Lên men chìm là phương pháp chủ đạo để sản xuất các chế phẩm sinh học giá trị cao ở quy mô công nghiệp. Trong bài viết dưới đây, MT sẽ phân tích chi tiết hơn về hệ thống lên men chìm là gì, cấu tạo, quy trình sản xuất và ứng dụng của phương pháp lên men chìm. Qua đó, giúp bạn hiểu đúng công nghệ và dễ dàng đánh giá, lựa chọn hệ thống phù hợp với nhu cầu sản xuất.
Lên men chìm là gì?
Lên men chìm là quá trình nuôi cấy vi sinh vật trong môi trường lỏng chứa đầy đủ các chất dinh dưỡng cần thiết (nguồn carbon, nitơ, khoáng chất). Trong phương pháp này, vi sinh vật phát triển ở trạng thái lơ lửng trong dung dịch hoặc tạo thành các hạt (pellets), phân tán đều trong toàn bộ thể tích của thiết bị phản ứng.
Khác với lên men bề mặt (nuôi cấy trên cơ chất rắn), lên men chìm cho phép kiểm soát chặt chẽ các thông số hóa lý quan trọng như nhiệt độ, pH, nồng độ oxy hòa tan và tốc độ khuấy trộn. Nhờ môi trường lỏng đồng nhất, quá trình trao đổi chất diễn ra mạnh mẽ, giúp thu hồi sản phẩm (enzyme, kháng sinh, protein đơn bào) dễ dàng hơn và phù hợp cho việc tự động hóa quy mô lớn.
Thiết bị chính của hệ thống lên men chìm công nghiệp
Hệ thống lên men chìm công nghiệp (Bioreactor) là một tổ hợp cơ khí – tự động hóa phức tạp. Hệ thống bao gồm các thành phần chính sau:
Lò phản ứng lên men (Fermenter Tank)
Đây là trái tim của hệ thống, thường là bồn chứa hình trụ làm bằng thép không gỉ chất lượng cao (như Inox 316L) để đảm bảo độ bền, chịu áp suất và chống ăn mòn hóa học.
- Thiết kế: Bề mặt bên trong phải được đánh bóng đạt độ nhám Ra < 0.4µm để ngăn ngừa bám dính vi sinh vật và tạo màng sinh học (biofilm).
- Tiệt trùng: Thiết kế phải tuân thủ chuẩn vệ sinh (Sanitary Design), không có góc chết, đảm bảo khả năng Tiệt trùng tại chỗ (SIP) và Vệ sinh tại chỗ (CIP).
Đọc thêm bài viết: Hệ thống CIP/SIP là gì? Loại thiết bị lắp trong hệ thống CIP/SIP
Hệ thống sục khí và phân phối oxy (Aeration System)
Với vi sinh vật hiếu khí, oxy là điều kiện thiết yếu cho sự sinh trưởng và trao đổi chất. Hệ thống này bao gồm:
- Bộ lọc khí vô trùng: Đảm bảo khí đưa vào không chứa tạp nhiễm.
- Sparger (Đầu sục khí): Thường có dạng vòng hoặc tấm xốp, đặt dưới đáy bồn để tạo ra các bọt khí nhỏ, tăng diện tích tiếp xúc khí-lỏng, giúp oxy hòa tan tối đa vào môi trường.
Hệ thống khuấy trộn (Agitation System)
Hệ thống khuấy đóng vai trò đồng nhất nhiệt độ, chất dinh dưỡng và phân tán bọt khí. Cấu tạo gồm:
- Động cơ và trục khuấy: Được gắn kín (thường dùng phớt cơ khí hoặc khớp nối từ) để ngăn nhiễm khuẩn từ bên ngoài.
- Cánh khuấy (Impeller): Có nhiều loại như cánh tuabin Rushton (để đánh tan bọt khí) hoặc cánh chân vịt (để đảo trộn nhẹ nhàng), tùy thuộc vào độ nhớt của dịch lên men và tính nhạy cảm của tế bào.
- Tấm phá bọt (Baffles): Các tấm chắn gắn trên thành bồn để ngăn hiện tượng xoáy lốc, tăng hiệu quả hòa trộn.
Hệ thống làm mát và gia nhiệt (Thermal Control System)
Quá trình lên men sinh ra nhiệt lượng lớn, trong khi vi sinh vật chỉ phát triển ở dải nhiệt độ hẹp.
- Hệ thống thường sử dụng lớp áo nhiệt (Jacket) hoặc ống xoắn ruột gà bên trong bồn để luân chuyển nước lạnh/hơi nóng.
- Bộ trao đổi nhiệt giúp duy trì nhiệt độ chính xác với sai số rất nhỏ (±0.5°C).
Hệ thống đo lường và điều khiển (Instrumentation & Control)
Đây là “bộ não” của hệ thống, bao gồm các cảm biến (sensor) đo đạc liên tục các chỉ số:
- Cảm biến pH và DO (Oxy hòa tan): Giám sát môi trường sống của vi sinh vật.
- Cảm biến nhiệt độ và áp suất: Đảm bảo an toàn và điều kiện tối ưu.
- Cảm biến bọt: Kích hoạt bơm chất phá bọt khi cần thiết.
Toàn bộ tín hiệu được đưa về tủ điều khiển PLC/SCADA để giám sát và điều chỉnh tự động.
Hệ thống cấp nguyên liệu và thu hồi sản phẩm
Bao gồm các đường ống, van vô trùng và bơm nhu động để:
- Bổ sung dinh dưỡng (Fed-batch) hoặc chất điều chỉnh pH (Acid/Base).
- Lấy mẫu kiểm tra mà không làm nhiễm hệ thống.
- Thu hồi dịch lên men sau khi kết thúc chu trình.
Quy trình sản xuất hệ thống lên men chìm công nghiệp
Để tạo ra một hệ thống lên men đạt chuẩn GMP/FDA, MT phải tuân thủ quy trình chế tạo nghiêm ngặt:
Bước 1: Tư vấn và Thiết kế (URS & Design)
Dựa trên yêu cầu người dùng (URS) về loại vi sinh vật và quy mô, kỹ sư sẽ thiết kế bản vẽ 3D, tính toán truyền nhiệt, truyền khối và mô phỏng dòng chảy.
Bước 2: Gia công cơ khí chính xác
Cắt, hàn và tạo hình thép không gỉ. Công đoạn hàn (thường là hàn TIG/Orbital) yêu cầu kỹ thuật cao để mối hàn ngấu, không bị rỗ khí.
Bước 3: Xử lý bề mặt
Mài và đánh bóng bề mặt bên trong đạt độ bóng gương để đảm bảo vô trùng tuyệt đối.
Bước 4: Lắp ráp và tích hợp
Gắn các hệ thống khuấy, đường ống, van, cảm biến và tủ điện điều khiển.
Bước 5: Kiểm tra và Thẩm định (FAT/SAT)
- Kiểm tra áp suất, kiểm tra rò rỉ.
- Kiểm tra chức năng CIP/SIP.
- Nghiệm thu tại nhà máy (FAT) và tại địa điểm lắp đặt (SAT) để đảm bảo hệ thống vận hành đúng thông số thiết kế.
Ứng dụng của phương pháp lên men chìm
Nhờ khả năng kiểm soát vượt trội, phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong:
- Công nghiệp Dược phẩm: Sản xuất kháng sinh (Penicillin, Cephalosporin), vaccine, hormone tăng trưởng và các dược chất sinh học.
- Công nghiệp Thực phẩm: Sản xuất men bia, rượu vang, giấm, acid hữu cơ (Acid Citric, Acid Lactic) và các loại acid amin (Lysine, Glutamate).
- Sản xuất Enzyme: Các loại enzyme công nghiệp như Amylase, Protease dùng trong chế biến thực phẩm và chất tẩy rửa.
- Nông nghiệp và Môi trường: Sản xuất chế phẩm vi sinh xử lý nước thải, phân bón sinh học và thuốc trừ sâu sinh học.
Hệ thống lên men chìm là nền tảng của công nghệ sinh học công nghiệp. Việc đầu tư vào một hệ thống chất lượng cao, được thiết kế chuẩn xác là yếu tố then chốt quyết định năng suất và chất lượng sản phẩm cuối cùng. MT tự hào là đơn vị tiên phong trong lĩnh vực tư vấn, thiết kế và chế tạo các hệ thống lên men từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp. Hãy liên hệ với MT để được tư vấn giải pháp phù hợp nhất cho dự án của bạn.
