hậu trên thế giới trong những năm gần đây. Do vậy, tiết kiệm điện năng là vấn đề của tất cả các quốc gia trên thế giới không phân biệt là nước giàu hay nghèo. Tiết kiệm điện năng trước hết là sử dụng hợp lý các thiết bị tiêu thụ điện trong đó có các thiết bị chiếu sáng, tạo ra môi trường SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo GVHD: TS. Đặng Đức Long Đồ án tốt nghiệp 19 ánh sáng tiện nghi cho con người mà còn tiết kiệm chi phí cho điện năng tiêu thụ và các chi phí khác. Nhưng trong hoàn cảnh thiếu hụt điện năng như bây giờ, đèn Led là lựa chọn số 1, vừa bởi hiệu quả chiếu sáng cao, vừa bởi hiệu quả tiết kiệm điện [16]. LED là viết tắt của Light-Emitting-Diode có nghĩa là “đi-ốt phát sáng” là một nguồn sáng phát sáng khi có dòng điện tác động lên nó. Được biết tới từ những năm đầu của thế kỷ 20, công nghệ LED ngày càng phát triển từ những diode phát sáng đầu tiên với ánh sáng yếu và đơn sắc đến những nguồn phát sáng đa sắc, công suất lớn và cho hiệu quả chiếu sáng cao. Hình 1.5: Đèn Led và hệ thống đèn Led xanh dùng trong nuôi tảo Hoạt động của LED dựa trên công nghệ bán dẫn. Trong khối điốt bán dẫn, electron chuyển từ trạng thái có mức năng lượng cao xuống trạng thái có mức năng lượng thấp hơn và sự chênh lệch năng lượng này được phát xạ thành những dạng ánh sáng khác nhau. Màu sắc của LED phát ra phụ thuộc vào hợp chất bán dẫn và đặc trưng bởi bước sóng của ánh sáng được phát ra. Một đặc điểm của đèn LED là ít tiêu hao năng lượng và không nóng. Bóng đèn truyền thống, đèn neon, đèn halogen... đều cần từ 110- 220V mới cháy được, trong khi đèn LED trắng chỉ cần từ 3- 24V để phát sáng. Nhiệt độ làm việc của bóng đèn LED cao hơn nhiệt độ môi trường khoảng 5- 8 0C, thấp hơn so với đèn huỳnh quang thông thường là khoảng 13- 250C. Đèn LED có hiệu suất sáng cao hơn, do đó tiết kiệm khoảng 75% điện năng so với các đèn chiếu sáng thông thường. LED còn có tính chất sáng nhanh, tắt nhanh nên khi nhiệt chưa tạo ra thì đã ngắt dòng điện, cho nên nhiệt độ tỏa ra không nhiều (nhiệt là nguyên nhân SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo GVHD: TS. Đặng Đức Long Đồ án tốt nghiệp 20 chính làm giảm tuổi thọ cho các thiết bị chiếu sáng). Đèn LED có tuổi thọ rất cao vượt qua 50.000 giờ (tương đương với 6 năm thắp sáng liên tục). Chất lượng ánh sáng thân thiện, không tia cực tím, không bức xạ tia hồng ngoại, phát nhiệt của ánh sáng thấp, không chứa thủy ngân và những chất có hại… không nhấp nháy, không gây nhức mỏi mắt [36]. Do ít tiêu hao năng lượng nên đèn LED có thể sử dụng ở vùng sâu vùng xa mà không cần nhà máy phát điện công suất cao. Đèn LED trắng có thể sử dụng với pin mặt trời và gần đây nhất với pin nhiên liệu chạy bằng hỗn hợp nước và rượu. Đèn pin dùng LED trắng có thể sử dụng dễ dàng khi bị mất điện, vì chỉ cần vài cục pin vẫn có thể thắp sáng được đèn. Hiện nay đèn Led được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực nghiên cứu về quang sinh học như là sự tổng hợp chlorophyll ( Tripathy và Brown, 1995), quang hợp (Tennessen và cộng sự, 1994) và phát sinh hình thái ( Hoenecke và cộng sự, 1992; Robin và cộng sự, 1994) [16]. Một vài loại cây trồng được báo cáo là đã trồng thành công dưới hệ thống Led như: cây tiêu, dưa, lúa mỳ, bó xôi ( Bula và cộng sự, 1991; Hoenecke, 1992; Brown và Schuerger, 1994; Yanagi và Okamoto, 1994), những cây khoai tây nuôi cấy trong ống nghiệm ( Miyashita và cộng sự, 1995) [16]. Từ 1996 đến 2007, Dương Tấn Nhựt và cộng sự đã ứng dụng thành công hệ thống phát sáng Led trên một số loại cây trồng như dâu tây, bạch đàn, hồ điệp, lan, cúc…Những cây trồng nuôi cấy dưới hệ thống đèn Led không những sinh trưởng phát triển tốt ở điều kiện invitro mà còn cả ở điều kiện exvitro. Những nghiên cứu về giải phẫu học, quang hợp cũng chứng minh rằng những cây nuôi cấy dưới hệ thống đèn Led thì tốt hơn khi so sánh với hệ thống chiếu sáng bằng đèn neon. SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo GVHD: TS. Đặng Đức Long