Lên men hiếu khí ngày càng khẳng định vai trò quan trọng trong việc tạo ra sinh khối, enzyme và các hợp chất hữu cơ có giá trị cao. Khác với các quy trình lên men kỵ khí truyền thống, phương pháp này yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hàm lượng oxy hòa tan nhằm đảm bảo sự sinh trưởng tốt nhất của vi sinh vật. Bài viết dưới đây, MT sẽ cung cấp thông tin về nguyên lý hoạt động, các yếu tố kỹ thuật và hệ thống thiết bị cần thiết cho quá trình này.
Quá trình lên men hiếu khí là gì?
Quá trình lên men hiếu khí không chỉ là sự trao đổi chất đơn thuần mà là nền tảng của nhiều ngành công nghiệp hiện đại.
Lên men hiếu khí (Aerobic Fermentation) là quá trình nuôi cấy vi sinh vật trong điều kiện có oxy. Tại đây, vi sinh vật sử dụng oxy làm chất nhận electron cuối cùng trong chuỗi hô hấp tế bào để oxy hóa các cơ chất hữu cơ (như đường, tinh bột), từ đó sinh trưởng và tạo ra các sản phẩm trao đổi chất mong muốn.
Khác với lên men kỵ khí (thường thấy trong sản xuất rượu hoặc lên men acid lactic truyền thống), quá trình hiếu khí tạo ra lượng năng lượng (ATP) lớn hơn rất nhiều, giúp vi sinh vật tăng sinh khối nhanh chóng. Trong tự nhiên, đây là cơ chế giúp phân hủy xác thực vật, làm giàu đất. Trong công nghiệp, nó được ứng dụng để sản xuất kháng sinh, vitamin, enzyme và xử lý nước thải.
Ví dụ thực tế: Quá trình sản xuất giấm ăn từ rượu loãng là một dạng lên men hiếu khí điển hình, nơi vi khuẩn Acetobacter chuyển hóa ethanol thành acid acetic khi có đủ oxy.
Đặc điểm và yêu cầu lên men hiếu khí
Để triển khai hiệu quả một mẻ nuôi cấy hiếu khí, đội ngũ kỹ sư và nhà quản lý sản xuất cần nắm rõ 4 đặc điểm kỹ thuật then chốt sau đây:
Sự có mặt của oxy
Đây là yếu tố tiên quyết và cũng là thách thức lớn nhất. Oxy ít tan trong nước, do đó việc cung cấp oxy liên tục (thông qua sục khí và khuấy trộn) là bắt buộc. Nồng độ oxy hòa tan phải được duy trì ổn định, thường từ 20 – 40% độ bão hòa. Nếu thiếu oxy, vi sinh vật có thể chuyển sang trạng thái trao đổi chất kỵ khí không mong muốn hoặc ngừng phát triển.
Thiết bị hỗ trợ: Hệ thống Sparger (sục khí) và cánh khuấy trong các bồn thiết bị lên men.
Hiệu suất cao
So với lên men yếm khí, quá trình hiếu khí mang lại hiệu suất sinh năng lượng và sinh khối vượt trội. Vi sinh vật chuyển hóa cơ chất triệt để hơn, không để lại các sản phẩm phụ chưa oxy hóa hoàn toàn (như cồn hay axit hữu cơ mạch ngắn) trừ khi đó là mục tiêu sản xuất (ví dụ: sản xuất giấm). Điều này đặc biệt quan trọng trong việc sản xuất protein đơn bào, enzyme hoặc các chế phẩm sinh học.
Thời gian ngắn hơn
Do năng lượng được tạo ra dồi dào, tốc độ phân chia tế bào và trao đổi chất diễn ra rất nhanh. Chu trình lên men hiếu khí thường ngắn hơn đáng kể so với các quy trình kỵ khí, giúp tăng vòng quay sản xuất và năng suất nhà máy. Ví dụ, việc nhân giống nấm men hiếu khí có thể hoàn thành trong 24 – 48 giờ, nhanh hơn nhiều so với quy trình ủ rượu kéo dài hàng tuần.
Yêu cầu năng lượng cao
Mặc dù tạo ra nhiều năng lượng sinh học, nhưng quá trình vận hành lại tiêu tốn nhiều năng lượng điện năng. Các hệ thống máy nén khí, động cơ khuấy trộn công suất lớn và hệ thống làm mát (do quá trình sinh nhiệt lớn) hoạt động liên tục khiến chi phí vận hành (OPEX) của kỹ thuật lên men hiếu khí thường cao hơn. Do đó, việc thiết kế hệ thống tối ưu năng lượng là bài toán kinh tế dài hạn.
Các thiết bị và hệ thống sử dụng trong lên men hiếu khí
Trong quy mô lên men công nghiệp, việc lựa chọn thiết bị phù hợp là yếu tố tiên quyết.
Các loại hệ thống phổ biến
- Bể lên men có cánh khuấy (Stirred Tank Bioreactor): Loại phổ biến nhất, sử dụng cánh khuấy cơ học và hệ thống sục khí (Sparger) để cung cấp oxy.
- Hệ thống Airlift: Sử dụng luồng khí nén để tạo sự tuần hoàn lỏng, giảm lực cắt (shear stress) lên tế bào nhạy cảm.
- Bể Aerotank/MBR: Thường dùng trong xử lý nước thải, kết hợp sục khí cưỡng bức để phân hủy chất hữu cơ.
Vật liệu chế tạo
Vật liệu inox 304 hoặc 316L được xem là tiêu chuẩn vàng trong sản xuất thiết bị lên men.
- Ưu điểm: Chống ăn mòn, chịu được nhiệt độ cao khi tiệt trùng, bề mặt trơn nhẵn giúp dễ dàng vệ sinh (CIP) và ngăn ngừa màng sinh học bám dính.
Công nghệ điều khiển
Các hệ thống lên men hiện đại đều được tích hợp cảm biến đo DO, pH, nhiệt độ và bọt tự động, kết nối với PLC để điều chỉnh theo thời gian thực.
Quá trình lên men hiếu khí trong công nghệ sinh học
Một quy trình lên men hiếu khí chuẩn trong công nghiệp thường bao gồm 6 bước chặt chẽ, từ khâu chuẩn bị đến xử lý sau cùng. Bất kỳ sai sót nào trong chuỗi này cũng có thể dẫn đến nhiễm tạp hoặc giảm chất lượng sản phẩm.
Chuẩn bị môi trường
Nguyên liệu (cơ chất carbon, nitơ, khoáng chất) được phối trộn theo công thức tối ưu. Đặc biệt, môi trường và thiết bị phải được tiệt trùng tuyệt đối (thường ở 121°C) để loại bỏ vi sinh vật lạ. Các bồn chứa thường được chế tạo từ vật liệu inox 304 hoặc 316L để chịu được nhiệt độ cao và đảm bảo vệ sinh, không gây phản ứng hóa học với môi trường nuôi cấy.
Cấy khuẩn (Inoculation)
Giống vi sinh vật thuần khiết, đã được hoạt hóa ở quy mô phòng thí nghiệm, được cấy chuyền vào bồn lên men chính. Tỷ lệ giống cấy thường chiếm 5-10% thể tích làm việc để đảm bảo vi sinh vật mục tiêu chiếm ưu thế ngay từ đầu, lấn át các tạp khuẩn tiềm ẩn.
Lên men (Fermentation)
Đây là giai đoạn chính. Hệ thống tự động sẽ kiểm soát chặt chẽ:
- Nhiệt độ: Duy trì mức phù hợp cho enzyme hoạt động.
- pH: Điều chỉnh tự động bằng acid/base.
- DO (Oxy hòa tan): Điều chỉnh tốc độ khuấy và lưu lượng khí nén.
- Bọt: Sử dụng cảm biến và chất phá bọt để ngăn trào bồn.
Thu hoạch
Khi nồng độ sản phẩm đạt đỉnh hoặc nguồn cơ chất cạn kiệt, quá trình dừng lại. Dịch lên men được bơm ra khỏi bồn để chuẩn bị cho các bước tách chiết.
Tinh chế
Tùy thuộc vào sản phẩm nằm trong tế bào (nội bào) hay ngoài tế bào (ngoại bào), các phương pháp khác nhau sẽ được áp dụng: ly tâm tách sinh khối, phá vỡ tế bào, lọc màng, kết tủa hoặc sắc ký. Mục tiêu là thu được sản phẩm tinh khiết nhất.
Xử lý hạ nguồn
Đây là bước xử lý khí thải lên men và nước thải sau sản xuất. Với các nhà máy hiện đại, nước thải chứa xác vi sinh vật và dinh dưỡng dư thừa thường được xử lý qua hệ thống sinh học hiếu khí trước khi xả ra môi trường, đảm bảo tiêu chuẩn an toàn thực phẩm và môi trường.
Ứng dụng lên men hiếu khí trong công nghệ sinh học
Khả năng ứng dụng của lên men hiếu khí là vô tận, trải dài từ xử lý môi trường đến sản xuất các hợp chất tinh vi phục vụ sức khỏe con người.
Xử lý nước thải
Đây là ứng dụng phổ biến nhất và có quy mô lớn nhất. Trong các bể Aerotank, vi sinh vật hiếu khí sử dụng chất hữu cơ gây ô nhiễm trong nước thải làm thức ăn, phân hủy chúng thành CO₂, nước và sinh khối (bùn hoạt tính). Quy trình này giúp làm sạch nước hiệu quả, giảm thiểu tác động xấu đến hệ sinh thái.
Sản xuất hóa chất và nhiên liệu sinh học
- Enzyme: Hầu hết các enzyme công nghiệp (Amylase, Protease…) dùng trong bột giặt, dệt may đều được sản xuất từ vi khuẩn hoặc nấm mốc hiếu khí.
- Kháng sinh: Penicillin và nhiều loại kháng sinh khác được sinh tổng hợp bởi nấm trong điều kiện sục khí mạnh.
- Nhiên liệu: Mặc dù khí methane (Biogas) là sản phẩm của kỵ khí, nhưng năng lượng tái tạo từ sinh khối nấm men hoặc tảo (nuôi cấy hiếu khí) đang là hướng đi mới để sản xuất biodiesel và bio-jet fuel.
Sản xuất thực phẩm và đồ uống
Trong ngành công nghiệp thực phẩm, quá trình lên men hiếu khí được ứng dụng rất phổ biến, bao gồm:
- Sản xuất giấm: Vi khuẩn Acetobacter oxy hóa rượu thành acid acetic trong điều kiện thoáng khí.
- Sản xuất men bánh mì: Mục tiêu là thu sinh khối nấm men Saccharomyces cerevisiae. Để đạt được điều này, bạn cần sục khí mạnh để ức chế quá trình sinh cồn và kích thích nấm men sinh sản (Hiệu ứng Pasteur).
- Axit hữu cơ: Acid citric (tạo vị chua cho nước ngọt) được sản xuất chủ yếu bằng nấm mốc Aspergillus niger theo phương pháp hiếu khí.
Quá trình lên men hiếu khí mang lại những giải pháp bền vững cho sản xuất thực phẩm, dược phẩm và xử lý môi trường. Việc nắm vững nguyên lý và đầu tư vào hệ thống thiết bị lên men hiện đại không chỉ giúp nâng cao năng suất mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm đầu ra. Nếu bạn đang tìm kiếm một đối tác uy tín để tư vấn, thiết kế và cung cấp hệ thống lên men chuẩn quốc tế, MT chính là lựa chọn hàng đầu. Hãy liên hệ với chúng tôi ngay hôm nay để được tư vấn về các giải pháp công nghệ vi sinh tiên tiến nhất!
