Những tiến bộ trong sản xuất các sản phẩm vi tảo giá trị cao

Những tiến bộ gần đây trong sản xuất các sản phẩm vi tảo có giá trị cao mở ra cơ hội phát triển ngành công nghiệp sản xuất sinh khối vi tảo hấp dẫn và bền vững.

Hệ thống nuôi cấy tảo trong điều kiện phòng lab.

Sự gia tăng các chất thải trong nuôi trồng thủy sản và các tác động xấu đến môi trường của chúng đã dẫn đến ngày càng có nhiều sự quan tâm đến việc áp dụng các phương pháp xử lý nước thải hiệu quả hơn, tiết kiệm chi phí hơn như những giải pháp thay thế cho các quy trình thông thường. Xử lý nước thải nuôi trồng thủy sản bằng vi tảo có tiềm năng lớn do hiệu quả loại bỏ chất dinh dưỡng cao và chi phí thấp. Quan trọng nhất, sinh khối vi tảo có thể được sử dụng trực tiếp hoặc chuyển đổi thành thức ăn nuôi trồng thủy sản. Tuy nhiên, sự phát triển của vi tảo trong điều kiện hạn chế ánh sáng và chi phí thu hoạch cao vẫn là những thách thức đối với việc áp dụng thành công. 

Biện pháp nâng cao hiệu quả sản xuất của vi tảo cũng đòi hỏi năng suất cao hơn phụ thuộc nhiều vào phương thức canh tác. Có ba hình thức cơ bản: quang dưỡng, dị dưỡng và quang dị dưỡng. Hình thức quang dưỡng giới hạn ở sự sẵn có của ánh sáng trong quá trình nuôi cấy do đó việc thiếu ánh sáng sẽ dẫn đến năng suất và sinh khối thấp. Canh tác dị dưỡng sử dụng cacbon hữu cơ, vừa là nguồn cacbon vừa là nguồn năng lượng duy nhất mà không dựa vào ánh sáng mặt trời. So với hai hình thức trên, quang dị dưỡng có nhiều hứa hẹn hơn trong việc cải thiện tăng trưởng vi tảo, sinh khối và các sản phẩm sinh học liên quan (đặc biệt là các carotenoid) được ghi nhận nhiều ở Haematococcus sp, Chlorella sp, … cung cấp năng suất tốt hơn gấp 2-5 lần bằng cách tăng cường khả năng sử dụng hai nguồn năng lượng (ánh sáng và cacbon hữu cơ), làm giảm sự phụ thuộc của vi tảo vào một nguồn carbon, do đó đạt được sự tăng trưởng tốt hơn ngay cả trong những trường hợp thiếu ánh sáng. Đánh giá này sẽ cung cấp và cập nhật thông tin ngắn gọn liên quan đến sự phát triển quy trình sinh học quang dị dưỡng và tiềm năng cho các sản phẩm tảo giá trị cao.

Nuôi cấy vi tảo.

Trong vi tảo các sản phẩm có giá trị cao như astaxanthin, β-caroten và lutein là những carotenoid chính cấu tạo nên bộ máy quang hợp. Haematococcus pluvialis là vi tảo tạo ra astaxanthin thương mại chất lượng tốt nhất. Gần đây, một số nguồn carbon hữu cơ đã được kiểm tra để đề xuất sử dụng trong mô hình nuôi quang dị dưỡng nhằm mục đích tăng khả năng phát triển ở H. pluvialis chẳng hạn như natri gluconate, ribose, melatonin, natri axetat, natri malonat, v.v. Những nguồn này đem lại kết quả khá khả quan, sinh khối tăng gấp 1,3 -2 lần. Trong số đó, gluconate thể hiện tiềm năng cao hơn. Mặt khác, việc sử dụng ribose cũng có triển vọng ở điều kiện ánh sáng cao trong quá trình phân chia tế bào, tăng cường số lượng tế bào cho thấy khả năng quang hợp tương tự như tế bào quang dưỡng. Kết quả chỉ ra rằng các cacbon hữu cơ khác nhau có thể thỏa mãn nhu cầu carbon và năng lượng của tế bào. Hơn nữa, việc bổ sung các nguồn hữu cơ này giúp hỗ trợ tăng trưởng và tăng sinh khối nhanh hơn thông qua quang hợp thông thường. 

Bên cạnh astaxanthin, lutein cũng được coi là sản phẩm có giá trị cao. Carotenoid lutein chủ yếu được tìm thấy trong hầu hết các loại trái cây và rau quả. Chi phí cho 1.000 mg của lutein từ vi tảo ước tính là 2,5 đô la Mỹ. Các nghiên cứu khác cũng cho thấy rằng việc bổ sung carbon từ một nguồn không có hiệu quả đối với việc sản xuất astaxanthin và lutein nhưng sự tương tác giữa carbon hữu cơ với ánh sáng tối ưu là rất quan trọng để cải thiện sự tích lũy chất dinh dưỡng. Một nghiên cứu cho thấy bổ sung acetate và malonate đã cải thiện gấp 3-5 lần hàm lượng carotenoid trong H. pluvialis trong điều kiện quang dị dưỡng. Bên cạnh đó, hàm lượng carotenoid trong Desmodesmus subspicatus được nâng cao từ 3- 3,7 lần đồng thời năng suất lipid cũng tăng 2,0 -2,5 lần bằng việc bổ sung 0,2g/l urea (Eze et al., 2020). Những phát hiện này dẫn dắt các nhà nghiên cứu tìm ra phương hướng để có thể tối ưu hóa điều kiện ánh sáng và chuyển hóa carbon để sản xuất sinh khối tảo tốt hơn. 

Một số chủng vi tảo tiềm năng như Chlorella sp., Neochloris sp., Duneliella sp., Botryococcus sp. và Scenedesmus sp. đã và đang được thử nghiệm. Tuy nhiên, carbon hữu cơ trong điều kiện quang dị dưỡng này làm gia tăng sự phát triển của các loài vi sinh vật khác như vi khuẩn, nấm, nấm men, động vật nguyên sinh, v.v. do giàu chất hữu cơ trong môi trường nuôi đồng thời xảy ra quá trình phân hủy tảo. Cần tiến hành thêm nghiên cứu để xác định các kỹ thuật giảm thiểu các chất gây ô nhiễm dưới điều kiện quang dị dưỡng ví dụ như thay đổi các chỉ tiêu: pH, chất dinh dưỡng, nồng độ oxy,…

Nhìn chung, sinh khối vi tảo đã trở thành một nguồn nguyên liệu hấp dẫn và bền vững để sản xuất tái tạo các chất hóa sinh và nhiên liệu sinh học khác nhau. Những ưu điểm của hình thức nuôi cấy kết hợp quang dị dưỡng nâng cao sinh khối, khả năng tái sử dụng carbon, hiệu suất chuyển đổi tăng và sản xuất các sản phẩm giá trị cao đã được thảo luận. Tiềm năng của phương thức kết hợp này đang được các nhà nghiên cứu khám phá để tối đa hóa tuy nhiên đây vẫn là một thách thức trong ứng dụng công nghiệp nó đòi hỏi sự phát triển hơn nữa để đạt đến giai đoạn thương mại hóa.