Photobioreactor là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và phân loại

Photobioreactor (PBR) là hệ thống sinh học kín hoặc bán kín được thiết kế để tối ưu hóa quá trình quang hợp của vi tảo, vi khuẩn quang hợp hoặc tế bào thực vật biểu mô trong môi trường được kiểm soát. PBR cung cấp điều kiện ánh sáng, nhiệt độ, pH và trao đổi khí ổn định, giúp tăng năng suất sinh khối và sản phẩm quý như lipid, protein, sắc tố và giá trị dược liệu.

Các PBR được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm cấu hình vật lý, nguồn sáng và cơ chế khuấy trộn. Phân loại theo cấu hình thường gặp các dạng:

• Ống (Tubular): Ống thủy tinh hoặc polycarbonate nối tiếp, tạo mạng lưới module, cho diện tích bề mặt chiếu sáng lớn và dễ mở rộng quy mô.
• Cột đứng (Column): Cột tròn hoặc hình chữ nhật, sử dụng khí nén để khuấy trộn, thích hợp nuôi cấy với mật độ thấp đến trung bình.
• Màng phẳng (Flat panel): Tấm kính/nhựa mỏng với chiều dày lớp cấy nhỏ, tối ưu diện tích tiếp xúc ánh sáng và giảm gradient quang học.
• Airlift: PBR dạng cột kết hợp luồng bọt khí, chia thành riser và downcomer, giảm tiêu thụ năng lượng cơ học.

Theo nguồn sáng:

• Tự nhiên: sử dụng ánh sáng mặt trời trực tiếp, phụ thuộc vào điều kiện môi trường bên ngoài.
• Nhân tạo: chiếu sáng bằng đèn LED, đèn huỳnh quang hoặc đèn halogen, cho phép kiểm soát cường độ và bước sóng.
• Hybrid: kết hợp ánh sáng mặt trời với hệ LED để đảm bảo hiệu suất vào ban đêm hoặc ngày mây mù.

Phân loại theo cơ chế khuấy trộn:

• Khuấy cơ học: sử dụng máy khuấy hoặc cánh khuấy làm tăng trao đổi chất nhưng gây shear stress.
• Khuấy khí: tạo bọt khí CO₂/O₂ để khuấy trộn nhẹ, giảm hư hại tế bào.
• Tuần hoàn cưỡng bức: sử dụng bơm để luân chuyển dịch nuôi cấy qua hệ thống, duy trì đồng nhất môi trường.

Thiết kế và cấu hình hệ thống

PBR dạng ống (tubular) thường bao gồm các ống thẳng hoặc cong xếp song song, gắn trên khung đỡ, kết nối bằng khớp nối linh hoạt để thuận tiện bảo trì. Đường kính ống dao động từ 2 đến 10 cm, chiều dài từ vài mét đến hàng chục mét, cho tỷ lệ diện tích chiếu sáng/​thể tích cao giúp tối ưu hấp thu ánh sáng.

Flat panel PBR sử dụng tấm phẳng, độ dày lớp cấy thường từ 2–5 cm để hạn chế hiện tượng tự che phủ (self-shading). Vật liệu tấm thường là thủy tinh cường lực hoặc polycarbonate chịu nhiệt, có khả năng khuếch tán ánh sáng đồng đều. Các tấm có thể ghép module theo chiều dọc hoặc ngang, cho phép dễ dàng mở rộng.

Cấu hình hệ thống còn bao gồm bồn chứa dinh dưỡng, bộ đếm sinh khối, hệ thống lọc khí đầu vào/​ra, bơm tuần hoàn và bộ điều khiển trung tâm. Đường ống và khớp nối cần đảm bảo kín khí, vật liệu chịu ăn mòn và tia UV.

Nguồn sáng và chiến lược chiếu sáng

Quang sinh tế bào tuân theo định luật Beer–Lambert, mô tả sự suy giảm cường độ ánh sáng theo chiều dày mô tảo:

$I(z) = I_0 \,e^{-k L z}$

Trong đó I₀ là cường độ ban đầu, k là hệ số hấp thụ liên quan mật độ tế bào, L là chiều dày lớp cấy và z là vị trí tính từ bề mặt. Để tối ưu hóa quang hợp, cần cân bằng giữa cường độ đủ mạnh để kích hoạt phản ứng quang hợp mà không gây photoinhibition.

• Chiếu sáng liên tục: thuận tiện vận hành nhưng dễ gây stress quang học.
• Chu kỳ sáng-tối (light–dark cycles): mô phỏng tự nhiên, cải thiện hiệu suất sử dụng năng lượng.
• Điều chỉnh bước sóng: LED đỏ (660 nm) và xanh (450 nm) kích thích quang hệ I và II hiệu quả.

Sử dụng bộ phản xạ và tấm khuếch tán giúp tận dụng triệt để ánh sáng dư thừa, giảm điểm nóng (hot spots). Công nghệ LED hiện đại cho phép điều khiển cường độ theo thời gian thực thông qua cảm biến quang học, đảm bảo mật độ quang đều khắp hệ nuôi cấy.

Kỹ thuật khuấy trộn và trao đổi khối

Bubble column PBR sử dụng khí CO₂ cấp vào đáy qua ống phân phối, tạo bọt khí nâng dịch lên xuống, vừa cung cấp CO₂ cho quang hợp, vừa khuấy trộn nhẹ nhàng. Thiết kế thường có diện tích đáy lớn, bề mặt nhẵn để tối ưu phân bố bọt khí.

Airlift PBR chia thành hai vùng: riser (vùng bơm khí vào) và downcomer (vùng ngược lại), tạo lưu thông tự nhiên nhờ chênh áp khí–nước. Hệ airlift giảm thiểu nhu cầu năng lượng so với khuấy cơ học và giữ shear stress ở mức thấp, phù hợp nuôi cấy tế bào nhạy cảm.

• Bubble column: thiết kế đơn giản, chi phí đầu tư thấp, dễ vận hành.
• Airlift: tiết kiệm năng lượng, hiệu quả trao đổi khí cao hơn.
• Forced circulation: dùng bơm tuần hoàn, kiểm soát lưu tốc và tránh kết tủa tế bào.

Thông số vận hành điển hình bao gồm lưu lượng khí (về CO₂ và O₂), tốc độ tuần hoàn (lưu lượng bơm), áp suất hệ và kích thước bọt khí. Điều chỉnh phù hợp giúp cân bằng giữa nhu cầu trao đổi khí và giảm thiểu shock cơ học cho tế bào.

Thông số vận hành và hiệu suất

Nhiệt độ môi trường nuôi cấy trong PBR thường duy trì từ 20 °C đến 30 °C để tối ưu hoạt động enzyme quang hợp và sinh trưởng của vi tảo. Ngoài ra, pH được điều chỉnh trong khoảng 7–8, giúp cân bằng giữa trạng thái hòa tan CO₂ và dạng HCO₃⁻, đảm bảo cung cấp đủ carbon cho quá trình quang hợp (NCBI PMC6473420).

Lưu lượng khí CO₂ cấp vào (gas flow rate) ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ quang hợp và xử lý O₂ dư thừa. Thông số F_CO₂ thường dao động 0.1–0.5 vvm (volume gas per volume reactor per minute), cùng với tỷ lệ O₂/CO₂ để tránh hiện tượng ức chế quang hợp do nồng độ O₂ cao.

Mật độ quang học (optical density, OD₆₈₀) được đo định kỳ để theo dõi sinh khối; giá trị OD₆₈₀ từ 0.5 đến 1.5 tương ứng với nồng độ sinh khối 0.3–1.0 g/L tùy chủng loài. Hiệu suất sinh khối (biomass productivity) thường đạt 0.5–1.5 g L⁻¹ d⁻¹ trong điều kiện tối ưu, với hiệu suất quang sinh (photosynthetic efficiency) 3–8% (Algal Research).

Hệ thống giám sát và điều khiển

Giám sát trực tuyến các thông số như OD₆₈₀, pH, nhiệt độ, DO (dissolved oxygen) và CO₂ hòa tan giúp duy trì môi trường ổn định. Cảm biến quang học và điện hóa tích hợp kết nối trực tiếp với bộ điều khiển PLC/SCADA, cho phép tự động điều chỉnh van khí, bơm tuần hoàn và bộ gia nhiệt/làm nguội.

• Cảm biến OD₆₈₀: truyền qua quang kế inline, cảnh báo điều chỉnh mật độ tế bào.
• Cảm biến pH/DO/CO₂: probe quang học hoặc điện hóa, giám sát 24/7.
• Hệ PLC/SCADA: giao diện HMI, lưu trữ lịch sử vận hành, cảnh báo cực đại.

Phần mềm tối ưu hóa vận hành (process optimization) sử dụng thuật toán điều khiển PID hoặc mô hình dự đoán (model predictive control – MPC) kết hợp dữ liệu lớn (big data) và học máy (machine learning) để dự báo xu hướng sinh khối và tự động điều chỉnh công suất chiếu sáng, lưu lượng khí và dinh dưỡng.

Ứng dụng trong sản xuất sinh khối

PBR được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất các sản phẩm giá trị cao và bền vững. Vi tảo Spirulina và Chlorella dùng làm thực phẩm chức năng, cung cấp protein, vitamin và sắc tố như phycocyanin. Hiệu suất sinh khối đạt 15–25 g m⁻² ngày⁻¹ trong PBR flat panel dưới ánh sáng LED (MDPI Water).

Trong công nghiệp dầu sinh học, tảo chứa lipid 20–50% sinh khối được trích xuất và chuyển đổi sang biodiesel qua ester hóa. PBR tubular với ánh sáng mặt trời kết hợp LED bổ sung ban đêm có thể nâng năng suất lipid lên 100–150 mL L⁻¹ năm⁻¹.

• Thực phẩm chức năng: protein, chất chống oxy hóa.
• Nhiên liệu sinh học: lipid chuyển hóa thành biodiesel, biojet.
• Thuốc và dược liệu: carotenoid (beta‑carotene, astaxanthin), omega-3.
• Khử CO₂: tích hợp vào ống khói công nghiệp để thu hồi carbon.

Thách thức và hướng nghiên cứu tương lai

Chi phí đầu tư PBR cao do vật liệu chịu ăn mòn, hệ thống chiếu sáng và bộ điều khiển tự động. Nghiên cứu tập trung vào vật liệu composite nhẹ, chi phí thấp, độ bền cao và chống tia UV để giảm chi phí đầu tư và bảo trì.

Các công nghệ LED mới với hiệu suất quang > 3.0 μmol J⁻¹ và tuổi thọ > 50.000 giờ đang được phát triển. Điều khiển ánh sáng động (dynamic light control) theo nồng độ tế bào và pha tăng trưởng giúp nâng cao 20–30% hiệu suất quang sinh.

• Vật liệu PBR: polymer gia cố sợi thủy tinh, composite polyme – gốm.
• LED thế hệ mới: full-spectrum, điều khiển quang động.
• Vận hành off‑grid: tích hợp pin mặt trời, năng lượng gió.
• Module hóa và di động: PBR container, PBR mô‑đun peptide.

Nghiên cứu tương lai còn bao gồm mô hình hóa đa cấp độ (multi-scale modeling) kết hợp CFD và sinh học hệ thống (systems biology) để tối ưu hóa thiết kế và vận hành. Ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) cho phép tự động hóa điều khiển và chẩn đoán sự cố trong thời gian thực, hướng tới vận hành thông minh (smart PBR).

Tài liệu tham khảo

• Christenson, L., & Sims, R. (2011). Production and harvesting of microalgae for wastewater treatment, biofuels, and bioproducts. Biotechnology Advances, 29(6), 686–702.
• Posten, C. (2009). Design principles of photobioreactors for cultivation of microalgae. Engineering in Life Sciences, 9(3), 165–177.
• NREL. (2004). Photobioreactor Design for Algal Cultivation. Retrieved from nrel.gov.
• Algae Biomass Organization. (n.d.). Algal Production System Design. Retrieved from algaebiomass.org.
• Algal Research. (2014). Life cycle assessment of microalgae-based biofuels. Algal Research, 4, 120–124.