Trong bối cảnh công nghiệp hóa mạnh mẽ, hệ thống lên men giữ vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo tính ổn định của quy trình sản xuất. Không chỉ dừng lại ở kỹ thuật sinh học truyền thống, các hệ thống hiện đại còn ứng dụng bioreactor, công nghệ CIP/SIP và các giải pháp tự động hóa để kiểm soát điều kiện vận hành chính xác hơn. Tham khảo bài viết sau của MT để hiểu rõ hệ thống này và đưa ra quyết định đầu tư hiệu quả, phù hợp định hướng phát triển.

Giới thiệu về hệ thống lên men

Hệ thống lên men là một quy trình sinh học sử dụng vi sinh vật, enzyme hoặc tế bào để chuyển hóa các chất hữu cơ thành sản phẩm hữu ích, chẳng hạn như rượu, bia, kháng sinh hoặc thực phẩm chức năng. Trong môi trường công nghiệp, hệ thống lên men thường được thực hiện trong các bioreactor – thiết bị chuyên dụng giúp kiểm soát môi trường nuôi cấy, đảm bảo hiệu suất cao và an toàn vệ sinh.

Vai trò của hệ thống lên men trong sản xuất công nghiệp là rất lớn, đặc biệt trong các lĩnh vực như dược phẩm (sản xuất vaccine, kháng sinh), thực phẩm (sữa chua, probiotic), và năng lượng sinh học (ethanol từ phế thải nông nghiệp). Theo các nghiên cứu từ ScienceDirect, hệ thống lên men giúp tối ưu hóa quy trình bằng cách tích hợp tự động hóa, giảm thiểu rủi ro ô nhiễm và tăng năng suất lên đến 30-50% so với phương pháp truyền thống.

Cấu tạo hệ thống lên men vi sinh

Khác với các phương pháp thủ công truyền thống, lên men công nghiệp yêu cầu sự kiểm soát nghiêm ngặt về vô trùng và các thông số kỹ thuật. Cấu tạo của hệ thống tiêu chuẩn thường bao gồm các thành phần chính sau:

• Bồn lên men (Vessel): Thường làm bằng thép không gỉ (Inox 316L) để chống ăn mòn và đảm bảo vệ sinh.
• Hệ thống khuấy trộn (Agitation System): Đảm bảo sự đồng nhất của môi trường nuôi cấy.
• Hệ thống kiểm soát nhiệt độ: Áo nước (Jacket) hoặc ống xoắn ruột gà.
• Hệ thống sục khí (Aeration): Cung cấp oxy vô trùng cho quá trình lên men hiếu khí.
• Hệ thống cảm biến và điều khiển (Control System): Giám sát pH, DO (oxy hòa tan), nhiệt độ, bọt, áp suất.
• Hệ thống CIP/SIP: Vệ sinh và tiệt trùng tại chỗ.

Nguyên lý hoạt động chính của thiết bị lên men

Để vận hành thiết bị lên men hiệu quả, người kỹ sư cần nắm vững nguyên lý hoạt động dựa trên ba quá trình cốt lõi sau đây:

Truyền khối

Đây là yếu tố quan trọng nhất trong lên men vi sinh hiếu khí. Oxy từ khí nén được sục vào đáy bồn, sau đó cánh khuấy sẽ phân tán các bọt khí này thành kích thước nhỏ nhất để tăng diện tích tiếp xúc, giúp oxy hòa tan vào môi trường lỏng để vi sinh vật hấp thụ. Chỉ số kLa (hệ số truyền khối oxy) là thước đo quan trọng để đánh giá hiệu suất của thiết bị.

Truyền nhiệt

Quá trình lên men sinh ra lượng nhiệt lớn do hoạt động trao đổi chất của tế bào. Nếu không giải nhiệt kịp thời, nhiệt độ tăng cao sẽ giết chết vi sinh vật. Hệ thống áo nước (double jacket) bao quanh thân bồn sẽ luân chuyển nước lạnh để duy trì nhiệt độ ổn định (thường là 30°C – 37°C) với sai số chỉ ±0.1°C nhờ bộ điều khiển PID.

Động học phản ứng sinh học

Trong môi trường được kiểm soát, vi sinh vật sẽ tiêu thụ cơ chất (đường, đạm, muối khoáng) để tăng sinh khối và tạo ra sản phẩm. Hệ thống điều khiển tự động sẽ dựa trên tín hiệu cảm biến để bổ sung dinh dưỡng (Fed-batch) hoặc điều chỉnh pH (bằng Acid/Base) nhằm tối ưu hóa tốc độ phản ứng.

Ưu điểm của thiết bị lên men so với phương pháp thủ công

Việc chuyển đổi từ sản xuất thủ công sang sử dụng hệ thống lên men tự động mang lại những lợi thế vượt trội mang tính chiến lược cho doanh nghiệp. Cụ thể:

• Đảm bảo vô trùng tuyệt đối: Hệ thống kín hoàn toàn kết hợp với quy trình khử trùng CIP/SIP giúp loại bỏ 99.9% nguy cơ nhiễm tạp khuẩn, yếu tố sống còn trong ngành dược phẩm.
• Khả năng mở rộng quy mô: Dễ dàng nâng cấp quy trình từ quy mô phòng thí nghiệm (1-10 lít) lên quy mô pilot và sản xuất công nghiệp (10.000 – 100.000 lít) với các thông số đồng dạng.
• Tính nhất quán của sản phẩm: Nhờ hệ thống điều khiển tự động hóa lên men, chất lượng sản phẩm giữa các mẻ (batch) luôn đồng đều, đáp ứng các tiêu chuẩn GMP, FDA.
• Tiết kiệm chi phí vận hành: Tối ưu hóa việc sử dụng nguyên liệu, giảm nhân công vận hành và giảm thiểu tỷ lệ mẻ hỏng.
• Dữ liệu minh bạch: Mọi thông số quá trình đều được ghi lại (Data logging), phục vụ cho việc truy xuất nguồn gốc và R&D.

Quy trình nuôi cấy vi sinh vật bằng thiết bị lên men đạt tiêu chuẩn

Để đạt hiệu suất tối đa, quy trình vận hành thiết bị lên men cần tuân thủ nghiêm ngặt các bước sau đây. Quy trình này được tổng hợp dựa trên các thực hành tốt nhất trong công nghiệp:

Giai đoạn chuẩn bị:

Chọn giống vi sinh vật (như Lactobacillus cho lên men lactic), chuẩn bị môi trường dinh dưỡng (glucoza, muối khoáng). Thiết bị được khử trùng SIP ở 121°C trong 20-30 phút để loại bỏ tạp khuẩn.

Quá trình nuôi cấy:

Bơm giống vào bồn lên men, kích hoạt khuấy trộn ở tốc độ 100-300 rpm. Hệ thống cảm biến theo dõi và điều chỉnh: Nhiệt độ (30-40°C cho vi khuẩn), pH (5-7), oxy hòa tan (20-50% cho hiếu khí), độ ẩm và dinh dưỡng. Quá trình kéo dài 24-72 giờ, với tự động hóa PLC điều chỉnh thời gian thực để tránh stress cho vi sinh vật.

Thu hoạch và xử lý sản phẩm:

Khi đạt đỉnh sinh khối, thu hoạch qua lọc ly tâm hoặc màng lọc. Sản phẩm được kiểm tra chất lượng, đảm bảo an toàn thực phẩm theo tiêu chuẩn ISO 22000.

Các yếu tố ảnh hưởng chính bao gồm nhiệt độ (ảnh hưởng tốc độ enzyme), pH (ảnh hưởng hoạt tính vi sinh), oxy hòa tan (quyết định loại lên men), và dinh dưỡng (cân bằng C/N). Theo MDPI, kiểm soát chặt chẽ có thể tăng hiệu suất lên 25%.

Lưu ý trong quá trình vận hành: Theo dõi định kỳ cảm biến để tránh lệch lạc, bảo dưỡng CIP/SIP hàng tuần, và ghi chép dữ liệu để tối ưu hóa. Tránh thay đổi đột ngột thông số để ngăn chặn chết giống.

Lưu ý trong quá trình vận hành thiết bị lên men

Vận hành hệ thống lên men đòi hỏi kỹ thuật viên phải có kiến thức chuyên môn và sự cẩn trọng. Dưới đây là các lưu ý sống còn:

• Hiệu chuẩn cảm biến: Các đầu dò pH và DO phải được hiệu chuẩn (Calibrate) chính xác trước mỗi mẻ lên men. Sai số pH có thể làm biến tính sản phẩm.
• Kiểm soát áp suất dương: Luôn duy trì áp suất dương trong bồn (khoảng 0.5 – 1 bar) để ngăn vi khuẩn từ môi trường bên ngoài xâm nhập vào.
• Chất lượng khí nén: Khí cấp vào phải đi qua màng lọc vô trùng 0.2µm để đảm bảo không mang theo tạp chất và vi sinh vật lạ.
• Bảo trì phớt cơ khí: Đây là bộ phận dễ hỏng nhất và là nguyên nhân chính gây rò rỉ hoặc nhiễm khuẩn. Cần kiểm tra định kỳ nước làm mát cho phớt.
• Xử lý sự cố mất điện: Hệ thống cần có bộ lưu điện (UPS) cho bộ điều khiển và máy phát điện dự phòng để duy trì khuấy trộn, tránh lắng cặn và chết vi sinh.

Ứng dụng của hệ thống lên men vi sinh trong đời sống

Hệ thống lên men có ứng dụng rộng rãi, mang lại giá trị kinh tế và xã hội cao. Cụ thể được sử dụng trong các lĩnh vực sau:

• Ngành dược phẩm: Sản xuất kháng sinh (Penicillin từ Penicillium), vitamin (B12 từ Propionibacterium), enzyme và một số loại vaccine như COVID-19 thông qua nuôi cấy tế bào trong bioreactor.
• Thực phẩm chức năng: Lên men lactic cho probiotic trong sữa chua, kefir. Hệ thống lên men công nghiệp sản xuất hàng loạt, đảm bảo chất lượng đồng đều.
• Nông nghiệp: Sản xuất phân bón sinh học từ vi sinh vật cố định đạm, hoặc chế phẩm vi sinh cho bảo vệ cây trồng.
• Năng lượng: Lên men ethanol sinh học từ phế thải nông nghiệp như rơm rạ. Theo Frontiers, dự án tại Việt Nam sử dụng hệ thống lên men để sản xuất biogas từ chất thải, giảm phát thải CO2 và cung cấp năng lượng tái tạo.

Top 5+ Thiết bị lên men nuôi cấy vi sinh vật tốt nhất

Để xây dựng một dây chuyền sản xuất sinh học đạt chuẩn GMP và tối ưu hóa hiệu suất, doanh nghiệp không thể bỏ qua các thiết bị chủ lực sau đây:

Bồn lên men Inox 316L (Fermentation Vessel)

Bồn lên men là thiết bị trung tâm nơi diễn ra toàn bộ phản ứng sinh học. Toàn bộ thân bồn được chế tạo từ Inox 316L cao cấp, bề mặt đánh bóng cơ học hoặc điện hóa đạt độ nhẵn Ra < 0.4 µm giúp hạn chế bám dính và chống ăn mòn. Hệ thống có dải dung tích linh hoạt từ 10–20L cho nghiên cứu đến 1.000–10.000L cho sản xuất công nghiệp. Bồn tích hợp áo nhiệt hai lớp và cánh khuấy chuyên dụng như Rushton hoặc Marine để đảm bảo truyền nhiệt và truyền khối tối ưu.

Hệ thống khuấy trộn thông minh tích hợp biến tần (VFD)

Hệ thống khuấy trộn đóng vai trò quyết định khả năng hòa tan oxy (kLa) trong môi trường lên men. Nhờ sử dụng động cơ servo hoặc AC kết hợp biến tần VFD, tốc độ khuấy được điều chỉnh vô cấp, giúp tối ưu lực cắt và bảo vệ các dòng tế bào nhạy cảm. Thiết kế này vận hành êm ái, giảm rung ồn và tiết kiệm điện năng đáng kể so với động cơ truyền thống, đồng thời nâng cao độ ổn định của quá trình sinh học.

Module cảm biến và giám sát dữ liệu SCADA

Module SCADA được xem như “bộ não” của toàn bộ hệ thống lên men, chịu trách nhiệm ghi nhận và điều khiển các tham số vận hành. Hệ thống liên tục giám sát các chỉ số pH, DO, nhiệt độ, áp suất và mức bọt theo thời gian thực. Nhờ giao diện HMI trực quan, SCADA hỗ trợ cảnh báo qua email/tin nhắn, tự động lưu trữ dữ liệu và đảm bảo khả năng truy xuất theo tiêu chuẩn 21 CFR Part 11, giúp quy trình trở nên số hóa và minh bạch hơn.

Hệ thống vệ sinh CIP và tiệt trùng SIP tự động

CIP/SIP là giải pháp tự động hóa hoàn toàn các bước làm sạch và tiệt trùng, thay thế thao tác thủ công ở những công đoạn yêu cầu vô trùng cao. CIP sử dụng hóa chất hoặc nước nóng phun rửa tuần hoàn qua các đầu spray ball để loại bỏ cặn bẩn, trong khi SIP dùng hơi nước bão hòa 121°C để khử khuẩn triệt để. Toàn bộ quy trình được lập trình trên PLC, đảm bảo tính lặp lại chính xác và hạn chế tối đa nguy cơ nhiễm chéo giữa các mẻ sản xuất.

Bộ nạp liệu và phòng điều khiển vô trùng (Aseptic Inoculation)

Đây là hệ thống quan trọng nhất để đưa giống vào bồn mà không mang theo tạp khuẩn. Thiết bị này sử dụng các van màng vô trùng và cổng cấy giống được bảo vệ bằng lửa hoặc hơi, giúp duy trì độ sạch tuyệt đối. Toàn bộ quá trình thường được thực hiện trong khu vực sạch Class 1000–10.000, đảm bảo an toàn và ổn định cho chủng vi sinh ban đầu.

>>> Xem thêm:

• Hệ thống nuôi cấy Bioreactor tế bào vi sinh vật
• Máy lên men vi sinh Fermenter
• Housing lọc chất lỏng, Housing lọc lõi vi sinh
• Hệ thống lọc tiếp tuyến trong sản xuất sinh học
• Bơm GEA Hilge, Bơm ly tâm GEA

Mua thiết bị lên men ở đâu uy tín, chất lượng?

Việc lựa chọn thiết bị lên men không chỉ phụ thuộc vào giá thành mà còn liên quan đến chất lượng kỹ thuật, độ ổn định và khả năng mở rộng trong tương lai. Một hệ thống đạt chuẩn cần đảm bảo đồng bộ từ thiết kế, chế tạo đến tự động hóa, điều mà không phải đơn vị nhập khẩu thương mại nào cũng đáp ứng.

Để đảm bảo hiệu quả lâu dài, doanh nghiệp nên lựa chọn nhà cung cấp đáp ứng các tiêu chí sau:

• Có năng lực Engineering & Manufacturing thực sự, thiết kế theo yêu cầu.
• Hỗ trợ tùy biến hệ thống SCADA và tự động hóa theo nhu cầu vận hành.
• Tuân thủ tiêu chuẩn quốc tế như ASME, GMP-WHO, FDA 21 CFR Part 11.
• Cung cấp hỗ trợ kỹ thuật 24/7, đảm bảo vận hành ổn định.

Trong số các đơn vị trong nước, MT là lựa chọn tiên phong, chuyên cung cấp:

• Thiết kế – chế tạo – lắp đặt hệ thống lên men, CIP/SIP và các thiết bị xử lý sinh học.
• Giải pháp cho ngành dược phẩm, F&B và công nghệ sinh học.
• Hỗ trợ trọn gói từ tư vấn, thiết kế đến nghiệm thu vận hành, giúp tối ưu công nghệ và nâng cao hiệu suất sản xuất.

Nếu bạn đang tìm đối tác tin cậy để đầu tư hệ thống lên men hiện đại và bền vững, MT là lựa chọn xứng đáng để đồng hành lâu dài. Liên hệ ngay để được tư vấn chi tiết và nhận giải pháp phù hợp nhất.

• Địa chỉ: TK40/10 Đường Trần Hưng Đạo, Phường Cầu Ông Lãnh, TP. Hồ Chí Minh, Việt Nam
• Hotline: 0767 067 567
• Email:equipment@gmail.com