Bồn Inox Vi Sinh AB-10 Là Gì, Cấu Tạo, Đặc Điểm Và Nguyên Lý Vận Hành

BỒN INOX VI SINH: KHÁI NIỆM, CẤU TẠO, ĐẶC ĐIỂM VÀ NGUYÊN LÝ VẬN HÀNH

I. Giới Thiệu Chung Về Bồn Inox Vi Sinh

Bồn inox vi sinh, hay còn gọi là bồn lên men (fermenter), bioreactor, hoặc bồn nuôi cấy vi sinh, là một thiết bị chuyên dụng được thiết kế để tạo môi trường tối ưu cho sự phát triển của vi sinh vật (vi khuẩn, nấm men, tảo, tế bào động thực vật) hoặc các quá trình sinh học khác. Chúng đóng vai trò cốt lõi trong nhiều ngành công nghiệp như dược phẩm, thực phẩm, sinh học, hóa chất, và xử lý môi trường.

Mục tiêu chính của bồn inox vi sinh là kiểm soát chặt chẽ các yếu tố môi trường như nhiệt độ, pH, oxy hòa tan, tốc độ khuấy, và nồng độ chất dinh dưỡng, nhằm tối đa hóa năng suất sinh khối, sản xuất các hợp chất mong muốn (enzyme, protein, kháng sinh, ethanol, v.v.), hoặc thực hiện các phản ứng biến đổi sinh học.

Khác với các bồn khuấy công nghiệp thông thường, bồn inox vi sinh được chế tạo với các tiêu chuẩn cực kỳ khắt khe về vệ sinh, tiệt trùng và kiểm soát môi trường bên trong để ngăn ngừa sự nhiễm bẩn từ bên ngoài và đảm bảo tính tinh khiết của quá trình nuôi cấy.

II. Cấu Tạo Chi Tiết Của Bồn Inox Vi Sinh

Một bồn inox vi sinh hiện đại thường có cấu tạo phức tạp, tích hợp nhiều hệ thống con để đảm bảo chức năng nuôi cấy hiệu quả.

1. Thân Bồn (Vessel Body):

• Vật liệu: Hầu hết được chế tạo từ thép không gỉ cao cấp (inox 304L hoặc 316L). Inox 316L được ưu tiên hơn trong các ứng dụng dược phẩm và sinh học do khả năng chống ăn mòn vượt trội, đặc biệt là chống lại clorua. Bề mặt bên trong của bồn được đánh bóng siêu mịn (thường đạt Ra < 0.4 µm) để ngăn chặn sự bám dính của vi sinh vật và tạo điều kiện dễ dàng cho việc vệ sinh, tiệt trùng tại chỗ (CIP/SIP).

• Cấu trúc lớp:

  • Lớp trong cùng (Product Contact Layer): Là lớp tiếp xúc trực tiếp với môi trường nuôi cấy, yêu cầu độ tinh khiết và nhẵn bóng cao nhất.

  • Lớp vỏ áo (Jacket): Bao quanh lớp trong cùng, dùng để tuần hoàn chất lỏng gia nhiệt (nước nóng, hơi nước) hoặc làm mát (nước lạnh) để kiểm soát nhiệt độ môi trường nuôi cấy. Có thể là vỏ áo bán xoắn (half-pipe coil), vỏ áo xoắn ốc (dimple jacket), hoặc vỏ áo phẳng (conventional jacket) tùy theo yêu cầu truyền nhiệt.

  • Lớp cách nhiệt (Insulation Layer): Nằm ngoài vỏ áo, thường là polyurethane hoặc bông khoáng, giúp giảm thiểu sự mất nhiệt ra môi trường và duy trì nhiệt độ ổn định bên trong bồn.

  • Lớp vỏ ngoài (Outer Cladding): Thường là inox được đánh bóng hoặc cán mờ, bảo vệ lớp cách nhiệt và tăng tính thẩm mỹ cho thiết bị.

• Đáy bồn: Thường là đáy elip (torispherical) hoặc đáy côn (conical) với góc nghiêng phù hợp để đảm bảo thoát nước và vệ sinh hoàn toàn. Đáy bồn thường có đường ống thoát liệu và van xả đáy.

• Nắp bồn (Head/Top Plate): Có thể là nắp cố định hoặc nắp tháo rời. Trên nắp tích hợp nhiều cổng kết nối (port) cho các thiết bị và cảm biến khác nhau.

2. Hệ Thống Khuấy (Agitation System):

• Mục đích: Đảm bảo sự phân bố đồng đều của chất dinh dưỡng, oxy, nhiệt độ và các vi sinh vật trong môi trường nuôi cấy. Tối ưu hóa quá trình truyền khối khí-lỏng (oxy).

• Động cơ khuấy: Thường là động cơ điện có biến tần để điều chỉnh tốc độ khuấy linh hoạt (RPM). Động cơ được gắn trên đỉnh hoặc dưới đáy bồn.

• Trục khuấy: Làm từ inox, được thiết kế để chịu được tốc độ và mô-men xoắn cao.

• Cánh khuấy (Impeller):

  • Thiết kế: Đa dạng với các loại phổ biến như cánh khuấy tuabin (Rushton turbine - tạo xoáy và trộn khí tốt), cánh khuấy chân vịt (propeller - tạo dòng chảy dọc), cánh khuấy mái chèo (paddle), cánh khuấy mỏ neo (anchor - cho chất lỏng nhớt), hoặc cánh khuấy hydrofoil (để trộn nhẹ nhàng và hiệu quả). Lựa chọn cánh khuấy phụ thuộc vào độ nhớt của môi trường, yêu cầu về khuấy trộn và khả năng chịu cắt của tế bào.

  • Vị trí: Có thể có nhiều tầng cánh khuấy trên một trục để tối ưu hóa sự trộn lẫn trong toàn bộ thể tích bồn.

• Phớt trục (Shaft Seal): Rất quan trọng để duy trì độ kín của bồn, ngăn ngừa sự nhiễm bẩn từ bên ngoài vào môi trường nuôi cấy và sự rò rỉ môi trường ra ngoài. Phổ biến là phớt cơ khí kép (double mechanical seal) với hệ thống tuần hoàn chất lỏng làm mát và bôi trơn, hoặc phớt từ tính (magnetic coupling) cho các ứng dụng yêu cầu vô trùng tuyệt đối.

3. Hệ Thống Sục Khí (Aeration System):

• Mục đích: Cung cấp oxy cho quá trình trao đổi chất của vi sinh vật hiếu khí.

• Sparger (Bộ phân tán khí): Là một ống hoặc vòng có lỗ nhỏ đặt dưới đáy bồn, phía dưới cánh khuấy. Khí tiệt trùng (thường là khí nén, oxy tinh khiết, hoặc hỗn hợp khí) được bơm qua sparger tạo ra các bọt khí nhỏ, tăng diện tích tiếp xúc giữa khí và lỏng.

• Bộ lọc khí tiệt trùng (Sterile Air Filter): Khí cấp vào bồn phải được lọc qua bộ lọc vô trùng (thường là màng lọc PTFE hoặc sợi thủy tinh) với kích thước lỗ lọc rất nhỏ (0.2 µm) để loại bỏ vi khuẩn, virus và các hạt bụi.

4. Hệ Thống Kiểm Soát Nhiệt Độ (Temperature Control System):

• Cảm biến nhiệt độ: Thường là cảm biến Pt100 hoặc cặp nhiệt điện (thermocouple) được lắp đặt trực tiếp trong môi trường nuôi cấy để đo nhiệt độ chính xác.

• Hệ thống gia nhiệt/làm mát:

  • Gia nhiệt: Sử dụng hơi nước, nước nóng, hoặc điện trở nhiệt tuần hoàn qua vỏ áo bồn.

  • Làm mát: Sử dụng nước lạnh hoặc nước chiller tuần hoàn qua vỏ áo bồn.

• Van điều khiển: Các van điều khiển tự động (control valves) kết nối với hệ thống điều khiển PLC để duy trì nhiệt độ theo điểm đặt.

5. Hệ Thống Kiểm Soát pH (pH Control System):

• Cảm biến pH: Điện cực pH được lắp đặt qua một cổng tiệt trùng trên bồn, cho phép đo pH trực tiếp và liên tục.

• Hệ thống cấp hóa chất: Gồm các bơm định lượng (peristaltic pumps hoặc diaphragm pumps) và bình chứa hóa chất (acid như HCl, base như NaOH) để tự động điều chỉnh pH môi trường về điểm đặt.

6. Hệ Thống Kiểm Soát Oxy Hòa Tan (DO - Dissolved Oxygen Control System):

• Cảm biến DO: Điện cực DO (thường là kiểu polarographic hoặc galvanic) đo nồng độ oxy hòa tan trong môi trường.

• Hệ thống điều khiển: Liên kết với tốc độ sục khí (lưu lượng khí), tốc độ khuấy, và đôi khi là nồng độ oxy trong khí cấp vào để duy trì DO ở mức tối ưu cho vi sinh vật.

7. Hệ Thống Cung Cấp Chất Dinh Dưỡng (Nutrient Feeding System):

• Bình chứa dinh dưỡng: Các bình riêng biệt chứa dung dịch chất dinh dưỡng, chất chống tạo bọt (antifoam) và các chất bổ sung khác.

• Bơm định lượng: Bơm các dung dịch này vào bồn một cách chính xác theo chương trình đã đặt hoặc theo phản hồi từ cảm biến.

• Cổng tiệt trùng: Tất cả các đường ống và cổng cấp liệu đều phải được thiết kế để duy trì độ tiệt trùng.

8. Cổng Kết Nối và Phụ Kiện:

• Cổng tiệt trùng (Sterile Ports): Các cổng nhỏ để lấy mẫu (sampling), thêm chất (addition), cấp khí, thoát khí, lắp cảm biến, đều được thiết kế với van màng hoặc van bi chuyên dụng, có khả năng tiệt trùng tại chỗ.

• Kính quan sát (Sight Glass): Cho phép quan sát trực tiếp quá trình nuôi cấy bên trong bồn.

• Đèn chiếu sáng: Chiếu sáng bên trong bồn khi quan sát.

• Cổng CIP/SIP: Các cổng và đầu phun (spray ball) bên trong bồn để thực hiện vệ sinh và tiệt trùng tự động.

• Đo áp suất: Cảm biến áp suất để giám sát áp suất bên trong bồn.

9. Hệ Thống Điều Khiển (Control System):

• PLC (Programmable Logic Controller): Là bộ não của hệ thống, điều khiển tất cả các chức năng tự động của bồn (nhiệt độ, pH, DO, tốc độ khuấy, cấp liệu...).

• SCADA/HMI (Supervisory Control and Data Acquisition / Human Machine Interface): Giao diện đồ họa cho phép người vận hành giám sát, điều khiển, ghi nhận dữ liệu và thiết lập các thông số.

• Phần mềm chuyên dụng: Cung cấp khả năng lập trình các chu trình nuôi cấy phức tạp, lưu trữ và phân tích dữ liệu, báo cáo.

III. Đặc Điểm Nổi Bật Của Bồn Inox Vi Sinh

• Độ vô trùng cao: Đây là đặc điểm quan trọng nhất. Thiết kế và vật liệu phải đảm bảo không có vi sinh vật ngoại lai xâm nhập hoặc phát triển trong bồn. Điều này đạt được thông qua:

  • Bề mặt inox đánh bóng siêu mịn.

  • Phớt trục kín tuyệt đối.

  • Lọc khí vô trùng.

  • Thiết kế "dead-leg free" (không có góc chết) để tránh tích tụ môi trường và vi khuẩn.

  • Khả năng tiệt trùng tại chỗ (SIP) bằng hơi nước.

• Kiểm soát môi trường chính xác:

  • Kiểm soát nhiệt độ dao động trong khoảng ±0.1°C đến ±0.5°C.

  • Kiểm soát pH chính xác với độ lệch ±0.02 đến ±0.05 đơn vị pH.

  • Kiểm soát nồng độ oxy hòa tan linh hoạt.

  • Điều chỉnh tốc độ khuấy và lưu lượng khí cấp.

• Độ bền và tuổi thọ cao: Vật liệu inox chống ăn mòn tốt, chịu được áp suất và nhiệt độ cao trong quá trình tiệt trùng.

• Dễ dàng vệ sinh và bảo trì: Thiết kế đơn giản hóa việc tháo lắp, vệ sinh và thay thế linh kiện. Hệ thống CIP/SIP tự động giúp tiết kiệm thời gian và công sức.

• Tích hợp hệ thống tự động hóa: Giảm thiểu sự can thiệp của con người, tăng tính chính xác, lặp lại và giảm rủi ro lỗi do con người.

• Khả năng mở rộng (Scalability): Thiết kế cho phép dễ dàng mở rộng quy mô từ phòng thí nghiệm lên sản xuất công nghiệp.

• Tuân thủ tiêu chuẩn GMP/GLP: Đặc biệt trong ngành dược phẩm và thực phẩm, bồn phải đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về thiết kế, vật liệu và quy trình sản xuất.

IV. Nguyên Lý Vận Hành Của Bồn Inox Vi Sinh

Quá trình vận hành một bồn inox vi sinh tuân theo một chu trình nghiêm ngặt để đảm bảo môi trường nuôi cấy vô trùng và tối ưu.

1. Chuẩn Bị và Lắp Đặt:

• Chuẩn bị môi trường: Môi trường nuôi cấy được chuẩn bị đúng công thức, hòa tan các chất dinh dưỡng.

• Nạp môi trường: Môi trường được bơm vào bồn qua hệ thống đường ống tiệt trùng.

• Lắp đặt cảm biến: Các cảm biến (pH, DO, nhiệt độ) được lắp đặt vào các cổng tương ứng.

2. Tiệt Trùng Bồn (Sterilization In Place - SIP):

• Nguyên lý: Tiệt trùng toàn bộ bồn, đường ống và các bộ phận tiếp xúc với môi trường bằng hơi nước bão hòa ở nhiệt độ và áp suất cao (ví dụ: 121°C, 15 psi trong 20-30 phút).

• Quá trình:

  • Hơi nước được đưa vào bồn qua các đường ống và đầu phun CIP/SIP.

  • Áp suất và nhiệt độ được duy trì trong thời gian cần thiết.

  • Hơi nước cũng được đưa qua các màng lọc khí tiệt trùng và đường ống cấp khí/thoát khí để đảm bảo chúng cũng vô trùng.

  • Sau khi tiệt trùng, bồn được làm mát về nhiệt độ nuôi cấy bằng cách tuần hoàn nước lạnh qua vỏ áo.

  • Không khí tiệt trùng được đưa vào bồn để duy trì áp suất dương nhẹ, ngăn ngừa sự nhiễm bẩn ngược.

3. Cấy Giống (Inoculation):

• Nguyên lý: Đưa lượng vi sinh vật cần nuôi cấy (giống vi sinh) vào bồn một cách vô trùng.

• Quá trình: Giống vi sinh được chuẩn bị sẵn (thường trong bình tam giác hoặc bồn giống nhỏ) được bơm vào bồn chính thông qua một cổng cấy giống tiệt trùng (thường là qua bơm nhu động và bộ lọc tiệt trùng).

4. Nuôi Cấy (Cultivation/Fermentation):

• Đây là giai đoạn chính, trong đó vi sinh vật phát triển và sản xuất sản phẩm mong muốn.

• Kiểm soát nhiệt độ: Hệ thống gia nhiệt/làm mát tự động duy trì nhiệt độ tối ưu cho sự phát triển của chủng vi sinh vật đó.

• Kiểm soát pH: Hệ thống bơm acid/base tự động điều chỉnh pH về điểm đặt.

• Cung cấp oxy: Hệ thống sục khí cung cấp oxy qua sparger, đồng thời hệ thống khuấy đảm bảo oxy phân tán đều và tối đa hóa hiệu quả truyền khối khí-lỏng. Nồng độ DO được theo dõi và điều chỉnh liên tục.

• Cung cấp chất dinh dưỡng: Bơm định lượng cấp chất dinh dưỡng (feeding) liên tục hoặc theo từng đợt tùy thuộc vào chiến lược nuôi cấy (batch, fed-batch, continuous).

• Kiểm soát bọt: Nếu môi trường nuôi cấy tạo bọt nhiều, hệ thống chống tạo bọt sẽ tự động bơm chất chống tạo bọt để ngăn chặn sự tràn bồn và ảnh hưởng đến quá trình trao đổi khí.

• Lấy mẫu: Các mẫu được lấy định kỳ một cách vô trùng để kiểm tra sự phát triển của vi sinh vật, nồng độ sản phẩm, nồng độ chất dinh dưỡng còn lại, v.v.

5. Thu Hoạch (Harvesting):

• Sau khi quá trình nuôi cấy hoàn tất (đạt được sinh khối hoặc nồng độ sản phẩm tối ưu), môi trường và sản phẩm được thu hoạch thông qua van xả đáy hoặc bơm thu hoạch.

• Tùy thuộc vào ứng dụng, sản phẩm có thể là sinh khối vi sinh vật, dịch lên men chứa sản phẩm mong muốn, hoặc cả hai.

6. Vệ Sinh Tại Chỗ (Cleaning In Place - CIP):

• Nguyên lý: Làm sạch toàn bộ bề mặt bên trong bồn và đường ống mà không cần tháo rời thiết bị.

• Quá trình:

  • Xả bỏ dịch còn lại.

  • Rửa sơ bộ bằng nước.

  • Tuần hoàn dung dịch tẩy rửa kiềm (ví dụ: NaOH) ở nhiệt độ cao để loại bỏ cặn hữu cơ.

  • Rửa lại bằng nước.

  • Tuần hoàn dung dịch tẩy rửa axit (ví dụ: HNO3) để loại bỏ cặn vô cơ và passivation bề mặt inox.

  • Rửa sạch lại bằng nước cho đến khi độ dẫn điện của nước thải đạt mức chấp nhận được.

  • Có thể kèm theo bước tiệt trùng lại bồn nếu cần tái sử dụng ngay.

V. Kết Luận

Bồn inox vi sinh là một thiết bị công nghệ cao, phức tạp và cực kỳ quan trọng trong ngành công nghệ sinh học và các ngành liên quan. Với cấu tạo chặt chẽ, vật liệu cao cấp, cùng hệ thống kiểm soát tự động chính xác, chúng cho phép kiểm soát tối ưu môi trường nuôi cấy, đảm bảo sản xuất các sản phẩm sinh học với chất lượng và năng suất cao nhất, đồng thời duy trì độ vô trùng cần thiết. Việc hiểu rõ cấu tạo, đặc điểm và nguyên lý vận hành của bồn inox vi sinh là nền tảng quan trọng cho bất kỳ ai làm việc trong lĩnh vực này.

• Với nhiều năm uy tín trong sản xuất các loại máy chế tạo, máy công nghiệp hàng đầu Việt Nam. Công ty Đức Bảo tự hào là thương hiệu máy móc công nghiệp số 1 trên thị trường hiện nay với dây chuyền sản xuất, chế tạo hiện đại và đạt tiêu chuẩn quốc gia đáp ứng mọi yêu cầu của quý khách hàng

  Sản phẩm của chúng tôi hoàn toàn được sản xuất trên dây chuyền hiện đại đáp ứng mọi tiêu chuẩn

• Sản phẩm mới 100% có chứng nhận kiểm định
• Mẫu mã đa dạng, sản phẩm đẹp, nhiều mầu sắc lựa chọn
• Độ bền cao, phù hợp nhiều nơi quý khách muốn sử dụng lâu dài
• Chế độ hậu mãi cao, giá thành rẻ nhất Miền Bắc
• Hàng luôn có sẵn, nhân viên tư vấn hỗ trợ nhiệt tình, vui vẻ,
• Phục vụ 24/24 khi quý khách đặt hàng 

• Đức Bảo tự hào là đơn vị chuyên cung cấp các loại máy móc chất lượng và hiện đại nhất trên thị trường hiện nay. Với nhiều năm kinh nghiệm trong ngành, đã hoàn thiện rất nhiều dự án lớn nhỏ trên cả nước. Chúng tôi cam kết sẽ mang tới cho bạn sự lựa chọn tuyệt vời và phù hợp nhất với nhu cầu của bạn. Hãy đến với congngheducbao để trải nghiệm những dòng máy tối tân nhất & trải nghiệm dịch vụ tốt nhất chúng tôi dành cho bạn.

• Địa chỉ: Số nhà 50 ngõ 115 đường Nguyễn Mậu Tài, TT Trâu Quỳ Gia Lâm, TP Hà Nội
• Địa chỉ xưởng sản xuất: xã Dương Quang, huyện Gia Lâm, Hà Nội.
• Điện thoại : 0948052554
• Tel: 02438712928
• Email: congngheducbao83@gmail.com
• Website: https://congngheducbao.com