Vi tảo đóng vai trò vô cùng quan trọng trong hệ sinh thái tự nhiên, đại diện cho các sinh vật hấp thụ CO₂, có hiệu suất quang hợp và khả năng tích luỹ sinh khối hữu ích cao hơn nhiều so với thực vật. Những năm gần đây, vi tảo thu hút sự chú ý của các nhà khoa học, công nghệ và thương mại do tiềm năng ứng dụng của vi tảo vào vào các lĩnh vực như môi trường, công nghiệp, nông nghiệp, y học. Vì vậy nhiều kỹ thuật nuôi trồng vi tảo đã được phát triển để sản xuất sinh khối tảo với quy mô lớn dùng làm nhiên liệu sinh học, thực phẩm chăn nuôi, thực phẩm chức năng, hoặc sản xuất các hợp chất có ứng dụng rộng rãi trong mỹ phẩm và dược phẩm.

Các kỹ thuật nuôi trồng vi tảo phổ biến hiện nay là nuôi dạng “dịch treo”, trong đó vi tảo được nuôi cấy trong các dung dịch dinh dưỡng chứa trong các bể hở. Đây là hệ thống nuôi quy mô lớn với dạng bể nuôi có hình dạng tròn hoặc dài. Dịch tảo được khuấy đều bằng thiết những thiết bị guồng bên trong những chiếc bể có độ sâu khoảng 20 – 50cm. Hệ thống này được thiết kế để thu nhận ánh sáng từ tự nhiên, có thể nuôi trực tiếp bên ngoài môi trường hoặc trong nhà kính.

Hình 1: Hệ thống nuôi cấy vi tảo trong bể hở ngoài trời (trên) và trong nhà kính (dưới)

https://www.nutraingredients-latam.com/Article/2019/03/26/Chilean-astaxanthin-producer-eyes-big-potential-in-Asia-and-global-feed-markets, https://www.nutraingredients-usa.com/Article/2017/03/28/Heliae-makes-progress-on-astaxanthin-pivots-to-feed-in-DHA-production)

Nhìn chung, các hệ thống nuôi cấy vi tảo này đều gặp phải một số khó khăn hạn chế như phụ thuộc rất nhiều vào thời tiết, chi phí đầu tư máy móc thiết bị ban đầu rất cao, không kiểm soát được hiện tượng tạp nhiễm, khả năng thu hồi sinh khối tảo rất khó khăn và tốn kém, tốn nhiều chi phí về năng lượng.

Để khắc phục được nhược điểm của các hệ thống nuôi cấy trên, các nhà nghiên cứu thuộc trường Đại học Köln (Đức) được dẫn đầu bởi Giáo Sư Michael Melkonian đã phát triển hệ thống nuôi tảo sử dụng hệ thống quang sinh học màng đôi cơ chất xốp (Twin-Layer Porous Substrate Photobioreactor – TL-PSBR), theo đó vi tảo thay vì được nuôi cấy dưới dạng dịch treo trong môi trường lỏng, tảo sẽ bám cố định và phát triển trên một bề mặt giá thể, tạo thành một lớp màng mỏng, dễ dàng thu hoạc và kiểm soát được các yếu tố tạp nhiễm ngoại cảnh. Tuy nhiên, kỹ tuật này gặp phải một số hạn chế tại Việt Nam, do chí phí đầu tư vẫn còn cao so với thực tế.

Hình 2: Hệ thống quang sinh học hai lớp màng phương đứng đang vận hành (Naumann và cs, 2013)

Để phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam, Nhóm Nghiên cứu ứng dụng vi tảo trong sản xuất thực phẩm và thức ăn chăn nuôi thuộc Khoa Công nghệ Sinh học của Trường đại học Nguyễn Tất Thành đã vận dụng linh hoạt nguyên lý của hệ thống TL-PSBR, kết hợp với các cải tiến và sáng tạo của riêng mình về vật liệu và thiết kế, sử dụng các nguyên vật liệu sẵn có và dễ kiếm của địa phương để giảm chi phí và tối ưu hoá hiệu suất nuôi trồng vi tảo, từ đó, xây dựng nên kỹ thuật nuôi trồng vi tảo bằng hệ thống TL-PSBR theo phương nghiêng, được xem như hướng đi mới trong kỹ thuật nuôi vi tảo sản xuất trên quy mô công nghiệp.

Kỹ thuật này đã được Nhóm nghiên cứu phát triển để nuôi cấy vi tảo Haematococcus pluvialis sản xuất astaxanthin, với những kết quả bước đầu khả quan với năng suất sinh khối đạt 11,25 g/m²/ngày và tỉ lệ astaxanthin đạt 2,8% sinh khối khô sau 10 ngày nuôi cấy.

Kết quả nghiên cứu bước đầu cho thấy tiềm năng lớn của phương pháp nuôi cố định sử dụng hệ thống TL-PSBR theo phương nghiêng. Vì vậy, hiện nay Nhóm nghiên cứu đang tiến hành các bước nghiên cứu tiếp theo trên các đối tượng vi tảo khác nhau như Dunaliella salina,  Chlorella spp. nhằm tối ưu hoá điều kiện nuôi cho các chủng vi tảo khác nhau cũng như tối ưu hóa quy trình tích lũy các hợp thứ cấp có hoạt tính sinh học cao và mở rộng quy mô sản xuất.

(A)                                                                        (B)

(C)

Hình 3: Hệ thống TL-PSBR theo phương nghiêng nuôi cấy vi tảo Haematococcus pluvialis sử dụng đèn LED (A) và đèn Natri cao áp (B). Phương pháp thu hoạch đơn giản, hiệu quả (C)

Tài liệu tham khảo

Naumann, T., Çebi, Z., Podola, B., & Melkonian, M. (2013). Growing microalgae as aquaculture feeds on twin-layers: a novel solid-state photobioreactor. Journal of applied phycology, 25(5), 1413-1420.

Công trình đã được công bố

Do, T. T., Ong, B. N., Nguyen Tran, M. L., Nguyen, D., Melkonian, M., & Tran, H. D. (2019). Biomass and astaxanthin productivities of Haematococcus pluvialis in an angled twin-layer porous substrate photobioreactor: effect of inoculum density and storage time. Biology, 8(3), 68.

Tran, H. D., Do, T. T., Le, T. L., Nguyen, M. L. T., Pham, C. H., & Melkonian, M. (2019). Cultivation of Haematococcus pluvialis for astaxanthin production on angled bench-scale and large-scale biofilm-based photobioreactors. Vietnam Journal of Science, Technology and Engineering, 61(3), 61-70.

Tác giả liên hệ

PGS. TS. Trần Hoàng Dũng, ThS. Đỗ Thành Trí, ThS. Ông Bỉnh Nguyên, ThS. Lê Tuấn Lộc

Sinh viên thực hiện đề tài nghiên cứu

Nguyễn Vĩnh Tường, Nguyễn Việt Quốc, Nguyễn Hoàng Ân

Nguyễn Thành Công