Nuôi cấy vi tảo bằng hệ thống hai lớp màng

Được mệnh danh là “siêu thực phẩm” của tương lai, vi tảo (microalgae) - những loại tảo rất nhỏ chỉ có thể quan sát dưới kính hiển vi, không chỉ dùng làm thực phẩm mà còn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y dược, mỹ phẩm, chăn nuôi… Nhu cầu vi tảo ngày càng cao đã kéo theo sự phát triển ngành nuôi tảo ở Việt Nam cũng như thế giới, không ít viện trường, doanh nghiệp, thậm chí là một số cơ sở sản xuất quy mô nhỏ ở Việt Nam đã nuôi trồng và thương mại hóa thành công các sản phẩm từ vi tảo.

Nhìn vào thực tế trên, nhiều người sẽ thấy rằng nuôi vi tảo không quá khó, nhưng ít ai biết rằng thu hoạch vi tảo lại là thách thức không hề nhỏ. Bài toán này bắt nguồn từ công nghệ nuôi trồng vi tảo phổ biến hiện nay ở Việt Nam là nuôi huyền phù, hay còn gọi là dịch treo - bản chất là “đưa tảo vào trong nước, chỉ cần bổ sung dinh dưỡng, ánh sáng và CO2 để nó phát triển lơ lửng trong nước. Hiện nay trên thế giới và Việt Nam chủ yếu sử dụng phương pháp này”, PGS.TS. Trần Hoàng Dũng, Viện trưởng Viện nghiên cứu ứng dụng và chuyển giao công nghệ HUFI (trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM) cho biết.

Việc nuôi trồng vi tảo bằng phương pháp huyền phù tuy “dễ trước” song lại “khó sau”. “Khi đến thời hạn thu hoạch, người ta thường dùng máy ly tâm để thu hoạch vi tảo. Nếu số lượng vừa phải thì không vấn đề gì, nhưng nếu nuôi với sản lượng lớn thì sao? Rõ ràng chúng ta khó có thể có máy ly tâm nào đủ lớn, đủ công suất để thu hoạch sinh khối nhiều như vậy, cho dù có thì tiền điện cũng là vấn đề rất lớn. Do vậy, rất nhiều nơi đã phát triển các phương pháp thu hoạch khác nhau, từ tạo tủa cho đến lắng cặn, dùng màng lọc, màng treo… Thu hoạch sinh khối đã trở thành thách thức lớn trong nuôi trồng vi tảo.”, PGS.TS. Trần Hoàng Dũng nói.

Hệ thống nuôi cấy vi tảo hai lớp màng do PGS.TS. Trần Hoàng Dũng và các cộng sự chế tạo. Nguồn: Techport.vn

Làm thế nào để thu hoạch vi tảo dễ dàng hơn đã trở thành một vấn đề nghiên cứu hấp dẫn PGS.TS. Trần Hoàng Dũng cũng như nhiều nhà khoa học trên thế giới. Nhưng khác với lối suy nghĩ thông thường tập trung nghiên cứu riêng công đoạn thu hoạch, anh đã chú ý đến một hướng đi hoàn toàn khác biệt: thay đổi phương pháp nuôi huyền phù sang nuôi cố định. Vì nếu bỏ kiểu nuôi huyền phù, tảo không lơ lửng trong nước thì sẽ không cần phải tìm cách ly tâm hay lọc, tủa để thu hoạch tảo. Cách nuôi tảo cố định bắt nguồn từ đặc tính “làm biếng” của chúng: “Tảo không nhất thiết phải bơi lội tung tăng mới sống, chúng có thể bám lên một giá thể nào đó, nằm im để tiết kiệm năng lượng bơi lội, song vẫn có thể hấp thụ chất dinh dưỡng và phát triển, tạo ra các màng sinh học, tức sinh khối vi tảo”, PGS.TS. Trần Hoàng Dũng giải thích. “Từ đó, người ta mới nghĩ đến một công nghệ nuôi mới là nuôi tảo cố định trên một giá thể, nó sẽ bám trên đó, nằm im hấp thụ dinh dưỡng. 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, như vậy là hoàn thành quá trình nuôi”.

Tối ưu hóa phương pháp cho Việt Nam

Ưu điểm của phương pháp nuôi vi tảo cố định đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới, trong số đó có GS. Michael Melkonian ở Viện Nghiên cứu nhân giống cây trồng Max Planck (Đức). Ông là cha đẻ của hệ thống nuôi cấy vi tảo hai lớp màng đã được bảo hộ sáng chế và thương mại hóa thành công trên thế giới. Một điều thuận lợi là GS. Melkonian cũng chính là người thầy đã dẫn dắt PGS.TS. Trần Hoàng Dũng khi học ở bên Đức. Do vậy, khi nảy ra ý tưởng phát triển hệ thống nuôi cấy tảo cố định ở Việt Nam cách đây gần chục năm, anh đã liên hệ với GS. Melkonian và ông chấp thuận chuyển giao công nghệ cho Việt Nam.

Tuy nhiên, câu chuyện “cho” và “nhận” không hề đơn giản. Trên cơ sở kế thừa những người đi trước, nhóm nghiên cứu 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. Anh cho biết “các vật liệu dùng trong hệ thống bên Đức có giá hàng ngàn đô, nếu làm y hệt thì rõ ràng không đủ kinh phí và sẽ rất khó triển khai rộng rãi ở Việt Nam. Do vậy, chúng tôi phải tìm nguồn thay thế khác rẻ hơn mà vẫn đảm bảo công năng”.

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, chúng tôi đã thay đổi và tối ưu thiết kế, đặt các tấm phiến nằm nghiêng 15^o. 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^o là thiết kế phù hợp nhất”, anh giải thích.

Ngoài ra, nhóm nghiên cứu còn điều chỉnh nhiều thiết kế “phần cứng” khác: từ khung thép, bố trí ánh sáng, chế tạo các tấm phiến nuôi tảo… Dù trong tay không có bất kì tài liệu, bản vẽ nào, song với sự kiên trì của một nhà nghiên cứu - “cứ rị mọ làm, thử rồi lại sửa”, kết hợp nguồn kinh phí từ đề tài của Bộ Công Thương, anh và các cộng sự đã hoàn thiện hệ thống nuôi cấy tảo hai lớp màng với tỉ lệ nội địa hóa thiết bị lên tới 90%, tiết kiệm chi phí hơn rất nhiều so với ban đầu. “Về cơ bản chúng tôi đã đạt được mục tiêu đề ra - thiết kế phần cứng phải rẻ tiền và phù hợp với điều kiện của Việt Nam”, PGS.TS. Trần Hoàng Dũng nhận định.

Tuy nhiên, hiệu quả của hệ thống nuôi cấy vi tảo chỉ phát huy đầy đủ nếu kết hợp được “phần cứng” với “phần mềm” - các thông số phù hợp cho quy trình nuôi cấy tảo. Do vậy, song song với phần cứng, các nhà nghiên cứu cũng 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. Nhưng bài toán này cũng nan giải không kém gì bài toán thu hoạch vi tảo: “Vấn đề nâng cao sản lượng và hàm lượng dinh dưỡng của tảo là hai câu chuyện đối nghịch nhau. Thông thường, trong công nghệ nuôi huyền phù, vi tảo sẽ trải qua hai pha là pha tăng trưởng và tích lũy hợp chất quý. Nếu muốn tảo tăng sinh mạnh thì rất dễ dàng, chỉ cần tạo điều kiện thuận lợi thì nó sẽ phát triển rất nhanh, nhưng lại tích lũy được rất ít hợp chất quý. Ngược lại, nếu muốn tích lũy hợp chất quý thì phải có những điều kiện gây căng thẳng hoặc bổ sung các yếu tố để kích thích quá trình tích lũy chất dinh dưỡng, nhưng nếu vậy, nó sẽ tăng trưởng chậm lại”, anh cho biết.

Việc thử nghiệm trên hệ thống nuôi hai lớp màng đã giúp họ gỡ bỏ “nút thắt” này: “Điều bất ngờ là hệ thống nuôi hai lớp màng cho phép chúng tôi nuôi một pha (một giai đoạn) mà trong đó, tảo vừa tăng sinh mạnh vừa cho nhiều hợp chất quý”, anh hào hứng. “Do đó, chu kỳ nuôi tảo của chúng tôi rút ngắn còn dưới 12 ngày, ít hơn nhiều so với thời gian 1-3 tháng so với phương pháp nuôi dịch treo thông thường. Hơn nữa, việc kích hoạt tảo để thu được các hợp chất mong muốn như chất kháng oxy hóa astaxanthin, các axit béo, thậm chí chất chống ung thư trong phương pháp nuôi cố định đơn giản hơn rất nhiều so với nuôi huyền phù”.

Gợi mở những bài toán mới

Những ưu điểm của hệ thống nuôi cấy vi tảo hai lớp màng đã được một số doanh nghiệp ở Việt Nam chú ý. Khi nghe giới thiệu về hệ thống này trong một hội thảo năm 2018, một công ty ở Hà Nội đã quyết định hợp tác với PGS.TS. Trần Hoàng Dũng để xây dựng hệ thống nuôi tảo Nannochloropsis oculata - một loại vi tảo thường dùng làm thức ăn trong thủy sản, với mong muốn nâng cao năng suất nuôi trồng, thay thế hệ thống nuôi huyền phù trước đây. Sau một quá trình nghiên cứu khá “mạo hiểm” - “cả hai bên cùng bỏ thời gian, tiền bạc và công sức mà chưa biết kết quả ra sao”, đến nay, hệ thống đã dần thành hình và sẽ được lắp đặt vào cuối năm nay. “Hệ thống này được thiết kế theo kiểu từng module riêng biệt, đầy đủ các thiết bị đèn, bơm… Việc thiết kế theo dạng module sẽ linh hoạt hơn, chẳng hạn nếu diện tích nhỏ, ít vốn có thể đầu tư số lượng module tương ứng, nếu muốn mở rộng đến đâu thì có thể nhân rộng số module đến đó”, anh cho biết.

Với tiềm năng ứng dụng đầy hứa hẹn, liệu phương pháp nuôi cấy tảo cố định có dễ dàng nhân rộng ở Việt Nam? “Phương pháp này thường phù hợp với những nơi có nguồn lực, sẵn sàng đầu tư, bởi chi phí lắp đặt ban đầu cho hệ thống này cao hơn so với nuôi huyền phù. Tuy nhiên, càng đi dài thì hệ thống này càng có lợi vì giúp rút ngắn thời gian nuôi cấy, đơn giản hóa bước thu hoạch. Hơn nữa, thời gian khấu hao của hệ thống này cũng kéo dài trên 5 -7 năm”, PGS.TS. Trần Hoàng Dũng nói.

Ngoài giá trị ứng dụng trong thực tế, hướng nghiên cứu về hệ thống nuôi cấy vi tảo hai lớp màng còn gợi mở nhiều bài toán thú vị cho nhóm nghiên cứu. “Càng làm thì chúng tôi càng thấy nhiều vấn đề mới. Hiện nay, chúng tôi đang ấp ủ ứng dụng công nghệ tự động như IoT vào hệ thống nuôi cấy, chẳng hạn nếu có hệ thống theo dõi hàm lượng dinh dưỡng theo thời gian thực, nếu xuống thấp sẽ tự động thông báo, thay vì phải canh chừng định kì như trước. Hoặc theo dõi sự phát triển của lớp tảo theo thời gian thực, nếu độ dày đến ngưỡng nào thì tự động chuyển cường độ sáng từ pha sinh trưởng sang pha kích thích, chứ không cần quan sát bằng mắt thường. Có rất nhiều thứ mà chúng tôi đang ấp ủ, vấn đề bây giờ là chưa có đủ kinh phí để làm thôi”, anh bày tỏ.

Nguồn:  https://cesti.gov.vn/