Thiết bị lên men ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất vi sinh?

Trong công nghệ sinh học hiện đại, hiệu suất vi sinh là chỉ số cốt lõi quyết định thành công của quá trình lên men, từ quy mô phòng thí nghiệm đến sản xuất công nghiệp. Bên cạnh yếu tố giống vi sinh, môi trường dinh dưỡng hay quy trình vận hành, thiết bị lên men (bioreactor/fermenter) đóng vai trò nền tảng nhưng thường bị đánh giá thấp.

Theo báo cáo của Markets and Markets (2024), hơn 60% sự cố suy giảm năng suất lên men công nghiệp có nguyên nhân liên quan đến thiết kế, vật liệu hoặc điều kiện vận hành thiết bị. Điều này cho thấy: thiết bị không chỉ là “vỏ chứa”, mà trực tiếp chi phối sinh trưởng, trao đổi chất và khả năng tạo sản phẩm của vi sinh vật. Bài viết này sẽ giới thiệu một hệ thống thiết bị lên men ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất vi sinh.

Hiệu suất vi sinh là gì?

Khái niệm hiệu suất vi sinh

Hiệu suất vi sinh (Microbial Performance / Fermentation Efficiency) là tập hợp các chỉ số phản ánh khả năng của vi sinh vật trong quá trình lên men, bao gồm:

• Tốc độ sinh trưởng của tế bào (cell growth rate)
• Mật độ sinh khối đạt được (biomass concentration)
• Hiệu suất chuyển hóa cơ chất → sản phẩm (yield coefficient)
• Độ ổn định hoạt tính sinh học (enzyme, acid, kháng sinh, metabolite)
• Tính đồng nhất giữa các mẻ lên men

Vì sao hiệu suất vi sinh đặc biệt quan trọng?

Trong sản xuất chế phẩm sinh học, enzyme, probiotic, vaccine hay sinh phẩm nông nghiệp:

Chênh lệch 5–10% hiệu suất vi sinh có thể làm thay đổi toàn bộ bài toán chi phí

Hiệu suất thấp kéo theo:

• Tiêu hao nhiều nguyên liệu
• Tăng nguy cơ nhiễm tạp
• Giảm độ ổn định chất lượng sản phẩm

Thiết bị lên men ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất vi sinh?

Thiết bị lên men không chỉ là “bình chứa”

Trong quan điểm truyền thống, thiết bị lên men được xem là nơi “giữ” vi sinh vật. Tuy nhiên, theo GS. Paul Todd: “Bioreactor chính là hệ sinh thái nhân tạo, nơi mọi thông số vật lý đều có thể thay đổi hành vi sinh học của vi sinh vật.”

Nói cách khác, thiết bị lên men trực tiếp quyết định môi trường sống của vi sinh, từ đó ảnh hưởng đến:

• Hô hấp hiếu khí / kỵ khí
• Cơ chế trao đổi chất
• Biểu hiện gene liên quan đến tổng hợp sản phẩm

Để hiểu rõ hơn về các loại thiết bị lên men cũng như ứng dụng thực tiễn trong sản xuất công nghiệp sinh học, việc lựa chọn hệ thống phù hợp là yếu tố then chốt giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

Ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng của vi sinh

Thiết bị lên men tác động đến sinh trưởng vi sinh thông qua:

• Khả năng khuấy trộn → phân bố dinh dưỡng
• Khả năng cấp khí → oxy hòa tan (DO)
• Khả năng kiểm soát nhiệt → ổn định enzyme nội bào

Ảnh hưởng đến hiệu suất tạo sản phẩm

Nhiều vi sinh vật:

• Chỉ tạo enzyme, kháng sinh hoặc acid hữu cơ ở điều kiện stress nhẹ
• Rất nhạy cảm với shear stress (lực cắt)

Thiết bị lên men với:

• Khuấy quá mạnh → phá vỡ màng tế bào
• Khuấy không đều → vùng chết, thiếu dinh dưỡng

→ đều làm giảm hiệu suất sản phẩm, dù vi sinh vẫn “sống”.

Các yếu tố kỹ thuật của thiết bị lên men ảnh hưởng trực tiếp đến vi sinh

Thiết kế hình học và thể tích làm việc

Hình dạng bồn lên men (thân trụ, đáy cầu, đáy nón) ảnh hưởng đến:

• Dòng chảy chất lỏng
• Khả năng thoát khí
• Vùng lắng cặn vi sinh

Theo Eibl & Eibl – Cell and Tissue Reaction Engineering:

• • Thiết kế đáy cầu giúp giảm vùng chết tới 30% so với đáy phẳng

• Thể tích làm việc lý tưởng thường chỉ đạt 70–80% dung tích danh định

Hệ thống khuấy trộn (Agitation system)

Khuấy trộn là yếu tố tác động mạnh nhất đến vi sinh.

Các thông số ảnh hưởng:

• Loại cánh khuấy (Rushton, Marine, Pitch blade…)
• Tốc độ quay (rpm)
• Vị trí và số lượng cánh

Ví dụ:

• Vi sinh hiếu khí (E. coli, Bacillus): cần khuấy mạnh để cấp oxy
• Vi sinh nhạy cảm (nấm men, tế bào động vật): cần khuấy nhẹ, tránh shear stress

Hệ thống cấp khí và kiểm soát oxy hòa tan (DO)

Oxy là yếu tố giới hạn chính trong lên men hiếu khí.

Thiết bị lên men ảnh hưởng đến DO thông qua:

• Bộ phân phối khí (sparger)
• Áp suất vận hành
• Kết hợp khuấy – sục khí

Kiểm soát nhiệt độ và pH

Thiết bị lên men hiện đại tích hợp:

• Áo gia nhiệt / làm mát
• Cảm biến pH, nhiệt độ online
• Hệ thống điều khiển tự động

Sự dao động:

• ±1°C
• ±0,2 đơn vị pH

cũng có thể làm:

• Giảm hoạt tính enzyme nội bào
• Thay đổi biểu hiện gene

Mức độ vô trùng của thiết bị lên men

Mức độ vô trùng của thiết bị lên men và ảnh hưởng đến hiệu suất gồm:

Vô trùng – điều kiện tiên quyết của hiệu suất vi sinh

Không có vô trùng → không có hiệu suất.

Thiết bị lên men phải đảm bảo:

• SIP (Sterilization in Place)
• CIP (Cleaning in Place)
• Vật liệu không bám vi sinh

Theo WHO và tiêu chuẩn GMP: Nhiễm tạp vi sinh dù ở mức thấp cũng có thể làm sai lệch hoàn toàn kết quả lên men.

Ảnh hưởng trực tiếp của nhiễm tạp

Nhiễm vi sinh lạ gây ra:

• Cạnh tranh dinh dưỡng
• Thay đổi pH môi trường
• Tiết enzyme phân hủy sản phẩm mong muốn

Một báo cáo của FDA (2021) ghi nhận:

• Hơn 35% mẻ lên men sinh phẩm bị loại bỏ do lỗi vô trùng thiết bị
• Thiệt hại trung bình mỗi mẻ có thể lên đến hàng trăm nghìn USD

Vật liệu thiết bị và khả năng chống nhiễm

Thiết bị lên men chất lượng cao thường sử dụng:

• Thép không gỉ 316L
• Bề mặt đánh bóng Ra < 0,6 µm
• Mối hàn đạt chuẩn ASME BPE

Những yếu tố này giúp:

• Hạn chế biofilm
• Dễ làm sạch
• Tăng độ ổn định vi sinh giữa các mẻ

Kết luận

Tổng hợp các phân tích trên cho thấy thiết bị lên men ảnh hưởng trực tiếp và toàn diện đến hiệu suất vi sinh. Tác động từ:

• Thiết kế
• Khuấy trộn
• Cấp khí
• Kiểm soát nhiệt – pH
• Mức độ vô trùng

Đầu tư vào thiết bị phù hợp không chỉ giúp:

• Tăng năng suất
• Ổn định chất lượng
• Giảm rủi ro

mà còn tạo nền tảng để mở rộng quy mô và chuẩn hóa sản xuất.

Chính vì vậy, việc lựa chọn đơn vị cung cấp thiết bị lên men uy tín, am hiểu sâu về công nghệ sinh học và quy trình sản xuất là yếu tố then chốt giúp doanh nghiệp khai thác tối đa hiệu suất vi sinh. Trong đó, MT được đánh giá là đối tác đáng tin cậy trong việc tư vấn, thiết kế và cung cấp hệ thống thiết bị lên men phù hợp với từng bài toán công nghệ, từ quy mô phòng thí nghiệm đến sản xuất công nghiệp.