Thu hoạch sinh khối (biomass harvesting) là gì?

Thu hoạch sinh khối là tập hợp các quá trình kỹ thuật nhằm tách, thu hồi và cô đặc các tế bào sinh vật hoặc mô sinh học ra khỏi môi trường nuôi cấy lỏng hoặc vùng sinh trưởng tự nhiên. Quá trình này đóng vai trò cầu nối then chốt giữa giai đoạn nuôi cấy sinh khối và giai đoạn tinh chế hoặc chuyển hóa tạo thành các sản phẩm sinh học có giá trị kinh tế. Bài viết này trình bày cơ sở lý thuyết, các phương pháp phân tách cơ học và hóa lý, thông số vận hành cùng những thách thức kỹ thuật của công đoạn thu hoạch sinh khối trong công nghệ sinh học.

Bản chất khoa học và vị trí trong công nghệ sinh học

Trong kỹ thuật sinh học và chế biến hạ nguồn (downstream processing), thu hoạch sinh khối (biomass harvesting) là bước phân tách sơ cấp đầu tiên sau khi kết thúc chu kỳ sinh trưởng của sinh vật. Mục tiêu cốt lõi của công đoạn này là chuyển dịch huyền phù tế bào có nồng độ rất loãng thành dạng bùn sệt hoặc bánh sinh khối cô đặc, giảm thiểu tối đa thể tích chất lỏng cần xử lý trong các bước tiếp theo như phá vỡ tế bào, chiết xuất hợp chất nội bào hoặc sấy khô.

Đối tượng thu hoạch trải rộng trên nhiều nhóm sinh vật khác nhau, bao gồm vi tảo quang dưỡng, nấm men, vi khuẩn, nấm sợi và sinh khối thực vật bậc cao. Mỗi nhóm sinh vật sở hữu đặc tính hình thái, kích thước, khối lượng riêng và điện tích bề mặt riêng biệt, từ đó đặt ra các yêu cầu khắt khe đối với việc lựa chọn công nghệ phân tách tương ứng.

Đặc điểm của huyền phù sinh học và rào cản phân tách

Việc thu hồi các tế bào vi sinh vật, đặc biệt là vi tảo quang tự dưỡng, đối mặt với những trở ngại vật lý và hóa keo phức tạp so với các hệ thống phân tách vô cơ thông thường. Theo tổng quan của Brennan và Owende (2010), kích thước tế bào vi tảo thường nhỏ trong khoảng 3 đến 30 µm và mật độ nuôi cấy loãng từ 0,02% đến 0,5% khiến quá trình lắng tự nhiên diễn ra rất chậm theo định luật Stokes. Bên cạnh đó, khối lượng riêng của tế bào vi sinh vật ngậm nước thường chỉ dao động xấp xỉ khối lượng riêng của nước ngọt hoặc nước biển, dẫn đến độ chênh lệch khối lượng riêng giữa pha rắn phân tán và pha lỏng liên tục là không đáng kể.

Một yếu tố hóa lý quan trọng khác là điện tích bề mặt của tế bào. Do sự hiện diện của các nhóm chức năng ion hóa như carboxyl, phosphate và sulfate trên màng và thành tế bào, bề mặt tế bào vi sinh vật thường tích điện tích âm trong khoảng pH sinh lý. Thế zeta âm này tạo ra lực đẩy tĩnh điện liên tế bào theo lý thuyết Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO), ngăn cản các tế bào va chạm và tự tụ lại thành các khối lớn, giữ cho hệ huyền phù luôn ở trạng thái phân tán ổn định.

Cơ sở động học của quá trình lắng và phân ly ly tâm

Vận tốc lắng trọng lực của một hạt hình cầu đơn lẻ trong môi trường chất lỏng Newton ở chế độ dòng chảy tầng được mô tả thông qua định luật Stokes:

Trong phương trình trên, ký hiệu $v_s$ là vận tốc lắng của hạt tế bào, ký hiệu $r$ đại diện cho bán kính tương đương của tế bào sinh khối, $\rho_p$ là khối lượng riêng của tế bào, $\rho_f$ là khối lượng riêng của chất lỏng môi trường nuôi cấy, ký hiệu $g$ là gia tốc trọng trường và $\mu$ là độ nhớt động lực học của chất lỏng.

Từ biểu thức định luật Stokes, vận tốc lắng tỷ lệ thuận với bình phương kích thước tế bào và hiệu số khối lượng riêng. Khi kích thước tế bào vi sinh vật rất bé và độ chênh lệch khối lượng riêng tiến gần về không, vận tốc lắng tự nhiên vô cùng nhỏ. Do đó, để gia tăng tốc độ phân tách pha trong điều kiện công nghiệp, người ta bắt buộc phải can thiệp bằng hai hướng tiếp cận chính: gia tăng kích thước hạt hiệu dụng thông qua quá trình keo tụ tạo bông, hoặc gia tăng gia tốc trường lực tác động thông qua thiết bị ly tâm.

Trong trường lực ly tâm, gia tốc trọng trường được thay thế bằng gia tốc hướng tâm, với yếu tố phân ly được biểu diễn qua công thức:

Trong đó ký hiệu $Z$ là chỉ số phân ly ly tâm, ký hiệu $\omega$ là vận tốc góc của trục quay rotor và ký hiệu $r_c$ là khoảng cách từ trục quay đến vị trí hạt phân tách.

Các phương pháp thu hoạch sinh khối chủ đạo

1. Phân ly bằng lực ly tâm (Centrifugation)

Ly tâm là phương pháp phân tách cơ học dựa trên sự khác biệt về khối lượng riêng dưới tác dụng của trường lực ly tâm cường độ cao. Kỹ thuật này cho phép thu hồi sinh khối nhanh chóng với hiệu suất cao, được ứng dụng rộng rãi từ quy mô phòng thí nghiệm đến dây chuyền công nghiệp sản xuất dược phẩm và hóa chất tinh khiết.

Các dạng máy ly tâm công nghiệp phổ biến bao gồm ly tâm dạng đĩa (disc-stack centrifuge), ly tâm nằm ngang trục vít (decanter centrifuge) và ly tâm dạng ống (tubular bowl centrifuge). Theo đánh giá của Najjar và Abu-Shamleh (2020), phương pháp ly tâm có thể đạt hiệu suất thu hồi sinh khối vượt trên 95% nhưng tiêu hao năng lượng đặc thù dao động từ 0,3 đến 8 kWh/m3 tùy loại máy. Đánh giá kỹ thuật và kinh tế của Fasaei và cs. (2018) cũng chỉ rõ rằng ly tâm một bước đòi hỏi khoảng 2 kWh năng lượng điện để xử lý 1,0 m3 dịch nuôi cấy vi tảo ở nồng độ sinh khối 1 g/L. Vì vậy, mặc dù đảm bảo độ vô trùng và không cần bổ sung hóa chất ngoại lai, ly tâm đơn lẻ thường chỉ phù hợp cho các sản phẩm sinh học có giá trị kinh tế rất cao hoặc dùng làm công đoạn hoàn thiện sau bước cô đặc sơ cấp.

2. Kỹ thuật keo tụ và tạo bông (Flocculation)

Keo tụ tạo bông là quá trình hóa lý nhằm trung hòa điện tích bề mặt của các tế bào và tạo các cầu nối liên kết, khiến các hạt tế bào đơn lẻ liên kết thành các cụm bông có kích thước lớn hơn gấp hàng trăm lần. Nhờ gia tăng bán kính hạt hiệu dụng, vận tốc lắng tăng lên nhanh chóng theo định luật Stokes, cho phép thu hồi sinh khối bằng các bể lắng trọng lực đơn giản với chi phí đầu tư thấp.

Các cơ chế keo tụ sinh khối bao gồm:

• Keo tụ bằng chất vô cơ: Sử dụng các muối kim loại đa hóa trị như phèn nhôm hoặc phèn sắt. Các cation kim loại hấp phụ lên bề mặt tế bào tích điện âm, nén lớp điện kép và trung hòa điện tích bề mặt. Tuy nhiên, nhược điểm nghiêm trọng của phương pháp này là để lại dư lượng ion kim loại độc hại trong sinh khối, gây cản trở việc sử dụng sản phẩm làm thực phẩm, dược phẩm hoặc thức ăn chăn nuôi.
• Keo tụ bằng polyme hữu cơ và polyme sinh học: Sử dụng các hợp chất cao phân tử mạch dài như polyacrylamide hoặc các chất có nguồn gốc tự nhiên như chitosan, alginate và dẫn xuất tinh bột. Polyme sinh học hoạt động thông qua cơ chế hấp phụ cầu nối (bridging mechanism), tạo ra các bông bùn lớn, bền và an toàn sinh học.
• Tự keo tụ (Autoflocculation): Xảy ra khi độ kiềm của môi trường nuôi cấy tăng cao do hoạt động quang hợp tiêu thụ carbon vô cơ hòa tan. Khi pH môi trường tăng vượt ngưỡng kiềm, các ion canxi và magie kết tủa dưới dạng khoáng carbonate hoặc phosphate, đóng vai trò như chất trợ keo tụ tự nhiên kéo theo các tế bào vi sinh vật lắng xuống.
• Keo tụ sinh học (Bioflocculation): Tận dụng các loài vi sinh vật có khả năng tiết ra các chất cao phân tử ngoại bào (extracellular polymeric substances) hoặc nuôi cấy kết hợp vi tảo với nấm sợi để nấm sợi tạo mạng lưới bẫy các tế bào vi tảo.

Theo tổng quan của Liu và cs. (2023), các kỹ thuật thu hoạch vi tảo công nghiệp hướng đến kết hợp keo tụ tạo bông và tái sử dụng môi trường để giảm chi phí vận hành, đồng thời hạn chế tối đa việc đưa vào các tác nhân hóa học khó xử lý.

3. Quá trình lọc và phân tách màng (Filtration)

Lọc là phương pháp phân tách cơ học cho huyền phù đi qua một lớp vật liệu xốp hoặc màng lọc bán thấm có kích thước lỗ lọc nhỏ hơn kích thước hạt tế bào. Pha lỏng đi qua màng dưới dạng dòng thấm, trong khi pha rắn sinh khối được giữ lại trên bề mặt tạo thành bánh lọc.

Các cấu hình thiết bị lọc truyền thống bao gồm thiết bị lọc chân không thùng quay (rotary vacuum drum filter) và thiết bị lọc ép khung bản (plate-and-frame filter press). Trong kỹ thuật màng tiên tiến, công nghệ vi lọc màng sợi rỗng hoặc màng tấm phẳng hoạt động theo cơ chế dòng chảy tiếp tuyến (tangential flow filtration, TFF) giúp giảm thiểu hiện tượng tắc nghẽn màng so với lọc dòng trực diện thông thường. Mặc dù công nghệ màng cho phép thu hồi toàn bộ sinh khối mà không làm biến tính các hợp chất nhạy cảm với nhiệt độ, hiện tượng bám bẩn màng sinh học (biofouling) do các chất tiết ngoại bào vẫn là hạn chế kỹ thuật lớn đòi hỏi quy trình súc rửa định kỳ bằng hóa chất.

4. Kỹ thuật tuyển nổi (Flotation)

Tuyển nổi là quá trình phân tách pha dựa trên sự kết bám của các bọt khí mịn vào bề mặt tế bào sinh khối, làm giảm khối lượng riêng biểu kiến của tổ hợp tế bào - bọt khí xuống thấp hơn khối lượng riêng của môi trường lỏng, từ đó thúc đẩy sinh khối nổi lên bề mặt để thu gom bằng thanh gạt cơ học.

Hệ thống tuyển nổi bằng khí hòa tan (dissolved air flotation, DAF) tạo ra các vi bọt khí có đường kính rất nhỏ thông qua việc giảm áp đột ngột của dòng chất lỏng bão hòa không khí ở áp suất cao. Để tăng cường hiệu quả tuyển nổi, huyền phù thường được xử lý sơ bộ bằng chất hoạt động bề mặt hoặc chất keo tụ nhằm tăng tính kỵ nước của tế bào. Ngoài ra, kỹ thuật tuyển nổi điện hóa sử dụng các điện cực nhúng trong bể để sinh ra các bọt khí siêu nhỏ thông qua quá trình điện phân nước, kết hợp đồng thời tác dụng trung hòa điện tích từ các ion kim loại giải phóng từ cực dương tan.

So sánh các công nghệ thu hoạch sinh khối

Việc lựa chọn công nghệ thu hoạch phụ thuộc chặt chẽ vào đặc tính tế bào sinh học, độ tinh sạch đòi hỏi của sản phẩm cuối cùng và tính khả thi kinh tế của toàn bộ chuỗi giá trị sản xuất.

Phương pháp	Cơ chế phân tách chính	Hiệu suất thu hồi	Mức tiêu thụ năng lượng	Ưu điểm nổi bật	Hạn chế chính
Ly tâm	Lực ly tâm tăng cường	Vượt trên 95%	0,3 đến 8 kWh/m3	Nhanh, triệt để, không lẫn hóa chất	Vốn đầu tư và điện năng vận hành lớn
Keo tụ polyme sinh học	Trung hòa điện tích và tạo cầu nối	Mức độ cao	Rất thấp	Thân thiện môi trường, chi phí thấp	Phụ thuộc vào pH và độ mặn môi trường
Lọc màng tiếp tuyến	Rây phân tử theo kích thước lỗ	Gần như hoàn toàn	Trung bình	Dịch thấm trong suốt, sinh khối nguyên vẹn	Tắc nghẽn màng do bám bẩn sinh học
Tuyển nổi bọt khí	Giảm khối lượng riêng biểu kiến	Mức độ khá	Trung bình	Tốc độ phân tách nhanh, tốn ít diện tích	Thường cần chất tạo bọt hoặc keo tụ kèm theo
Lắng trọng lực	Lực hấp dẫn tự nhiên	Mức độ thấp	Không đáng kể	Vận hành đơn giản, thiết bị rẻ tiền	Thời gian lắng kéo dài, diện tích bể rất lớn

Cân bằng năng lượng và hiệu quả kinh tế chuỗi sản xuất

Trong các quy trình sản xuất sinh khối từ hệ huyền phù loãng (đặc biệt là vi tảo quang dưỡng), công đoạn thu hoạch và khử nước thường là điểm nút thắt nghẽn tiêu tốn nhiều chi phí và năng lượng nhất. Theo nghiên cứu kinh tế - kỹ thuật kinh điển của Molina Grima và cs. (2003), chi phí thu hoạch và khử nước sinh khối vi tảo thường chiếm từ 20% đến 30% tổng chi phí sản xuất sinh khối. Đối với các hệ thống nuôi cấy hở có mật độ tế bào loãng, chi phí này thậm chí còn chiếm tỷ trọng cao hơn.

Về mặt cân bằng năng lượng, theo số liệu phân tích của Fasaei và cs. (2018), mức tiêu thụ năng lượng vận hành cho các hệ thống thu hoạch và khử nước dao động trong khoảng từ 0,2 đến 5 kWh/kg sinh khối khô đối với môi trường nuôi cấy hở loãng. Ngược lại, mức tiêu thụ năng lượng cho thu hoạch và khử nước sinh khối từ hệ thống nuôi cấy quang sinh học kín dao động từ 0,1 đến 0,7 kWh/kg sinh khối khô do mật độ tế bào đạt được trong hệ thống kín cao hơn đáng kể. Do đó, theo nhấn mạnh của Brennan và Owende (2010), quá trình khử nước và thu hoạch là rào cản kỹ thuật chính đối với sản xuất nhiên liệu sinh học quy mô thương mại từ vi tảo, đòi hỏi phải phát triển các quy trình tích hợp nhiều giai đoạn (multi-stage harvesting) nhằm giảm thiểu tổng mức tiêu hao năng lượng.

Nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn tại Việt Nam

Tại Việt Nam, với điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa có cường độ bức xạ mặt trời cao và đường bờ biển dài, công nghệ nuôi cấy và thu hoạch sinh khối vi sinh vật, đặc biệt là vi tảo và nấm men, đang phát triển mạnh mẽ nhằm phục vụ ngành nuôi trồng thủy sản, sản xuất dược liệu và xử lý nước thải công nghiệp.

Trong nuôi trồng thủy sản nước ngọt và nước mặn, sinh khối tươi của các chủng vi tảo giàu acid béo không bão hòa đa nối đôi đóng vai trò là nguồn thức ăn tươi sống không thể thay thế cho ấu trùng tôm giống, cá biển và động vật nhuyễn thể. Tuy nhiên, việc ứng dụng các thiết bị ly tâm công nghiệp nhập ngoại thường đòi hỏi chi phí đầu tư vượt quá khả năng tài chính của các trại giống quy mô vừa và nhỏ. Do đó, hướng nghiên cứu sử dụng các polyme tự nhiên có nguồn gốc từ phế phụ phẩm thủy sản đang thu hút sự quan tâm đặc biệt.

Tại Việt Nam, nghiên cứu sử dụng chitosan có khối lượng phân tử 520 kDa ở nồng độ 60 ppm để keo tụ thu hồi sinh khối Nannochloropsis sp. đạt hiệu suất khoảng 88% và bảo quản ở 4 độ C theo kết quả công bố của Phạm Thị Đan Phượng và cs. (2025). Việc tận dụng nguồn vỏ tôm phế liệu dồi dào từ các nhà máy chế biến thủy sản tại Đồng bằng sông Cửu Long để sản xuất chất keo tụ chitosan không những giải quyết bài toán ô nhiễm môi trường chất thải rắn mà còn cung cấp giải pháp thu hoạch sinh khối an toàn sinh học, bảo toàn nguyên vẹn hàm lượng sắc tố và lipid có giá trị dinh dưỡng cao cho ấu trùng thủy sản.

Ranh giới kỹ thuật và xu hướng phát triển bền vững

Không có một công nghệ thu hoạch sinh khối đơn lẻ nào có thể tối ưu đồng thời trên tất cả các tiêu chí về kinh tế, kỹ thuật và chất lượng sản phẩm. Giới hạn vật lý của từng phương pháp đòi hỏi các nhà công nghệ phải xác lập ranh giới áp dụng cụ thể:

• Giới hạn áp dụng của ly tâm: Lực cắt cơ học sinh ra trong buồng quay ly tâm tốc độ cao có thể gây vỡ màng tế bào đối với các loài vi sinh vật có thành tế bào mỏng, làm rò rỉ các hợp chất hữu cơ hòa tan vào pha lỏng và gây khó khăn cho việc tinh chế phân đoạn sau đó.
• Ranh giới an toàn của keo tụ hóa học: Việc sử dụng chất trợ keo tụ tổng hợp bị kiểm soát nghiêm ngặt bởi các quy chuẩn an toàn thực phẩm. Dư lượng polyme tồn dư hoặc ion kim loại nặng làm mất giá trị xuất khẩu của sinh khối sang các thị trường tiêu chuẩn cao.
• Chi phí suy thoái màng: Trong hệ thống lọc màng áp lực, năng lượng tiêu thụ cho máy bơm tuần hoàn dòng chảy tiếp tuyến và chi phí thay thế màng khi màng bị nghẽn không thể phục hồi thường làm gia tăng đáng kể chi phí vận hành biến đổi.

Xu hướng phát triển công nghệ hiện đại tập trung vào mô hình thu hoạch hai giai đoạn tích hợp. Giai đoạn một sử dụng các phương pháp tiêu tốn ít năng lượng như keo tụ bằng polyme sinh học, tự keo tụ hoặc lắng tuyển nổi để cô đặc thể tích ban đầu lên nhiều lần. Giai đoạn hai áp dụng ly tâm hoặc lọc màng trên dòng sinh khối đã được làm đặc để tạo ra bánh sinh khối cuối cùng. Cách tiếp cận kết hợp này giúp giảm hàng chục lần lưu lượng chất lỏng cần đưa qua thiết bị ly tâm, cắt giảm đáng kể chi phí vận hành và mở ra tiềm năng thương mại hóa bền vững cho ngành công nghệ sinh khối.