The microalga Haematococcus pluvialis is mainly cultivated in suspended systems for astaxanthin production. Immobilized cultivation on a Twin-Layer porous substrate photobioreactor (TL-PSBR) has recently shown promise as an alternative approach. In Vietnam, a TL-PSBR was constructed as a low-angle (15 °) horizontal system to study the cultivation of H. pluvialis for astaxanthin production. In this study, the biomass and astaxanthin productivities and astaxanthin content in the dry biomass were determined using different initial biomass (inoculum) densities (from 2.5 to 10 g dry weight m⁻²), different storage times of the initial biomass at 4 °C (24, 72, 120 and 168 h) and different light intensities (300–1000 µmol photons m⁻² s⁻¹). The optimal initial biomass density at light intensities between 400–600 µmol photons⁻² s⁻¹ was 5–7.5 g m⁻². Algae stored for 24 h after harvest from suspension for immobilization on the TL-PSBR yielded the highest biomass and astaxanthin productivities, 8.7 g m⁻² d⁻¹ and 170 mg m⁻² d⁻¹, respectively; longer storage periods decreased productivity. Biomass and astaxanthin productivities were largely independent of light intensity between 300–1000 µmol photons m⁻² s⁻¹ but the efficiency of light use per mole photons was highest between 300–500 µmol photons m⁻² s⁻¹. The astaxanthin content in the dry biomass varied between 2–3% (w/w). Efficient supply of CO₂ to the culture medium remains a task for future improvements of angled TL-PSBRs.

In the production of astaxanthin from Haematococcus pluvialis, the process of growing algal biomass in the vegetative green stage is an indispensable step in both suspended and immobilized cultivations. The green algal biomass is usually cultured in a suspension under a low light intensity. However, for astaxanthin accumulation, the microalgae need to be centrifuged and transferred to a new medium or culture system, a significant difficulty when upscaling astaxanthin production. In this research, a small-scale angled twin-layer porous substrate photobioreactor (TL-PSBR) was used to cultivate green stage biomass of H. pluvialis. Under low light intensities of 20–80 µmol photons m⁻²·s⁻¹, algae in the biofilm consisted exclusively of non-motile vegetative cells (green palmella cells) after ten days of culturing. The optimal initial biomass density was 6.5 g·m⁻², and the dry biomass productivity at a light intensity of 80 µmol photons m⁻²·s⁻¹ was 6.5 g·m⁻²·d⁻¹. The green stage biomass of H. pluvialis created in this small-scale angled TL-PSBR can be easily harvested and directly used as the source of material for the inoculation of a pilot-scale TL-PSBR for the production of astaxanthin.

Light-emitting diodes are increasingly used as artificial light sources in Haematococcus pluvialis cultivation due to the fact of their energy advantages. The immobilized cultivation of H. pluvialis in pilot-scale angled twin-layer porous substrate photobioreactors (TL-PSBRs) was initially performed with a 14/10 h light/dark cycle and showed relatively low biomass growth and astaxanthin accumulation. In this study, the illumination time with red and blue LEDs at a light intensity of 120 µmol photons m⁻² s⁻¹ was increased to 16–24 h per day. With a light/dark cycle of 22/2 h, the biomass productivity of the algae was 7.5 g m⁻² day⁻¹, 2.4 times higher than in the 14/10 h cycle. The percentage of astaxanthin in the dry biomass was 2%, and the total amount of astaxanthin was 1.7 g m⁻². Along with the increase in light duration, adding 10 or 20 mM NaHCO₃ to the BG11-H culture medium over ten days of cultivation in angled TL-PSBRs did not increase the total amount of astaxanthin compared with only CO₂ addition at a flow rate of 3.6 mg min⁻¹ to the culture medium. Adding NaHCO₃ with a 30–80 mM concentration inhibited algal growth and astaxanthin accumulation. However, adding 10–40 mM NaHCO₃ caused algal cells to accumulate astaxanthin at a high percentage in dry weight after the first four days in TL-PSBRs.

Thành phần dinh dưỡng của bã tảo H. pluvialis sau khi tách chiết astaxanthin bằng phương pháp xử lí bằng viscozyme và chiết cồn tuyệt đối còn lại 35,5 % protein, 14,9 % béo, 36,8 % glucide, 4,48 % xơ thô và 0,69% astaxanthin. Bã vi tảo được xử lí bằng phương pháp nghiền cơ học kết hợp dung dịch NaOH 0,1M cho thấy hiệu suất tách astaxanthin cao nhất (72,16 %) khi so với các phương pháp khác như: nghiền cơ học kết hợp dung dịch HCl 0,1M (54,75 %), phương pháp dùng dung môi dầu olive kết hợp hấp tiệt trùng (59,26 %), và phương pháp dùng dung môi nước và hấp tiệt trùng (30,54 %). Sự bổ sung bã vi tảo chứa astaxanthin vào trong thức ăn ở các nồng độ astaxanthin 50mg/kg, 100 mg/kg và 150 mg/kg đều có tác dụng tăng cường tạo sắc tố đỏ cho cá Koi Nhật sau 14 ngày khảo sát.

Vi tảo Haematococcus pluvialis hiện nay được nuôi để thu astaxanthin tự nhiên trong các hệ thống nuôi huyền phù hoặc cố định. Khi nuôi tảo theo kiểu quang tự dưỡng, hệ thống chiếu sáng ảnh hưởng rất lớn đến sự sinh trưởng và tích lũy astaxanthin trong tế bào. Trong nghiên cứu này, hệ thống twin-layer porous substrate photobioreactor được sử dụng để nuôi cố định H. pluvialis với chiếu sáng bằng Light Emitting Diode (LED) đơn sắc màu đỏ hoặc lam hoặc kết hợp đỏ và lam đồng thời. Các chu kì sáng/tối khác nhau của LED đỏ và lam được áp dụng và lựa chọn dựa trên tiêu chí sinh trưởng và tích lũy astaxanthin của vi tảo. Sự kết hợp ánh sáng LED đỏ và lam ở cường độ sáng 300-400 µmol photon.m-2.s-1 cho kết quả tăng sinh khối khô và tích lũy astaxanthin cao nhất, với chế độ chiếu sáng 24 giờ sáng:0 giờ tối cho kết quả sinh khối khô vi tảo đạt 111,6 g.m-2 và tích lũy astaxanthin 1,3% chỉ sau 10 ngày nuôi. Việc sử dụng ánh sáng đơn sắc từ LED cho thấy hiệu quả về năng lượng và có khả năng ứng dụng cho việc nuôi cấy tảo cố định trong các hệ thống twin-layer porous substrate photobioreactor quy mô lớn hơn.

Bên cạnh việc nuôi tảo kiểu huyền phù để tăng sinh vi tảo Haematococcus pluvialis giai đoạn sinh dưỡng cung cấp cho các giai đoạn và quy mô nuôi kế tiếp, kiểu nuôi kiểu cố định tảo trong hệ thống PSBR phương nghiêng đã được phát triển trong thời gian gần đây. Trong nghiên cứu này, lần đầu tiên vi tảo H. pluvialis được nuôi kiểu bán liên tục trong các hệ thống PSBR kích thước 0,05 m2 × 3 để tăng sinh khối giai đoạn sinh dưỡng, cung cấp nguồn tảo cho các hệ thống PSBR lớn hơn. Việc thay mới môi trường dinh dưỡng với tỉ lệ 30% (tương đương 1,5 L) mỗi ngày cho kết quả tăng sinh khối có thể đạt tới 76 g.m-2 sau 20 ngày nuôi tảo cố định bán liên tục. Tần số thu hoạch cách nhau 10 ngày và tỉ lệ thu sinh khối tảo 90% mỗi lần thu hoạch cho hiệu quả cao nhất. Tổng lượng sinh khối tảo đang ở giai đoạn sinh dưỡng thu hoạch được là 104 g.m-2.