Hệ thống Twin-Layer: Tăng cường hiệu suất nuôi trồng vi tảo
Khi áp dụng hệ thống nuôi trồng vi tảo Twin-Layer về Việt Nam, PGS.TS Trần Hoàng Dũng - Viện trưởng Viện Nghiên cứu ứng dụng và Chuyển giao công nghệ, trường ĐH Công thương TP.HCM, và các đồng nghiệp đã tiến hành nhiều thử nghiệm suốt bảy năm để hoàn thiện thiết kế “phần cứng” (khung thép, bố trí ánh sáng, chế tạo các tấm phiến nuôi tảo…) cho đến “phần mềm” (các thông số tối ưu cho quy trình nuôi cấy tảo) sao cho phù hợp với giá thành và điều kiện sản xuất trong nước.
Hệ thống quang sinh học hai lớp màng phương đứng do GS.TS Michael Melkonian phát triển.
Định hình lại ngành công nghiệp vi tảo
Vi tảo biển là nguồn thức ăn tươi sống đặc biệt quan trọng, giàu dinh dưỡng cho nhiều loài thủy hải sản (nhuyễn thể hai mảnh vỏ, các giai đoạn ấu trùng của hầu hết các loài tôm, cá biển và cho các động vật phù du…). Không những thế, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng vi tảo còn có thể 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. Nhờ những hợp chất quý có trong vi tảo, vi tảo ngày càng thu hút sự chú ý của các nhà khoa học - những người mong muốn phát triển các kỹ thuật giúp tối ưu hiệu suất sinh học của chúng.
“Tôi có một câu hỏi dành cho các bạn. Nhóm vi tảo có hai cách sống: trôi nổi tự do trong nước hoặc bám lên bề mặt tảng đá. Vậy cách sống nào sẽ giúp tảo cho hiệu suất sinh học cao nhất để sản sinh ra hợp chất quý cho chúng ta?”, đó là câu hỏi được GS.TS Michael Melkonian - Đại học Cologne (Cộng hòa Liên bang Đức), đặt ra cho những người tham dự hội thảo “Công nghệ nuôi trồng vi tảo cố định trên hệ thống Twin – Layer và ứng dụng sản xuất thực phẩm chức năng” do Trung tâm thông tin và thống kê khoa học công nghệ (Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM) tổ chức.
Để trả lời câu hỏi này, cần lưu ý hai thành phần quan trọng trong công nghệ nuôi trồng vi tảo là năng lượng (ánh sáng Mặt trời, ánh sáng nhân tạo), CO2. Với tảo sống trong nước, mỗi ngày khi thủy triều dâng lên, chỉ có lượng tảo phía trên mặt nước hấp thụ được ánh sáng và CO2, trong khi số tảo nằm phía dưới không thể tiếp cận với hai thành phần quan trọng này. Trong khi đó, tảo bám dính lên các tảng đá thì rải đều trên bề mặt và dễ dàng hấp thu ánh sáng và CO2 hơn nhiều. Như vậy, câu trả lời chính là nhóm tảo theo cách sống bám lên các bề mặt tảng đá sẽ cho hiệu suất sinh học cao hơn.
Đây chính là yếu tố cốt lõi để nhiều nhà khoa học trên thế giới phát triển kỹ thuật nuôi trồng vi tảo phổ biến hiện nay là nuôi dạng huyền phù hay còn gọi là “dịch treo”. Cụ thể, vi tảo được nuôi cấy trong các dung dịch dinh dưỡng chứa trong các bể hở, bám trên thành ống nuôi. 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. Tuy nhiên, một vấn đề khác lại nảy sinh, với phương pháp này, việc thu hồi sinh khối tảo rất khó khăn và tốn kém, tốn nhiều chi phí về năng lượng. Khi đến thời hạn thu hoạch, người ta thường dùng máy ly tâm để thu hoạch vi tảo, điều này đòi hỏi phải có máy ly tâm với công suất lớn để thu hoạch lượng sinh khối khổng lồ. “Phần năng lương li tâm thường chiếm hết hơn phân nửa giá thành của tảo”, PGS.TS Trần Hoàng Dũng - Viện trưởng Viện nghiên cứu ứng dụng và chuyển giao công nghệ, trường Đại học Công thương TP.HCM, nhận định.
Từ đây, GS.TS Michael Melkonian phát triển một kỹ thuật đặc biệt nhằm sản xuất sinh khối tảo với quy mô lớn. Cụ thể, ông và nhóm nghiên cứu đã thiết kế hệ thống nuôi tảo sử dụng hệ thống quang sinh học màng đôi cơ chất xốp (Twin-Layer Porous Substrate Photobioreactor – TL-PSBR), trong 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 hoạch và kiểm soát được các yếu tố tạp nhiễm ngoại cảnh. Sau một thời gian, tế bào tảo tăng sinh thành một lớp dày, đến lúc thu hoạch chỉ cần cạo lớp sinh khối tế bào tảo đang nằm trên giá thể đó. “Một trong những điểm vượt trội của phương pháp này hơn hẳn các phương pháp khác là năng suất của phương pháp này cao hơn rất nhiều lần”, GS.TS Michael Melkonian nói.
Từ mô hình ban đầu của GS. Melkonian, PGS.TS Trần Hoàng Dũng và các cộng sự đã phát triển nên công nghệ nuôi cấy vi tảo cố định trên màng cơ chất xốp cố định phương nghiêng. Ảnh: Techport
Là học trò của GS. Melkonian, sau quãng thời gian nghiên cứu cùng thầy, PGS.TS Trần Hoàng Dũng nhận thấy có thể áp dụng phương pháp này về Việt Nam.
Tuy nhiên, trên cơ sở kế thừa nghiên cứu từ người thầy của mình, PGS Trần Hoàng Dũng phải tìm cách điều chỉnh hệ thống nuôi cấy sao cho phù hợp với điều kiện thực tế trong nước, đồng thời không bị vướng sáng chế gốc đang được bảo hộ. Điểm khác biệt nhất trong hệ thống nuôi vi tảo hai lớp do PGS.TS. Trần Hoàng Dũng và các cộng sự chế tạo nằm ở góc nghiêng của các tấm phiến nuôi tảo. Mỗi tấm phiến này gồm hai lớp màng: lớp nền thứ nhất làm giá đỡ, cung cấp các chất dinh dưỡng cho tảo, lớp thứ hai là màng chất rắn để vi tảo bám vào. Chất dinh dưỡng từ lớp thứ nhất sẽ thấm qua lớp thứ hai để cung cấp cho tảo.
Ở phiên bản gốc của GS. Melkonian, các tấm phiến được đặt thẳng đứng. Nhưng về Việt Nam, nhóm nghiên cứu đã thay đổi và tối ưu thiết kế, đặt các tấm phiến nằm nghiêng 15 độ. Nếu góc nghiêng nhỏ hơn, độ dốc nông thì nước sẽ thoát chậm, có thể khiến màng sinh học chìm trong môi trường dinh dưỡng và rửa trôi tế bào tảo. Nếu góc nghiêng lớn hơn thì dòng nước chảy rất nhanh, gây mất nước phía trên lớp nền, đồng thời khiến các chất dinh dưỡng phân bố không đều. Do vậy, góc nghiêng 15 độ là thiết kế phù hợp nhất.
Cụ thể, theo quy trình công nghệ, vi tảo được cố định trên bề mặt vật liệu nuôi, mỗi phiến nuôi có diện tích khoảng 0,05-1m2, có thể kết hợp nhiều phiến thành từng module khi nuôi trồng quy mô lớn. Ở mô hình này, vi tảo tập trung hoàn toàn ở bề mặt nên hấp thụ ánh sáng mặt trời tốt nhất. Vì vi tảo được cố định trên bề mặt nên dễ dàng thu hoạch bằng những phương pháp đơn giản không cần ly tâm hay kết tủa giúp giảm chi phí và nhân công khi mở rộng quy mô nuôi trồng.
“Công nghệ nuôi cấy vi tảo cố định trên màng cơ chất xốp cố định phương nghiêng có rất nhiều tiềm năng trong việc tăng cường hiệu suất nuôi trồng vi tảo và bảo vệ môi trường”, PGS.TS Trần Hoàng Dũng nhận định. Phương pháp này có thể định hình lại ngành công nghiệp vi tảo và góp phần vào việc giải quyết các thách thức toàn cầu về nguồn tài nguyên và môi trường.
Tính toán “phần mềm”
Còn nhớ cách đây một năm, khi trả lời phỏng vấn báo KH&PT, PGS.TS Trần Hoàng Dũng đã chia sẻ rằng nhóm nghiên cứu về cơ bản đã đạt được mục tiêu đề ra - thiết kế “phần cứng” từ khung thép, bố trí ánh sáng, chế tạo các tấm phiến nuôi tảo… phù hợp với giá thành và điều kiện của Việt Nam. Tuy nhiên, nhóm đang nỗ lực hoàn thiện “phần mềm” bao gồm tiến hành nghiên cứu về quy trình nuôi vi tảo nhằm tìm ra các thông số hóa lý sao cho tảo có thể tăng sinh tốt nhất, đồng thời kích hoạt sản sinh ra các hợp chất quý với liều lượng cao nhất.
Giờ đây, sau quãng thời gian thử nghiệm liên tục, ông và các cộng sự đã dần hoàn thiện nhiều hệ thống nuôi trồng vi tảo khác nhau kết hợp được “phần cứng” với “phần mềm”, có thể kể đến hệ thống thiết bị nuôi vi tảo trên hệ thống quang sinh học hai lớp màng quy mô nhỏ theo phương ngang (hệ thống nhỏ) giúp thu nhận astaxanthin - một hợp chất có hoạt tính chống oxy hóa cao, được ứng dụng trong chăn nuôi thủy sinh vật, thực phẩm chức năng và trị bệnh. Khi tiến hành tuyển chọn khả năng tăng trưởng và sinh astaxanthin từ các chủng tảo CCAC 0125, CCAP 34/13, NIES 144 và HB cho thấy các chủng đều sinh trưởng khá cao và khả năng tích lũy astaxanthin khi gặp điều kiện bất lợi tương đối lớn. Trong đó, chủng CCAP 34/13 cho khả năng tích lũy astaxanthin cao nhất, có thể đảm bảo cho quá trình sản xuất và thu nhận astaxanthin trên quy mô lớn.
Qua đó, các nhà khoa học đã tối ưu hóa quá trình nuôi cấy chủng H. pluvialis có năng suất cao chọn được trên hệ thống nhỏ theo phương ngang, xác định được một số điều kiện nuôi trên hệ thống nhỏ: bổ sung CO2 1,0% vào môi trường dinh dưỡng và cường độ chiếu sáng 470 – 790 μmol photon m-2 s-1 là phù hợp nhất để đạt mức tăng sinh khối khô là 4,92 g/ngày/m2 với tỷ lệ astaxanthin chiếm 1,53% sinh khối khô.
Đồng thời, đối với hệ thống thiết bị nuôi vi tảo trên hệ thống quang sinh học hai lớp màng quy mô lớn theo phương ngang (hệ thống lớn), nhóm đã tối ưu hóa được quy trình nuôi cấy chủng H. pluvialis có năng suất cao được chọn trên hệ thống lớn theo phương ngang. Quy trình gồm các bước giúp đảm bảo nhiệt độ, độ ẩm phù hợp bằng các hệ thống làm mát, hút ẩm để đảm bảo sinh trưởng của vi tảo. Trong đó, mật độ tảo ban đầu phù hợp nhất là 7,5 g sinh khối khô/m2. Người nuôi cần áp dụng phương thức bổ sung CO2 cho vi tảo phù hợp, đó là sục khí bổ sung CO2 vào môi trường nuôi kết hợp phun không khí sạch lên bề mặt. Hệ thống chiếu sáng hệ thống lớn cho kết quả tăng sinh khối và hàm lượng astaxanthin cao nhất là hệ thống hai đèn natri cao áp 400W.
Ngoài ra, nhóm nghiên cứu còn xây dựng được quy trình cấy chủng H. pluvialis có năng suất cao trên hệ thống lớn theo phương ngang. Nuôi cấy vi tảo trên hệ thống lớn với quy trình và điều kiện trên cho thấy kết quả tăng sinh khối đạt tối đa là 6,08 g/ngày/m2 với tỷ lệ astaxanthin đạt mức 1,75% lượng sinh khối khô của tế bào.
Hiện nay, nhóm tác giả đang nghiên cứu thực nghiệm dùng đèn LED có bước sóng và độ sáng phù hợp thay cho đèn natri cao áp để tăng tỷ lệ sống cho vi tảo. Đồng thời, phát triển thêm chế độ tự động bổ sung các chỉ số dinh dưỡng theo từng loại tảo, tạo điều kiện cho vi tảo phát triển tốt nhất.
Nhóm nghiên cứu hiện đang hợp tác với Công ty Cổ phần Dược phẩm Quốc tế Love World và Công ty D&H Retek USA để tạo ra những hợp chất có giá trị cao như các sắc tố tự nhiên, chất chống oxy hóa, protein, lipid, vitamin và vi khoáng… sử dụng trong dược phẩm, mỹ phẩm và thực phẩm bổ sung, từ đó thương mại hóa các sản phẩm từ vi tảo.
Với PGS.TS Trần Hoàng Dũng, đây sẽ là điểm khởi đầu để ông có thể lan tỏa tiềm năng của công nghệ này xa hơn. “Tất nhiên, muốn đưa vào vận hành một công nghệ mới đòi hỏi rất nhiều yếu tố. Bởi khi người ta đã quen với ông nghệ cũ rồi, nhiều người không sẵn sàng đón nhận công nghệ mới”, ông chia sẻ. Dù vậy, theo ông, không phải vì thế mà các nhà khoa học không tiếp tục phát triển những phương pháp mới. “Bản thân GS.TS Michael Melkonian mất hơn 20 năm nghiên cứu để hoàn thiện nên quy trình này. Thầy tin rằng đây sẽ là một cuộc cách mạng.”
https://khoahocphattrien.vn/
