Tiềm năng của hệ thống nuôi trồng vi tảo cố định trên màng sinh học (biofilm) so với các phương pháp truyền thống

TIỀM NĂNG CỦA HỆ THỐNG NUÔI TRỒNG VI TẢO CỐ ĐỊNH TRÊN MÀNG
SINH HỌC (BIOFILM) SO VỚI CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG
Nguyễn Thị Liên1
1. Viện phát triển ứng dụng. Email:
TĨM TẮT
Hầu hết các hệ thống ni trồng vi tảo hiện nay như hệ thống nuôi hở trong các ao hay
hệ thống kín photobioreactor (PBRs) thì hệ thống ln được thiết kế sao cho giữ các tế bào vi
tảo không dính vào nhau hoặc khơng lắng trên bề mặt đảm bảo cho các tế bào vi tảo luôn lơ
lửng trong môi trường dinh dưỡng. Các hệ thống nuôi cấy vi tảo kết hợp với màng sinh học thì
hồn tồn ngược lại, những hệ thống này khuyến khích vi tảo lắng hoặc bám trên bề mặt mong
muốn bằng cách cho phép các tế bào gắn vào màng sinh học, vi tảo sẽ được cô đặc một cách
tự nhiên và dễ dàng thu hoạch. Trong phương pháp này môi trường nước và sinh khối phần lớn
tách ra do đó việc thu hoạch sinh khối sẽ dễ dàng, tiết kiệm nước, năng suất sinh khối và hiệu
quả thu hoạch cao. Sinh khối vi tảo thu được từ bề mặt của màng sinh học có độ ẩm tương tự
như vi tảo thu được từ hệ thống ni hở hay kín sau khi ly tâm. Do đó, thời gian và chi phí cho
việc thu hoạch sẽ rút ngắn và tiết kiệm.
Từ khóa: Hệ thống ni vi tảo cố định trên màng sinh học, hệ thống ni trồng vi tảo hở và kín
1. GIỚI THIỆU
Hầu hết những mơ hình ni trồng tảo hiện nay đều sử dụng phương pháp thủy canh truyền
thống thông qua hai hệ thống ni hở và kín. Tuy nhiên, cả hai hệ thống ni trồng tảo nêu trên
đều có những ưu, nhược điểm nhất định và khơng phải là hệ thống có thể sản xuất sinh khối tảo
cho năng suất tối ưu nhất. Ngoài ra khi sử dụng hai hệ thống này để ni tảo thì mơi trường liên
tục được khuấy trộn, điều này sẽ ảnh hưởng xấu đến cấu trúc hình thái của tảo. Hơn nữa, để thu
hoạch tảo từ các hệ thống này thì chi phí cho q trình loại nước khá cao chiếm từ 21-30% trên
tổng chi phí sản phẩm và tốn nhiều thời gian (Davis và nnk., 2011).
Hệ thống nuôi trồng vi tảo kết hợp với màng sinh học là một hệ thống khá độc đáo và rất
khác so với các hệ thống nuôi trồng vi tảo hiện nay. Dựa theo vị trí đặt của vật liệu được sử
dụng để làm màng sinh học trong môi trường nuôi thì hệ thống này được chia làm 2 loại: hệ
thống bán chìm và hệ thống có màng sinh học nằm chìm trong mơi trường. Mơ hình ni vi tảo
bằng phương pháp nuôi cố định trên màng sinh học được xem một hướng mới và có nhiều ưu
điểm so với phương pháp thủy canh truyền thống.

2. ƯU ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG NUÔI VI TẢO KẾT HỢP VỚI MÀNG SINH HỌC SO
VỚI PHƯƠNG PHÁP THỦY CANH TRUYỀN THỐNG (BÀNG 1)
2.1. Thu hoạch dễ dàng, đơn giản và chi phí năng lượng thấp
Chi phí năng lượng thấp và quá trình thu sinh khối đơn giản và dễ dàng hơn là lợi thế nổi
bật của hệ thống nuôi này (Zhuang và nnk., 2014). Trong hệ thống nuôi cấy vi tảo theo phương
216


pháp thủy canh truyền thống thì nồng độ sinh khối vi tảo thường dưới 1%. Vì vậy, chi phí cho
thu hoạch/ loại nước khỏi sinh khối chiếm 21 - 30% trên tổng chi phí. Vi tảo được thu hồi từ
mơi trường nuôi cấy thường bằng cách lọc, ly tâm hoặc tuyển nổi (Hình 1). Sau đó, sinh khối
phải được loại nước để cô đặc nồng độ hơn nữa (Barlow và nnk., 2016).

Hình 1. Một số thiết bị sử dụng cho q trình tách sinh khối vi tảo từ mơi trường nuôi
(Davis và nnk., 2011)
Ngược lại, trong hệ thống nuôi kết hợp với màng sinh học thì quá trình thu hoạch lại dễ
dàng, đơn giản chỉ cần một lực cơ học nhỏ tác động lên bề mặt màng là có thể thu lấy sinh khối
(Hình 2). Ngồi ra, sinh khối vi tảo thu được có nồng độ 10-20% (trọng lượng khơ), bằng với
nồng độ sinh khối thu được bằng phương pháp thủy canh truyền thống sau ly tâm (Gross và
nnk., 2013; Johnson và Wen 2010). Như vậy, chi phí năng lượng cho q trình loại nước theo
phương pháp ni kết hợp với màng sinh học đã giảm đáng kể 99,7% so với phương pháp thủy
canh truyền thống (Huang và nnk., 2016).

Hình 2. Qúa trình thu sinh khối vi tảo từ màng sinh học
(Johnson và Wen, 2010; Lanlan và nnk., 2015)
217


2.2. Linh hoạt, dễ dàng cho mục tiêu tăng hàm lượng lipid trong sinh khối vi tảo
Trong phương pháp thủy canh truyền thống thường để tăng sự tích lũy lipid trong tế bào

thì các tế bào vi tảo được thu hoạch trước tiên sau đó chuyển các tế bào này sang môi trường bị
giới hạn nồng độ chất dinh dưỡng. Tuy nhiên, quá trình thu sinh khối vi tảo từ mơi trường đã
được pha lỗng nhiều thì rất khó khăn và chi phí cao. Trong khi đó, đối với hệ thống ni sử
dụng màng sinh học thì với mật độ cao của vi tảo trên bề mặt màng để thúc đẩy q trình tích
lũy lipid trong tế bào chỉ cần thay thế môi trường nuôi cấy giàu nitơ bằng môi trường nuôi cấy
bị giới hạn nguồn nitơ. Như vậy với cách thức này thì quá trình thực hiện dễ dàng, linh hoạt
hơn và chi phí cũng thấp hơn (Cheng và nnk., 2013).
2.3. Sự tiêu thụ nước ít hơn
Hệ thống nuôi cấy vi tảo kết hợp với màng sinh học làm giảm đáng kể lượng nước và yêu
cầu năng lượng đầu vào (Yin và nnk., 2015). Theo nghiên cứu của Yin và nnk (2015) thì thể tích
nước giảm đáng kể khi sử dụng hệ thống này. Yin và nnk đã cải tiến hệ thống nuôi của Zhang và
nnk (2014) bằng cách thu nhỏ lại khoang hẹp kín kết hợp với tốc độ sục khí chậm khi ni
Haematococcus pluvialis. Kết quả thu được lượng nước sử dụng giảm 90%. Trong hệ thống nuôi
Chlorella vulgaris và Haematococcus pluvialis gắn màng của Wan (2014) và Huang (2016) thì
kết quả cho thấy nhu cầu nước sử dụng chỉ bằng 30% và 55% so với hệ thống nuôi thủy canh
trong các ao hở truyền thống không gắn màng (Wan và nnk., 2014; Huang và nnk., 2016).
2.4. Năng suất cao hơn và tiết kiệm không gian, diện tích hơn
Trong hệ thống ni gắn màng mật độ tế bào trên bề mặt màng rất lớn. Vì vậy năng suất
sinh khối thu được trực tiếp từ màng sinh học rất cao đạt 96,4 kg/m3, kết quả này cao gấp 300
lần so với hệ thống nuôi trong ao hồ - một hình thức ni thủy canh truyền thống khơng gắn
màng (Ozkan và nnk., 2012). Do đó, bên cạnh lợi thế về khía cạnh thu hoạch dễ dàng hơn thì
việc sử dụng hệ thống này để ni vi tảo có thể tiết kiệm nhiều hơn khơng gian vì mật độ sinh
khối cao hơn nhiều so với hệ thống nuôi thủy canh truyền thống.
Vi tảo trong các hệ thống ni có gắn màng sinh học cho năng suất cao hơn do khả năng
truyền ánh sáng hoặc truyền CO2 (Huang và nnk., 2016; Cheng và nnk., 2017) hiệu quả hơn. Theo
Lee và nnk (2014) trong hệ thống nuôi cấy vi tảo mà màng sinh học được đặt theo hướng dọc
chìm trong mơi trường, độ xuyên thấu của ánh sáng xuống đáy cao hơn nhiều so với của hệ thống
thủy canh truyền thống không gắn màng. Kết quả cho thấy sau 4 ngày nuôi, tỷ lệ ánh sáng có thể
xuyên xuống đáy trong hệ thống gắn màng và hệ thống không gắn màng lần lượt là gần 5% và
12%. Đối với hệ thống nuôi cấy vi tảo khơng chìm và bán chìm trong mơi trường ni thì các tế

bào vi tảo trên màng dễ dàng sử dụng CO2 từ pha khí giàu CO2 thơng qua một màng chất lỏng
mỏng, trong khi trong hệ thống ni trồng vi tảo thủy canh truyền thống thì CO2 cần khuếch tán
qua pha khí, pha lỏng trước khi chuyển hồn tồn vào mơi trường ni để vi tảo sử dụng. Do đó,
vi tảo trong hệ thống nuôi kết hợp với màng có sự tăng trưởng nhanh hơn. Theo nghiên cứu của
Lee (2014), sinh khối vi tảo trong hệ thống gắn màng cho năng suất 1,9 g/m2/ngày, kết quả này
cao gấp 2,8 lần so với hệ thống nuôi thủy canh không gắn màng. Trong một nghiên cứu khác, Liu
và nnk (2013) khi nuôi Botryococcus braunii bằng hệ thống gắn màng đặt theo chiều dọc (khơng
chìm trong mơi trường ni), kết quả thu được năng suất sinh khối đạt 5,7 g/m2/ngày, tăng 150%
so với hệ thống nuôi cấy không gắn màng ở cùng điều kiện.
218


Vi tảo trong hệ thống có gắn màng sinh học thì các tế bào sẽ gắn cố định trên màng thay vì
lơ lửng và phân tán khắp trong mơi trường nuôi như hệ thống không gắn màng (Lee và nnk.,
2014). Vi tảo trong hệ thống ni có gắn màng vẫn có thể nhận được đủ ánh sáng (191 -354
μmol/m2/s) cho quá trình quang hợp và tăng trưởng của chúng thậm chí ngay cả lớp đáy ở dưới
cùng của hệ thống nuôi. Trong hệ thống nuôi này lượng ánh sáng mà mọi tế bào vi tảo nhận được
có thể cân bằng hơn. Điều này có thể tránh được tình trạng thường thấy trong hệ thống nuôi thủy
canh không gắn màng đó là tế bào vi tảo lớp trên bị bão hòa ánh sáng trong khi ở lớp dưới thường
bị thiếu ánh sáng. Vì vậy, hệ thống ni có gắn màng sinh học thì cho năng suất cao hơn nhiều
so với hệ thống thủy canh khơng gắn màng. Tuy nhiên có những ý kiến khác nhau về vấn đề này,
theo Lutzu và nnk (2017) khi màng sinh học dày hơn với sự phát triển của vi tảo thì cường độ
ánh sáng giảm dần trong màng, nguyên nhân có thể là do các tế bào vi tảo cố định ở lớp bề mặt
màng dày lên nên các vi tảo ở lớp dưới cùng của màng có thể khơng thể nhận được đủ ánh sáng.
2.5. Hiệu quả xử lý nước cao hơn
Công nghệ sản xuất sinh khối vi tảo kết hợp với xử lý nước thải ngày càng phổ biến và
được nghiên cứu nhiều nhờ khả năng sử dụng nitơ và phốt pho trong nước của vi tảo (Choudhary
và nnk., 2017; Lee và nnk., 2014). So với nuôi cấy vi tảo bằng hệ thống thủy canh khơng gắn
màng thì hệ thống gắn màng sẽ không bị cuốn theo nước chảy ra khỏi hệ thống cùng với nước
được xử lý. Do đó, thời gian lưu nước không lâu như thời gian lưu bùn và nó có thể ngắn hơn

nhưng vẫn cho hiệu suất xử lý nước cao, trong khi thời gian lưu bùn có thể lâu hơn để duy trì
nồng độ sinh khối vi tảo cao trong hệ thống nhằm đạt được hiệu quả xử lý tối ưu.
Bảng 1. So sánh hệ thống nuôi vi tảo kết hợp với màng sinh học
so với phương pháp thủy canh truyền thống
Phương pháp thủy canh truyền thống Hệ thống nuôi vi tảo kết hợp với màng sinh học
Diện tích ni trồng lớn
Diện tích ni trồng lớn nhỏ
Rất cao, có thể là nguyên nhân gây ra kết
Sự mất nước
Thấp
tủa muối
Tổn thất CO2
Cao, phụ thuộc vào độ sâu
Thấp
Tích lũy của O2 trong hệ thống yêu cầu các thiết bị
Nồng độ oxy
Thường thấp
chuyên dụng để đảm bảo sự trao đổi khí
Biến đổi rất cao, kiểm sốt nhiệt độ có
Nhiệt độ được làm mát nhờ những thiết bị ấn định
Nhiệt độ
thể thông qua việc điều chỉnh độ sâu của
tự động
hồ nuôi
Xuất hiện do q trình khuấy trộn nhẹ
Stress trên tế bào
Khơng phát hiện do khơng q q trình khuấy trộn
nhàng
Vệ sinh
Đơn giản, không phức tạp

Phức tạp.
Nguy cơ nhiễm bẩn Cao
Thấp
Chịu tác động bởi yếu tố ngoại cảnh, do
Sự phụ thuộc vào
Hệ thống không chịu tác động bởi thời tiết. Việc
đó việc quản lý các yếu tố hóa lý bị thụ
điều kiện thời tiết
quản lý các yếu tố vật lý chủ động.
động.
Sự linh động ni Chỉ ni được vài lồi, vấn đề nếu thay đổi Có khả năng linh động ni được nhiều chủng tảo
các chủng tảo
ni lồi khác thì dễ dẫn đến bị nhiễm.
khác nhau mà khơng bị nhiễm.
Chi phí vận hành Thấp
Cao hơn
Cao, tùy thuộc vào lồi ni cấy
Thấp hơn do nồng độ cao của sinh khối, thu hoạch
Chi phí quá trình
dễ dàng và kiểm sốt tốt hơn điều kiện ni của
ni trồng
các lồi ni cấy
Thơng số
Diện tích

219


Hiệu quả xử lý nước bằng hoặc cao hơn so với hệ thống thủy canh không gắn màng (Iman
và nnk., 2016). Theo nghiên cứu của Choudhary và nnk (2017) đã sử dụng nước thải chăn nuôi

để làm nguồn dinh dưỡng ni vi tảo. Kết quả hệ thống có gắn màng cho hiệu quả loại bỏ COD,
NO3-, TDP, TAN lần lượt là 87%, 91%, 93% và 98% với thời gian lưu nước là 6 ngày. Trong
khi đó hệ thống thủy canh khơng gắn màng có hiệu suất loại bỏ COD, NO3-, TDP, TAN lần
lượt là 80%, 87%, 83% và 99% với thời gian lưu nước là 12 ngày.

4. KẾT LUẬN
Mơ hình nuôi vi tảo bằng phương pháp nuôi cố định trên màng sinh học được xem là một
lựa chọn hợp lý, một hướng mới khắc phục được những hạn chế của phương pháp thủy canh
truyền thống và hứa hẹn mang lại hiệu quả cao.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Barlow J., Sims R. . and Quinn .J. C., 2016. Techno-economic and life-cycle assessment of an
attached growth algal biorefinery. Bioresour Technol, 220:360–8.
2. Cheng P., Ji B., Gao L., Zhang W., Wang J. and Liu T., 2013. The growth, lipid and hydrocarbon
production
of
Botryococcus
braunii
with
attached
cultivation.
Bioresour. Technol, 138: 95–100.
3. Cheng P., Wang Y., Yang Q. and Liu T., 2017. Comparison of growth, hydrocarbon accumulation
and metabolites of Botryococcus braunii between attached cultivation and aqueoussuspension
cultivation. Int J Agric Biol Eng, 10(1):134–41.
4. Choudhary P., Prajapati S. K., Kumar P., Malik A. and Pant K. K., 2017. Development and
performance evaluation of an algal biofilm reactor for treatment of multiple wastewaters and
characterization of biomass for diverse applications. Bioresour Technol, 224:276–84.
5. Davis R., Aden A. and Pienkos P., 2011. Techno-economic analysis of autotrophic microalgae for fuel
production. Appl. Energy, 88: 3524–3531.
6. Davis R., Aden A. and Pienkos P., 2011. Techno-economic analysis of autotrophic microalgae for fuel

production. Appl. Energy, 88: 3524–3531.
7. Gross M., Henry W., Michael C. and Wen Z., 2013. Development of a rotating algal biofilm growth system
for attached microalgae growth with in situ biomass harvest. Bioresource Technology, 150: 195-201.
8. Huang Y., Xiong W., Liao Q., Fu Q., Xia A., Zhu X. and Sun Y., 2016. Comparison of Chlorella
vulgaris biomass productivity cultivated in biofilm and suspension from the aspect of light
transmission and microalgae affinity to carbon dioxide. Bioresour Technol, 222:367–73.
9. Iman Shayan S., Agblevor F. A., Bertin L. and Sims R. C., 2016. Hydraulic retention time effects
onwastewater nutrient removal and bioproduct production via rotating algal biofilm reactor.
Bioresour Technol, 211:527–33.
10. Johnson M. B. and Wen Z., 2010. Development of an attached microalgal growth system for biofuel
production. Appl Microbiol Biotechnol, 85:525–534.
11. Lanlan Z., Lin C., Junfeng W., Yu C., Xin G., Zhaohui Z. and Tianzhong L., 2015. Attached cultivation
for improving the biomass productivity of Spirulina platensis. Bioresource Technology, 181: 136-142
12. Lutzu G. A., Zhang L., Zhang Z. and Liu T., 2017. Feasibility of attached cultivation for
polysaccharides production by Porphyridium cruentum. Bioprocess Biosyst Eng, 40(1):73–83.

220


13. Liu T, Wang J, Hu Q, Cheng P, Ji B, Liu J, Chen Y, Zhang W, Chen X, Chen L, Gao L, Ji C and
Wang H, 2013. Attached cultivation technology of microalgae for efficient biomass feedstock
production. Bioresour Technol, 127: 216–22.
14. Lee S-H., Oh H-M., Jo B-H., Lee S-A., Shin S-Y., Kim H-S., Lee S-H and, Ahn C-Y., 2014. Higher
biomass productivity of microalgae in an attached growth system, using wastewater. J Microbiol
Biotechnol, 24(11):1566–73.
15. Ozkan A., Kinney K., Katz L. and Berberoglu H., 2012. Reduction of water and energy requirement
of algae cultivation using an algae biofilm photobioreactor. Bioresour Technol, 114:542–8.
16. Wan M., Hou D., Li Y., Fan J., Huang J., Liang S., Wang W., Pan R., Wang J. and Li S., 2014. The
effective photoinduction of Haematococcus pluvialis for accumulating astaxanthin with attached
cultivation. Bioresour Technol, 163:26–32.

17. Yin S., Wang J., Chen L. and Liu T., 2015. The water footprint of biofilm cultivation of
Haematococcus pluvialis is greatly decreased by using sealed narrow chambers combined with slow
aeration rate. Biotechnol Lett, 37(9):1819–27.
18. Zhuang L. L., Hu H. Y., Wu Y. H., Wang T. and Zhang T. Y., 2014. A novel suspended-solid phase
photobioreactor to improve biomass production and separation of microalgae. Bioresour Technol, 153:399–402.
19. Zhang Zhou W., Chen, P., Min, M., Ma, X., Wang, J., Griffith, R., Hussain, F., Peng, P., Xie, Q., Li,
Y., Shi, J., Meng, J., Ruan, R., 2014. Environment-enhancing algal biofuel production using
wastewaters. Renew. Sust. Energ. Rev., 36: 256-269.

221