Công nghệ sản xuất sinh khối vi tảo mật độ cao

Là nguồn thức ăn quan trọng cho luân trùng, một số ấu trùng cá và giáp xác, loài tảo Nannochloropsis oculata được Viên Nghiên cứu Hải sản sản xuất sinh khối mật độ cao.

Công nghệ sản xuất sinh khối tảo được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm tại Viện Nghiên cứu Hải sản. Ảnh: BT.

Vi tảo là nguồn thức ăn giàu dinh dưỡng cho nhiều đối tượng nuôi trồng thủy, hải sản và là nguyên liệu tiềm năng để khai thác các chất có hoạt tính sinh học cao cho con người. Trong đó, Nannochloropsis là một chi tảo lục thuộc họ Chlorellaceae, bộ Chlorellales, lớp Trebouxiophyceae, ngành Chlorophyta.

Chi này có hình thái tế bào rất giống với các loài thuộc chi Chlorella. Tế bào của chúng có dạng đơn bào, hình cầu, sinh sản vô tính bằng cách phân chia thành hai tế bào con có kích thước khoảng 2-4 µm.

Loài tảo này có hàm lượng eicosapentaenoic acid (EPA) cao (3,2% trọng lượng khô), acid ascorbic chiếm 0,8% trọng lượng khô và hàm lượng vitamin B12 có thể đáp ứng nhu cầu phát triển của các động vật thủy sản ở giai đoạn đầu của quá trình phát triển.

Giàu tiềm năng, đa giá trị

Nannochloropsis oculata được xem như nguồn thức ăn quan trọng cho luân trùng, một số ấu trùng cá và giáp xác khác. Việc gây nuôi loài tảo này đã được thực hiện ở nhiều nơi trên thế giới với nhiều phương pháp khác nhau. Các phương pháp hiện nay đòi hỏi kỹ thuật cao, hiện đại, đòi hỏi người nuôi phải đầu tư máy móc và phương tiện cao, hơn nữa năng suất nuôi có nhiều biến động và không tiên đoán trước.

Việc lựa chọn phương pháp nuôi dễ thực hiện, năng suất cao phù hợp với điều kiện Việt Nam là cần thiết. Bên cạnh đó, năng suất sinh khối tảo cũng như thành phần sinh hóa và hàm lượng các hợp chất có hoạt tính sinh học quý của chúng đều thay đổi dưới các điều kiện nuôi trồng khác nhau như môi trường dinh dưỡng, nhiệt độ, ánh sáng, giới hạn dinh dưỡng…, pha sinh trưởng và đặc điểm của chủng tảo nuôi cấy.

Theo nhóm nghiên cứu của TS Nguyễn Văn Nguyên thuộc Viện Nghiên cứu Hải sản, trình độ công nghệ nuôi tảo ở Việt Nam khá thấp, chưa có cơ sở sản xuất tập trung, thiếu thiết bị và kỹ thuật. Do đó, chưa thể sản xuất với số lượng lớn, hoặc mật độ cao. Phương pháp nuôi hiện nay chủ yếu bằng bể xi măng, bể compozit cho hiệu quả thấp.

Một số nơi sử dụng mô hình nuôi trong túi nylon, mật độ cải thiện hơn nhưng vẫn khá khiêm tốn, dưới 20 triệu tb/ml, chưa ổn định và chưa khẳng định được về giá thành do chưa sản xuất với quy mô lớn công nghiệp. 

Để khắc phục những tình trạng trên, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm và tìm hiểm hai công nghệ triển vọng nhất là nuôi thâm canh tảo bằng bình phản ứng quang sinh PBR kín, sử dụng ánh sáng nhân tạo và kiểm soát kỹ các thông số môi trường. Mô hình nuôi đơn giản ngoài trời, sử dụng ánh sáng tự nhiên theo hướng tối ưu hóa ánh sáng bằng cách sử dụng các vật liệu trong suốt, đường kính nhỏ làm vật chứa như túi nylon, mô hình lồng sắt hình trụ kết hợp túi nylon. 

Bên cạnh đó, các cán bộ của Viện Nghiên cứu Hải sản cũng tiến hành cải tiến hệ thống nuôi sinh khối tảo theo hai hướng. Một là nuôi tảo bình quang sinh được thiết kế từ ống nhựa và thủy tinh của bóng đèn, luân chuyển dịch nuôi trong hệ thống máy bơm với vận tốc 0,4 - 0,5m/s, với dung tích mỗi hệ thống đạt 250 - 500l.

Hai là hệ thống nuôi dạng túi nylon với đường kính 25 - 30cm, với mục đích tối ưu hóa khả năng sử dụng năng lượng của tảo cho phát triển mật độ cao. Cả hai hướng nghiên cứu đều được vận hành một cách đơn giản, thuận tiện trong sản xuất sinh khối tảo.

Các bước tiến hành quy trình

Nhóm nghiên cứu đã xây dựng quy trình gồm 7 bước để sản xuất sinh khối tảo, trước khi đưa vào bảo quản. Cụ thể:

Bước 1, chuẩn bị nước. Nước biển được điều chỉnh ở độ mặn 2,5 - 2,8%, sau đó xử lý bằng chlorine 20 - 30ppm, sục khí liên tục trong 24 - 48h để lắng, kiểm tra dư lượng chlorine bằng thuốc thử Octolidin và trung hòa bằng Na2S2O3, lọc bằng hệ thống cột lọc than hoạt tính, tạo ra nguồn nước biển sạch. Nước sau khi xử lý được sử dụng trong 48 giờ.

Bước 2, chuẩn bị môi trường. Môi trường f/2 được pha theo công thức của Guillard. Môi trường sau khi pha được hấp tiệt trùng trước khi sử dụng, ngoại trừ thành phần vitamin. Cấp môi trường dinh dưỡng theo tỷ lệ 1ml/l nước nuôi.

Nuôi tảo Nannochloropsis oculata trong điều kiện thí nghiệm. Ảnh: TL.

Bước 3, chuẩn bị giống tảo. Tảo giống sau khi hoạt hóa sẽ được cấy chuyển sang bình tam giác có thể tích 250 - 500ml. Mật độ giống ban đầu 1,25 - 1,5 triệu. Giống tảo được nuôi trong điều kiện ánh sáng nhân tạo, cường độ chiếu sáng 1.500 - 2.000 Lux và được lắc đều 2 lần/ngày. 

Sau 6 - 7 ngày, tiến hành nâng thể tích nuôi. Tảo giống nuôi ở thể tích 250 - 500 ml sẽ được cấy chuyển sang bình nhựa ở thể tích 750 - 1.000 ml. Mật độ giống ban đầu là 1,75 - 2 triệu. Giống được nuôi trong điều kiện ánh sáng nhân tạo, cường độ chiếu sáng 2.000 - 2.500 Lux và được sục khí với tốc độ nhẹ.

Sau 7 ngày nuôi, tiến hành nhân giống trung gian. Tảo giống nuôi ở thể tích 750 - 1.000 ml sẽ được cấy chuyển sang bình nhựa với dung tích là 5 - 6l. Sục khí với tốc độ vừa phải 24/24h. Mật độ giống ban đầu 3 - 5 triệu. Giống được nuôi trong điều kiện ánh sáng nhân tạo, cường độ chiếu sáng 2.500 - 3.500 Lux. Sau 5 - 7 ngày, giống được chuyển sang nuôi sinh khối ở các hệ thống quang sinh dạng ống hoặc túi nylon quy mô lớn.

Bước 4, chuẩn bị hệ thống. 

Hệ thống túi nylon treo: Gồm các đơn vị túi có đường dẫn ánh sáng hay bán kính túi phù hợp là D=20cm, chiều cao h=120cm và thể tích mỗi đơn vị V=37l. Hệ thống túi được thiết kế với giá treo bằng théo, chiều cao 150cm. Các ống dẫn khí được nối với máy nén khí, bình cung cấp CO2, và bố trí dọc theo thanh trên của giá treo, đảm bảo sự cung cấp khí cho quá trình vận hành hệ thống.

Hệ thống quang sinh dạng ống: Gồm có 2 dẫy ống thủy tinh trong suốt chiều dài 2,6m được lắp song song với nhau. Ống thủy tinh sau khi nối được đặt cố định trên giá gỗ. Hai dãy ống cách nhau 30cm, mỗi dãy gồm 11 ống thủy tinh sau nối, giữa các ống được nối với nhau bởi các đoạn nhựa PVC đường kính 24mm. 

Hai dãy ống được nối với nhau bởi các đoạn PVC dạng U. Vị trí thấp nhất được nối với đầu dày của bơm, vị trí cao nhất được nối với ống PVC chuyển về bình chứa. Bình chứa là một thùng trắng có đáy nối với bơm. Dung dịch tảo được bơm từ vị trí thấp nhất lên hệ thống ống có tổng chiều dài 120m đến vị trí cao nhất, sau đó tảo đổ về hệ thống bình chứa. Quá trình đảo trộn liên tục được duy trì bởi máy bơm ly tâm công suất 375W ở vận tốc 0,4-0,5 m/s.

Bước 5, vận hành nuôi. Sau khi đã chuẩn bị được hệ thống nuôi, tảo giống được cấp vào các hệ thống, với nước biển đã xử lý sạch, đảm bảo sau khi cho giống tính toán mật độ ban đầu đạt từ 10 - 15 triệu tb/ml. Cấp hỗn hợp môi trường dinh dưỡng f/2 theo tỷ lệ 1ml/l. Kiểm tra vận tốc dòng chảy, kiểm soát vận tốc trong ống ở mức 0,4 - 0,5 m/s.

Bước 6, chăm sóc. Thường xuyên kiểm tra đo nhiệt độ, ánh sáng và pH ở các hệ thống nuôi 2 lần/ngày. Duy trì pH từ 7,5 - 8,5 bằng bổ sung CO2. Môi trường dinh dưỡng f/2 được bổ sung theo định kỳ 3 ngày/lần với liều lượng 1ml/l nước nuôi.

Bước 7, thu hoạch. Tảo nuôi trong các hệ thống sau khi đạt mật độ trung bình khoảng 90 - 120 triệu tb/ml (hệ thống túi nylon), 200 - 250 triệu tb/ml (hệ thống dạng ống) được thu hoạch bằng việc sử dụng bơm hút theo tỷ lệ 10% ngày hoặc 30%/3 ngày, bổ sung thêm nước mới vào hệ thống. Khi quần thể tảo có mật độ xuống dưới 80 triệu tb/ml tiến hành thu hoạch 100%.

Tảo sau khi thu từ hệ thống được kết bông, làm lắng sau đó sử dụng lọc hoặc ly tâm tạo sản phẩm dạng sệt.

Ứng dụng thực tế

Nuôi sinh khối tảo biển Nannochloropsis oculata đạt mật độ cao có nhiều lợi thế như: Hạn chế tạp nhiễm và giảm giá thành sản xuất. Kết quả nghiên cứu cho thấy, thời điểm mùa xuân - tháng 2 hoặc 3 - sẽ thích hợp nhất cho nuôi sinh khối tảo mật độ cao ở các hệ thống quang sinh đơn giản.

Mật độ cực đại đạt 133,56 x 106 tb/mL (0,56 g/L SKK) ở hệ thống quang sinh dạng trụ PC; 121,37 x 106 tb/mL (0,51 g/L SKK) ở hệ thống quang sinh dạng NiL; 98,37 x106 tb/mL (0,41 g/L SKK) ở hệ thống dạng trụ PE; 72,20 x106 tb/mL (0,30 g/L SKK) ở hệ thống dạng bể BK và 58,70 x106 tb/mL (0,24 g/L SKK) ở hệ thống dạng bể RW.

Nuôi cấy tảo Nannochloropsis oculata trong túi nylon đặt ngoài trời có thể kéo dài thời gian nuôi lên 17 ngày và đạt mật độ tối đa là 38,85±1,28 × 106 tb/mL trong khi nuôi cấy tảo trong bể composite nhanh chóng suy tàn hơn và đạt mật độ 20,70±1,01 × 106 tb/mL vào ngày thứ 9 của chu kỳ nuôi.

Trong điều kiện nuôi ngoài trời, với thể tích nuôi cấy trong bể composite từ 50 - 1.000l, quần thể tảo Nannochloropsis oculata không khác biệt và đạt giá trị cực đại dao động từ 27 - 28 × 106 tb/mL. Viện Nghiên cứu Hải sản khuyến cáo, vào mùa hè với điều kiện nhiệt độ cao, nên tiến hành nuôi tảo trong bể composite với thời gian nuôi ngắn, thể tích lớn. Ngược lại, trong điều kiện nhiệt độ thấp có thể nuôi sinh khối tảo trong túi nylon.