Mã số N2075: Nuôi cấy vi tảo cố định trên màng cơ chất xốp cố định phương nghiêng: Đột phá trong việc tăng cường hiệu suất nuôi trồng vi tảo và bảo vệ môi trường

1. Vấn đề cần giải quyết: Thách thức trong việc thu hoạch và tối ưu hiệu suất nuôi trồng vi tảo 

Vi tảo (microalgae) đã từ lâu trở thành một kho tàng thiên nhiên vô cùng quý giá và có khả năng thích ứng linh hoạt với môi trường  khắc nghiệt. Với khả năng tự chuyển hóa năng lượng mặt trời và hấp thụ CO2, vi tảo  đóng vai trò quan trọng trong việc cân bằng hệ sinh thái và hỗ trợ chu trình carbon hóa. Đồng thời, vi tảo  cũng có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực quan trọng như thực phẩm, y dược, năng lượng tái tạo, xử lý nước thải và công nghiệp.

Tuy nhiên, việc khai thác hiệu quả tài nguyên vi tảo vẫn đang đối mặt với một loạt thách thức đáng kể, đặc biệt là trong việc thu hoạch và tối ưu hiệu suất nuôi trồng. Trước hết, việc thu thập vi tảo từ môi trường tự nhiên đòi hỏi những nguồn lực lớn và có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến cân bằng sinh thái . Chưa kể đến việc biến đổi khí hậu ngày càng gia tăng cường thêm sự biến đổi không đoán trước được trong hệ thống vi tảo và môi trường sống của chúng.

Phương pháp nuôi trồng vi tảo là một hướng tiếp cận tiềm năng để giải quyết vấn đề này, nhưng cũng đặt ra những thách thức riêng. Nuôi trồng vi tảo trong môi trường kiểm soát có thể đảm bảo điều kiện lý tưởng để tối ưu hóa tăng trưởng và sản xuất tế bào vi tảo. Tuy nhiên, phải duy trì được môi trường nuôi trong tình trạng ổn định và tránh được sự tăng số lượng vi khuẩn gây hại. Điều này đòi hỏi sự theo dõi chặt chẽ và can thiệp thích hợp, làm tăng chi phí và nguồn lực cần thiết.

Hiện nay, theo Báo cáo Tài nguyên Nuôi trồng Thủy sản của FAO (2021), sản lượng nuôi trồng vi tảo trên toàn cầu chỉ đạt khoảng 30 triệu tấn mỗi năm, trong khi nhu cầu tiềm năng là hàng trăm triệu tấn. Điều này cho thấy tiềm năng chưa được khai thác hết và còn nhiều việc cần làm để tối ưu hóa hiệu suất nuôi trồng vi tảo.

2. Giải pháp đột phá: Nuôi cấy vi tảo cố định trên màng cơ chất xốp phương nghiêng

Để giải quyết những khó khăn trên, nhóm nghiên cứu của PGS.TS. Trần Hoàng Dũng tại Đại học Công nghiệp Thực Công TP.HCM đã phát triển một giải pháp đột phá: công nghệ nuôi cấy vi tảo cố định trên màng cơ chất xốp cố định phương nghiêng. Phương pháp này kết hợp sự tương tác giữa vi tảo và màng cơ chất xốp để tạo ra môi trường nuôi trồng tối ưu, từ đó tăng cường hiệu suất và thuận tiện trong việc thu hoạch.

Công nghệ nuôi cấy vi tảo cố định trên màng cơ chất xốp cố định phương nghiêng là một phương pháp tiên tiến trong việc nuôi trồng vi tảo, giúp tối ưu hóa điều kiện môi trường để tăng cường hiệu suất và thuận tiện trong việc thu hoạch. Nguyên tắc hoạt động của phương pháp này dựa trên sự tương tác động lực giữa vi tảo và màng cơ chất xốp, tạo ra một môi trường nuôi trồng ổn định và tối ưu.

1. Nguyên tắc hoạt động:

- Màng cơ chất xốp cố định phương nghiêng (PBR): Màng cơ chất xốp cố định được thiết kế dưới dạng bề mặt phẳng, chia thành nhiều ngăn nhỏ có hình dáng và kích thước đều nhau. Màng được đặt phương nghiêng ở góc tạo ra một phần nghiêng so với mặt nước. Điều này giúp tạo lập các điều kiện môi trường ổn định, đồng thời tối ưu hóa việc hấp thụ ánh sáng mặt trời.

- Nuôi trồng vi tảo cố định: Vi tảo được cấy vào màng cơ chất xốp cố định, nơi chúng bám dính bởi các cơ chất xốp. Môi trường nuôi trồng được cung cấp tại các ngăn nhỏ trên màng PBR. Việc cố định vi tảo trên màng cơ chất xốp có nhiều ưu điểm so với việc nuôi truyền thống trong nước, vì nó tạo ra một không gian ổn định giữa vi tảo và môi trường nuôi.

2. Lợi ích và ưu điểm:

- Tạo môi trường nuôi trồng tối ưu: Việc cố định vi tảo trên màng cơ chất xốp cố định phương nghiêng giúp tạo ra một môi trường nuôi trồng ổn định và kiểm soát được các yếu tố như ánh sáng, nhiệt độ, CO2 và dinh dưỡng. Góc nghiêng của màng PBR giúp tối ưu hóa việc tiếp nhận ánh sáng mặt trời và tăng cường quá trình quang hợp của vi tảo.

- Tương tác giữa vi tảo và màng cơ chất xốp: Cơ chất xốp trên màng tạo ra bề mặt có khả năng bám dính tốt với vi tảo. Sự tương tác này giữ cho vi tảo cố định và không bị di chuyển hoặc trôi đi trong nước. Điều này đảm bảo rằng vi tảo có thể tập trung vào tăng trưởng và phát triển tốt hơn.

- Dễ dàng thu hoạch: Một trong những ưu điểm quan trọng của công nghệ này là dễ dàng trong việc thu hoạch. Do vi tảo đã được cố định trên màng cơ chất xốp, việc thu hoạch trở nên đơn giản hơn so với việc thu hoạch từ môi trường tự nhiên hoặc hệ thống nuôi truyền thống. Việc này giúp giảm thiểu khó khăn và chi phí trong quá trình thu hoạch vi tảo.

- Kiểm soát ô nhiễm: Môi trường nuôi trồng được kiểm soát chặt chẽ và không có sự tương tác với môi trường tự nhiên. Điều này giúp kiểm soát ô nhiễm và giảm thiểu nguy cơ phát tán vi tảo không mong muốn ra môi trường.

Như vậy công nghệ nuôi cấy vi tảo cố định trên màng cơ chất xốp cố định phương nghiêng là một phương pháp tiên tiến và hiệu quả trong việc nuôi trồng vi tảo. Nguyên tắc hoạt động của công nghệ này dựa trên sự kết hợp giữa màng cơ chất xốp cố định phương nghiêng và vi tảo, tạo ra một môi trường nuôi trồng tối ưu. Sự tương tác giữa vi tảo và màng cơ chất xốp giúp cố định vi tảo và tạo ra điều kiện thuận lợi cho tăng trưởng. Với những ưu điểm như tạo môi trường nuôi trồng ổn định, dễ dàng thu hoạch và kiểm soát ô nhiễm, công nghệ này đóng góp quan trọng vào việc tối ưu hóa hiệu suất nuôi trồng vi tảo và tận dụng tối đa lợi ích của chúng.

Hình: Các mô hình Công nghệ nuôi cấy vi tảo cố định trên màng cơ chất xốp cố định phương nghiêng lắp đặt tại Việt Nam.

3. Lợi ích và ý nghĩa của công nghệ: Tăng cường hiệu suất và bảo vệ môi trường

Công nghệ nuôi cấy vi tảo cố định trên màng cơ chất xốp phương nghiêng đem lại nhiều lợi ích quan trọng, không chỉ trong việc tăng cường hiệu suất sản xuất vi tảo mà còn trong việc bảo vệ môi trường.

Tăng cường hiệu suất nuôi trồng vi tảo:

Sử dụng màng cơ chất xốp cố định trong quá trình nuôi trồng vi tảo đã đạt được sự tương tác tốt giữa vi tảo và bề mặt màng. Điều này tạo ra một môi trường thuận lợi cho sự sinh trưởng và phát triển của vi tảo. Đặc biệt, cấu trúc phương nghiêng của màng cơ chất xốp giúp tối ưu hóa sự phân bố ánh sáng, CO2 và chất dinh dưỡng trong môi trường nuôi trồng.

Việc rút ngắn chu kỳ nuôi trồng từ 1-3 tháng (trong phương pháp nuôi huyền phù truyền thống) xuống còn 12 ngày đã tạo ra sự gia tăng đáng kể về sản lượng vi tảo. Hiệu suất sản xuất cao hơn không chỉ đảm bảo cung cấp nguồn nguyên liệu quý cho các ngành công nghiệp khác nhau mà còn giúp tối ưu hóa sử dụng diện tích và tài nguyên.

Thuận tiện trong việc thu hoạch:

Một trong những ưu điểm quan trọng của công nghệ này là quá trình thu hoạch tiện lợi. Thay vì phải sử dụng các thiết bị phức tạp như máy ly tâm hoặc phương pháp thu hoạch khác, người trồng vi tảo có thể dễ dàng cạo lớp màng tảo đang bám trên bề mặt màng cơ chất xốp. Điều này không chỉ tiết kiệm thời gian và công sức mà còn giúp giảm thiểu rủi ro hỏng hạt tảo và nguy cơ nhiễm bẩn trong quá trình thu hoạch.

Phương pháp thu hoạch đơn giản và không đòi hỏi nhiều thiết bị đắt đỏ, điều này có thể giúp giảm chi phí sản xuất và làm cho việc nuôi trồng vi tảo trở nên khả thi hơn cho nhiều người. 

Bảo vệ môi trường:

Công nghệ nuôi cấy vi tảo cố định trên màng cơ chất xốp phương nghiêng có tiềm năng giúp giảm bớt áp lực đối với nguồn tài nguyên thiên nhiên. Với hiệu suất cao hơn và sử dụng diện tích nhỏ hơn so với phương pháp truyền thống, việc sản xuất vi tảo có thể được thực hiện hiệu quả hơn mà không cần phải tận dụng quá nhiều đất đai hoặc nguồn nước.

Sự tăng cường trong sản xuất vi tảo có thể đóng góp vào giảm lượng CO2 trong môi trường, do vi tảo có khả năng hấp thụ CO2 để thực hiện quá trình quang hợp. Điều này có thể giúp làm giảm tác động của biến đổi khí hậu và biến vi tảo thành một nguồn tiềm năng để kiểm soát lượng CO2 trong môi trường. 

Tóm lại, công nghệ nuôi cấy vi tảo cố định trên màng cơ chất xốp phương nghiêng không chỉ tăng cường hiệu suất sản xuất vi tảo mà còn mang lại nhiều lợi ích quan trọng trong việc bảo vệ môi trường. Điều này thể hiện tính bền vững và tiềm năng của công nghệ trong việc cung cấp nguồn tài nguyên quý báu và hữu ích cho nhiều lĩnh vực khác nhau.

4. Tính sáng tạo 

Công nghệ nuôi cấy vi tảo cố định trên màng cơ chất xốp phương nghiêng không chỉ mang lại những lợi ích cơ bản như tăng cường hiệu suất và bảo vệ môi trường mà còn thể hiện tính sáng tạo đáng kể trong việc ứng phó với các thách thức nuôi trồng vi tảo truyền thống. Dưới đây là phân tích rõ hơn về tính sáng tạo trong công nghệ này:

1. Thiết kế môi trường nuôi trồng sáng tạo:

Một trong những điểm đáng chú ý của công nghệ này là việc sử dụng màng cơ chất xốp phương nghiêng như môi trường nuôi trồng. Đây là một sự kết hợp sáng tạo giữa việc sử dụng các vật liệu cơ chất xốp và phương nghiêng để tạo ra không gian nuôi trồng hiệu quả. Cấu trúc màng này không chỉ tạo điều kiện tốt cho việc dánh bắt vi tảo mà còn tối ưu hóa việc phân bố nguồn ánh sáng, CO2 và chất dinh dưỡng, giúp vi tảo phát triển tối đa.

Điều này thể hiện tính sáng tạo trong việc thiết kế một môi trường nuôi trồng đa năng và linh hoạt, đáp ứng được nhiều yếu tố cần thiết cho sự phát triển của vi tảo. Sự tương tác giữa cơ chất xốp, phương nghiêng và vi tảo đã tạo ra một hệ thống độc đáo, khác biệt với các phương pháp truyền thống.

2. Quy trình nuôi trồng tối ưu hóa:

Công nghệ này đã thực hiện một quy trình nuôi trồng được tối ưu hóa và đặc biệt hóa cho từng loài vi tảo cụ thể. Sự điều chỉnh thông qua các yếu tố như ánh sáng, nhiệt độ, CO2, và chất dinh dưỡng đã được tinh chỉnh để tạo ra điều kiện lý tưởng cho sự sinh trưởng và sản xuất của từng loài vi tảo.

Tính sáng tạo ở đây là việc áp dụng các phương pháp nghiên cứu tiên tiến để hiểu rõ hơn về nhu cầu và yếu tố cần thiết cho vi tảo từng loài. Công nghệ này không chỉ đơn thuần nuôi trồng vi tảo mà còn tạo ra một môi trường tối ưu hóa, dựa trên sự hiểu biết sâu sắc về sinh thái của từng loài.

3. Hiệu quả kinh tế và bền vững:

Tính sáng tạo không chỉ thể hiện trong khía cạnh kỹ thuật mà còn trong khả năng tối ưu hóa sự kết hợp giữa hiệu suất và hiệu quả kinh tế. Công nghệ này đã giúp rút ngắn thời gian nuôi trồng mà vẫn đảm bảo sản xuất lớn, đồng thời giảm thiểu tài nguyên đất đai và nước cần thiết.

Khả năng tạo ra nhiều sản phẩm chất lượng cao từ vi tảo như astaxanthin, protein, dầu và nhiều sản phẩm khác cũng thể hiện tính sáng tạo trong việc tối ưu hóa giá trị kinh tế từ nguồn tài nguyên tương đối dồi dào như vi tảo.

Tóm lại, công nghệ nuôi cấy vi tảo cố định trên màng cơ chất xốp phương nghiêng không chỉ là một biện pháp tối ưu hóa nuôi trồng vi tảo mà còn thể hiện sự sáng tạo thông qua việc thiết kế môi trường, quy trình nuôi trồng và tối ưu hóa hiệu quả kinh tế. Điều này giúp đáp ứng các thách thức nuôi trồng hiện tại và tạo ra giải pháp bền vững trong việc sử dụng tài nguyên thiên nhiên.

5. Kết quả đạt được

Đến nay đã có hơn 10 công bố về ứng dụng công nghệ nuôi cấy vi tảo cố định trên màng cơ chất xốp cố định phương nghiêng tại Việt Nam, tiêu biểu là các công bố sau: 

Tran H-D, Do T., Le T., Nguyen M., Pham C. & 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. https://doi.org/10.31276/VJSTE.61(3):61-70. Nghiên cứu này tập trung vào việc mô tả quy trình nuôi trồng chủng vi tảo Haematococcus pluvialis trên hệ thống nuôi cố định trên màng cơ chất xốp cố định phương nghiêng ở cả quy mô nhỏ và lớn. Kết quả cho thấy hệ thống nuôi cố định này có khả năng áp dụng cho cả các quy mô khác nhau và astaxanthin thu được từ hệ thống này cho hiệu suất sản xuất khá cao cao (gần 3% sinh khối khô).

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. https://doi.org/10.3390/biology8030068 Nghiên cứu này tiếp tục tập trung vào khả năng tăng cường sinh khối và astaxanthin của chủng vi tảo Haematococcus pluvialis. Sử dụng hệ thống nuôi cố định trên màng cơ chất xốp cố định phương nghiêng, tác giả đã chứng minh rằng phương pháp này có thể kiểm soát được hiệu suất sản xuất thông qua việc điều chỉnh mật độ tế bào ban đầu và thời gian lưu trữ.

Do T-T., Ong B-N., Le T-L., Nguyen T-C., Tran-Thi B-H., Thu Hien BT., Melkonian M. & Tran, H-D. (2021): Growth of Haematococcus pluvialis on a small-scale angled porous substrate photobioreactor for green stage biomass. Applied Sciences, 11(4), 1788. https://doi.org/10.3390/app11041788. Nghiên cứu này nghiên cứu việc tăng trưởng của chủng vi tảo Haematococcus pluvialis trong pha xanh. Sử dụng hệ thống nuôi cố định trên màng cơ chất xốp cố định phương nghiêng, nghiên cứu đã chứng minh sự hiệu quả của phương pháp trong việc tạo ra sinh khối trong giai đoạn này.

Do T-T., Tran-Thi B-H., Ong B-N., Le T-L., Nguyen T-C., Quan Q-D., Tran D-L., Melkonian  M. & Tran H-D. (2021):  Effects of red and blue light-emitting diodes on biomass and astaxanthin of Haematococcus pluvialis in pilot-scale angled Twin-Layer porous substrate photobioreactors. Vietnam Journal of Science, Technology and Engineering, 63(2):81-88. http://doi.org/10.31276/VJSTE.63(2).81-88 Nghiên cứu này tập trung vào chủng vi tảo Haematococcus pluvialis và ảnh hưởng của đèn LED màu đỏ và xanh lên sinh trưởng và astaxanthin của vi tảo. Kết quả đã thể hiện rằng hệ thống nuôi cố định trên màng cơ chất xốp cố định phương nghiêng có khả năng tương thích với vi tảo và tạo điều kiện thuận lợi để tăng cường sinh trưởng và tạo chất quý.

Tran, H. D., Ong, B. N., Ngo, V. T., Tran, D. L., Nguyen, T. C., Tran-Thi, B. H., Do, T. T., Nguyen, T. M., Nguyen, X. H., & Melkonian, M. (2022). New Angled Twin-layer Porous Substrate Photobioreactors for Cultivation of Nannochloropsis oculata. Protist, 173(6), 125914. https://doi.org/10.1016/j.protis.2022.125914. Nghiên cứu này tập trung vào việc nuôi trồng chủng vi tảo Nannochloropsis oculata. Sử dụng hệ thống nuôi cố định trên màng cơ chất xốp cố định phương nghiêng, chúng tôi đã chứng minh khả năng áp dụng phương pháp này trên nhiều chủng vi tảo khác nhau để tối ưu hóa sản xuất sinh khối và các sản phẩm có giá trị từ vi tảo.

Do, T.-T.; Quach-Van, T.-E.; Nguyen, T.-C.; Show, P.L.; Nguyen, T.M.-L.; Huynh, D.-H.; Tran, D.-L.; Melkonian, M.; Tran, H.-D. Effect of LED Illumination Cycle and Carbon Sources on Biofilms of Haematococcus pluvialis in Pilot-Scale Angled Twin-Layer Porous Substrate Photobioreactors. Bioengineering 2023, 10, 596. https://doi.org/10.3390/bioengineering10050596. Nghiên cứu này tập trung vào chủng vi tảo Haematococcus pluvialis và ứng dụng công nghệ nuôi cố định trên màng cơ chất xốp cố định phương nghiêng. Kết quả cho thấy rằng sự kết hợp giữa chu kỳ chiếu sáng LED và nguồn carbon đã tạo ra một môi trường nuôi trồng tối ưu, tăng cường sự sinh trưởng và tích lũy astaxanthin - một chất quý có giá trị cao.

Từ các nghiên cứu trên, có thể thấy rõ rằng hệ thống nuôi cố định vi tảo trên màng cơ chất xốp cố định phương nghiêng đã chứng minh thành công trên nhiều chủng vi tảo khác nhau, tạo ra hiệu suất cao và thu được các chất quý như astaxanthin, acid béo, …. Điều này thể hiện tính hiệu quả, đa dạng và tiềm năng của phương pháp nuôi cấy này trong việc tối ưu hóa sản xuất vi tảo và các sản phẩm có giá trị từ chúng.

6. Hiệu quả kinh tế và tác động xã hội

Công nghệ nuôi cấy vi tảo cố định trên màng cơ chất xốp phương nghiêng không chỉ mang lại lợi ích về tăng cường hiệu suất và bảo vệ môi trường mà còn tạo ra một tác động tích cực đối với cả khía cạnh kinh tế và xã hội. Dưới đây là một phân tích chi tiết hơn về hiệu quả kinh tế và tác động xã hội của công nghệ này:

1. Hiệu quả kinh tế:

   - Tăng sản lượng và giảm thời gian nuôi trồng: Sự tối ưu hóa của công nghệ này đã giúp rút ngắn thời gian nuôi trồng vi tảo một cách đáng kể so với các phương pháp truyền thống. Việc rút ngắn thời gian nuôi trồng từ vài tháng xuống còn vài tuần hay ngay cả vài ngày giúp tăng cường hiệu suất sản xuất. Điều này đồng nghĩa với việc tối ưu hóa sử dụng tài nguyên như nước, điện năng và thời gian lao động.

   - Sản xuất các sản phẩm có giá trị cao: Công nghệ này cho phép nuôi trồng vi tảo với chất lượng và hiệu suất cao, tạo ra các sản phẩm như astaxanthin, protein, dầu và các chất có giá trị trong ngành thực phẩm, y dược và công nghiệp. Sự đa dạng trong sản phẩm giúp tối ưu hóa giá trị từ nguồn tảo và tăng cường doanh thu.

2. Tác động xã hội:

   - Tạo cơ hội việc làm: Một trong những tác động đáng kể của công nghệ này là tạo ra cơ hội việc làm cho cộng đồng. Quá trình nuôi trồng và thu hoạch vi tảo đòi hỏi sự can thiệp và quản lý, từ đó tạo ra nhiều vị trí việc làm trong lĩnh vực nuôi trồng vi tảo, quản lý hệ thống và sản xuất sản phẩm từ vi tảo.

   - Giảm thiểu tác động tiêu cực lên môi trường: Công nghệ này giúp giảm thiểu sự phát thải của các chất thải hữu cơ và hóa chất vào môi trường so với các phương pháp nuôi truyền thống. Việc tối ưu hóa sử dụng tài nguyên như nước và đất đai cũng giúp giảm tác động xã hội của việc khai thác tài nguyên.

3. Khả năng phát triển bền vững:

   - Công nghệ nuôi cấy vi tảo cố định trên màng cơ chất xốp phương nghiêng mang lại một hệ thống nuôi trồng hiệu quả và bền vững. Tính sáng tạo trong thiết kế và quy trình nuôi trồng giúp tối ưu hóa sử dụng tài nguyên, giảm thiểu tác động môi trường và tạo ra giá trị kinh tế bền vững trong thời gian dài.

Tóm lại, công nghệ này không chỉ đóng góp vào hiệu quả kinh tế mà còn mang lại tác động xã hội tích cực, tạo cơ hội việc làm và giảm tác động tiêu cực lên môi trường. Sự kết hợp giữa hiệu suất kinh tế và tác động xã hội bền vững là một điểm nổi bật trong công nghệ nuôi cấy vi tảo cố định trên màng cơ chất xốp phương nghiêng.

7. Kết luận

Công nghệ nuôi cấy vi tảo cố định trên màng cơ chất xốp cố định phương nghiêng là một đột phá mang tính đổi mới và tiềm năng trong việc tăng cường hiệu suất nuôi trồng vi tảo và bảo vệ môi trường. Với sự sáng tạo và tính toàn diện, 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.