Thiết kế phòng sạch cho lên men vi sinh (Fermentation Cleanroom) trong sản xuất thực phẩm chức năng

Đặc thù của quá trình lên men vi sinh trong thực phẩm chức năng

Lên men vi sinh là một quá trình sinh học nhạy cảm, trong đó các chủng vi khuẩn có lợi, nấm men hoặc enzyme được nuôi cấy và duy trì trong điều kiện tối ưu để tạo ra sản phẩm sinh học. Một thay đổi nhỏ về nhiệt độ hoặc độ ẩm có thể làm giảm tốc độ chuyển hóa, làm lệch cấu trúc hoạt chất hoặc tạo ra sản phẩm ngoài ý muốn. Nguy hiểm hơn, một mầm vi sinh lạ xâm nhập vào có thể làm hỏng cả lô lên men, gây thiệt hại lớn về thời gian, nguyên liệu và chi phí kiểm nghiệm.

Đây cũng là lý do các nhà máy thực phẩm chức năng thường phải phân tách riêng biệt khu vực lên men và khu vực tiền xử lý hoặc hậu xử lý. Khu vực lên men yêu cầu kiểm soát khí sạch cấp cao, hệ thống lọc HEPA hoặc ULPA, áp suất dương hoặc âm tùy chủng vi sinh, và luồng khí một chiều để giữ môi trường ổn định. Các yếu tố như độ ẩm quá cao, chênh lệch áp suất không kiểm soát hoặc vật liệu bám bụi đều có thể ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Một đặc thù khác của khu vực lên men là yêu cầu vệ sinh và tiệt trùng liên tục. Sau mỗi mẻ, bề mặt thiết bị, sàn, trần và toàn bộ phòng sạch thực phẩm phải được xử lý bằng các phương pháp như hơi nước nóng, hóa chất chuyên dụng hoặc hydrogen peroxide. Điều này khiến vật liệu phòng sạch cần khả năng chịu hóa chất, chống ăn mòn và không bị biến dạng dưới tác động nhiệt.

>>> Tìm hiểu thêm về: Thiết kế phòng sạch thực phẩm theo mô hình mở rộng linh hoạt (Modular Cleanroom) giải pháp cho nhà máy tăng công suất đột biến

Những thách thức trong thiết kế phòng sạch thực phẩm lên men

Trong môi trường sản xuất thực phẩm chức năng, lên men không chỉ diễn ra ở bể lên men lớn mà còn qua nhiều công đoạn phụ như chuẩn bị môi trường, nuôi cấy giống, kiểm nghiệm vi sinh và thu hồi sản phẩm. Mỗi công đoạn yêu cầu mức độ sạch khác nhau, nên thiết kế phòng sạch buộc phải có sự phân cấp rõ ràng giữa các khu vực.

Một thách thức lớn là duy trì áp suất ổn định trong toàn bộ khu vực lên men. Vi sinh có lợi cần được bảo vệ khỏi tác nhân ngoại lai, vì vậy phòng sạch phải được duy trì áp suất dương trong hầu hết các trường hợp. Tuy nhiên, cũng có các dây chuyền sử dụng chủng vi sinh tạo bào tử hoặc có khả năng phát tán, khi đó áp suất âm sẽ được áp dụng cho một số không gian chuyên biệt. Điều này đòi hỏi hệ thống HVAC phải có khả năng kiểm soát linh hoạt và không để áp suất giao động dưới tác động của hoạt động vận hành.

Ngoài áp suất, việc kiểm soát hơi ẩm và nhiệt độ cũng là thách thức lớn vì vi sinh rất nhạy cảm với sự thay đổi môi trường. Hệ thống cần đảm bảo nhiệt độ luôn nằm trong dải biến thiên hẹp, đôi khi chỉ ±0.5°C, đồng thời độ ẩm phải đủ thấp để hạn chế sự phát triển của vi sinh ngoại lai nhưng vẫn duy trì điều kiện tối ưu cho chủng vi sinh mong muốn.

Sự cố thường gặp nhất trong các phòng sạch lên men là hiện tượng ngưng tụ trên bề mặt, gây ra nguy cơ nhiễm bẩn và phát triển nấm mốc. Do đó, vật liệu tường và trần cần bề mặt phẳng, chống đọng nước và dễ vệ sinh. Cửa ra vào, cửa sổ quan sát và các điểm giao nhau phải được xử lý kín khít để tránh chênh áp và tăng nguy cơ xâm nhập vi sinh.

>>> Tìm hiểu thêm về: Phòng sạch thực phẩm cho “Dark Factory” nhà máy không người vận hành trong tương lai

Thiết kế phòng sạch thực phẩm lên men vi sinh đạt chuẩn quốc tế

Thiết kế phòng sạch cho quá trình lên men vi sinh phải bắt đầu từ việc phân tích chuỗi sản xuất. Mỗi điểm giao thoa giữa nguyên liệu, thiết bị và con người đều tiềm ẩn rủi ro nhiễm chéo, nên lộ trình di chuyển phải được thiết kế sao cho nguyên liệu đi theo một chiều duy nhất từ khu vực thấp sạch đến khu vực sạch nhất mà không quay ngược. Điều này giúp giảm tối đa khả năng mang theo tạp khuẩn từ ngoài vào hoặc từ công đoạn sau quay lại công đoạn đầu.

Về hệ thống khí sạch, phòng sạch lên men bắt buộc phải sử dụng các cấp lọc cao để đảm bảo không có vi sinh hoặc hạt bụi xâm nhập. Hệ thống HEPA hoặc ULPA được kết hợp với FFU tốc độ thấp nhằm đảm bảo luồng khí ổn định, giảm nhiễu động và duy trì điều kiện sạch liên tục. Đặc biệt, các khu vực nhạy cảm như nuôi cấy giống hoặc phối trộn môi trường cần luồng khí một chiều để bảo vệ quá trình vận hành khỏi bất kỳ tác nhân ngoại lai nào.

Thiết kế phòng sạch lên men cũng đòi hỏi hệ thống HVAC có khả năng điều chỉnh công suất theo từng giai đoạn. Khi bể lên men hoạt động mạnh, lượng nhiệt tỏa ra sẽ tăng nhanh, đòi hỏi hệ thống làm lạnh và kiểm soát ẩm phải phản ứng tức thời để tránh nhiệt độ tăng đột ngột. Nếu hệ thống phản hồi chậm, chỉ một thay đổi nhỏ cũng có thể làm biến đổi hoạt chất trong sản phẩm.

Trong nhiều dự án thực phẩm chức năng, phòng sạch lên men còn được tích hợp hệ thống giám sát thông minh. Các cảm biến đo áp suất, nhiệt độ, độ ẩm, lưu lượng khí và nồng độ hạt được kết nối với phần mềm trung tâm để đưa ra cảnh báo theo thời gian thực. Điều này giúp kỹ thuật viên và quản lý phát hiện nhanh sự cố, can thiệp kịp thời và đảm bảo môi trường lên men không bị gián đoạn.

Quy trình kiểm soát vi sinh trong phòng sạch lên men

Một trong những yếu tố quan trọng nhất của phòng sạch lên men là khả năng kiểm soát vi sinh ở mức tuyệt đối. Khác với các khu vực xử lý thực phẩm tươi, phòng lên men đặt trọng tâm vào việc giữ môi trường vô trùng để đảm bảo chỉ có một chủng vi sinh được phép tồn tại. Điều này dẫn đến yêu cầu quy trình vệ sinh phải được thực hiện theo chuẩn nghiêm ngặt.

Trước mỗi mẻ lên men, phòng sạch phải được tiệt trùng hoàn toàn bằng hơi nước nóng hoặc hóa chất như hydrogen peroxide. Quá trình này không chỉ khử khuẩn bề mặt mà còn khử khuẩn trong không khí, đảm bảo mọi tác nhân tiềm ẩn không thể xâm nhập vào bể lên men. Khi quá trình diễn ra, phòng sạch phải duy trì áp suất dương và luồng khí liên tục để ngăn dòng khí bẩn xâm nhập từ bên ngoài.

Sau khi kết thúc mẻ, toàn bộ phòng phải được vệ sinh lại theo quy trình CIP hoặc SIP tùy loại thiết bị. Đây là bước quan trọng giúp duy trì độ ổn định của phòng sạch trong cả chu kỳ vận hành.

Ứng dụng thực tế và lợi ích cho nhà máy thực phẩm chức năng

Nhiều nhà máy thực phẩm chức năng tại Việt Nam đã chuyển từ mô hình sản xuất truyền thống sang mô hình phòng sạch lên men với hệ thống HVAC, lọc khí và giám sát tương tự dược phẩm. Điều này không chỉ giúp sản phẩm đạt độ tinh khiết cao hơn mà còn tăng khả năng kiểm soát hoạt chất, đảm bảo độ ổn định qua từng lô sản xuất.

Nhờ phòng sạch đạt chuẩn, tỷ lệ hỏng mẻ lên men giảm xuống đáng kể, giúp doanh nghiệp tiết kiệm chi phí nguyên liệu và nhân công. Đồng thời, quy trình lên men ổn định hơn giúp rút ngắn thời gian thử nghiệm và giảm chi phí kiểm nghiệm vi sinh. Với hệ thống giám sát thông minh, việc vận hành cũng trở nên minh bạch và dễ đánh giá hơn, hỗ trợ doanh nghiệp đạt chứng nhận quốc tế nhanh chóng.

Mặt khác, phòng sạch lên men còn cho phép nhà máy mở rộng sản phẩm sang nhiều nhóm thực phẩm chức năng khác như probiotic, enzyme hoặc hoạt chất lên men tự nhiên. Đây là lợi thế lớn trong bối cảnh thị trường thực phẩm chức năng toàn cầu đang tăng trưởng mạnh và cạnh tranh ngày càng cao.