Sự phát triển mạnh của tảo dẫn tới các nguy cơ nghiêm trọng. Trước tiên nó có thể gây tắc nghẽn các đường ống và đầu phun làm gây gián đoạn dòng chảy của nước và làm rối loạn sự trao đổi nhiệt, dẫn tới giảm hiệu quả của quá trình thanh trùng. Ngoài ra, mùi hôi khó chịu do hoạt động của vi sinh vật ảnh hưởng tới môi trường làm việc xung quanh. Ngoài ra, một mối lo ngại khác là sự phát triển của các vi sinh vật kỵ khí bên dưới lớp màng sinh học, trong đó một số có khả năng gây phá hủy kim loại và xúc tác cho quá trình ăn mòn nghiêm trọng.
BIOFILM LÀ gì
Biofilm (màng sinh học) là một cộng đồng vi sinh vật phức tạp phát triển trong một lớp chất nhầy do chính chúng tạo ra.
Quá trình hình thành biofilm
Ban đầu, các vi khuẩn tạo ra glycocalyx – một lớp polysaccharide dạng gelatin đóng vai trò quan trọng:
- Ngăn mất nước và thất thoát dinh dưỡng.
- Tăng khả năng bám dính và bảo vệ: Biofilm hoạt động như một lớp “lá chắn”, giúp vi khuẩn kháng kháng sinh mạnh hơn gấp 1.000 lần.
- Chống lại thực bào: Một số vi khuẩn, như Bacillus anthracis, tạo ra vỏ nang axit D-glutamic để tự bảo vệ.
- Tăng độc lực: Biofilm góp phần gây bệnh bằng cách giúp vi khuẩn sống sót và tồn tại lâu hơn trong môi trường.
Sự hình thành chất nhầy hoặc hydrogel
Vi khuẩn kết tụ lại với nhau thông qua quá trình "cảm ứng quần thể" (quorum sensing) – một cơ chế giao tiếp hóa học cho phép vi khuẩn hợp tác và phát triển biofilm một cách đồng bộ
Lợi ích của Biofilm với vi khuẩn
Sự tạo thành biofilm đem lại nhiều lợi ích cho các vi khuẩn như:
- Chia sẻ chất dinh dưỡng: Vi khuẩn trong biofilm có thể trao đổi và phân phối dinh dưỡng, giúp chúng tồn tại ngay cả trong môi trường nghèo dinh dưỡng.
- Tăng cường bảo vệ: Biofilm hoạt động như một lớp lá chắn, bảo vệ vi khuẩn khỏi kháng sinh, chất khử trùng và các yếu tố gây stress từ môi trường.
- Sống sót trong điều kiện khắc nghiệt: Biofilm giúp vi khuẩn chịu đựng tốt hơn với nhiệt độ cao/thấp, biến động pH và độ ẩm thấp.
- Giao tiếp và phối hợp: Cảm ứng quần thể (quorum sensing) cho phép vi khuẩn tạo cộng đồng, duy trì biofilm và triển khai các cơ chế phòng vệ hiệu quả.
- Tăng khả năng kháng lại tác nhân bên ngoài: Các tế bào ngủ đông hoặc phát triển chậm bên trong biofilm thường kháng lại các tác nhân kháng khuẩn tốt hơn.
- Trao đổi di truyền: Vi khuẩn trong biofilm có thể trao đổi DNA, giúp tăng đa dạng di truyền và thích nghi với môi trường thay đổi.
Hình 1. Sự hình thành biofilm
Biofilm có thể được hình thành trong các hệ thống nước làm mát (ống dẫn nước, tháp giải nhiệt, máy thanh trùng…), hay bề mặt các thiết bị (máy chiết rót, bàn làm việc, dụng cụ nhà bếp…).
Liệu vi khuẩn có phát triển khả năng kháng lại các chất diệt khuẩn không oxy hóa không?
Câu trả lời cho câu hỏi này là có bởi vi khuẩn có các cơ chế để tạo khả năng kháng này như: Sự hình thành màng sinh học (biofilm), khả năng thích nghi di truyền và các cơ chế sinh hóa đặc hiệu.
Hình 2. Sự tạo thành cáu cặn và màng bám biofilm trong hệ thống hầm thanh và ống dẫn nước
Sự hình thành biofilm bao gồm các polysacharide ngoại bào (EPS) có tác dụng như hàng rào bảo vệ, ngăn cản sự khuếch tán của các chất diệt khuẩn vào trong. Biofilm giúp giảm khả năng khuyếch tán các phân tử chất diệt khuẩn tiếp cận với các tế bào vi khuẩn ở bên trong. Một số vi khuẩn có thể tạo biofilm có chứa các enzyme có khả năng phân huỷ hoặc trung hoà các chất diệt khuẩn trước khi chúng có tác dụng với các tế bào vi khuẩn.
Các tế bào có thể kháng lại chất diệt khuẩn thông qua cơ chế giảm các hoạt động trao đổi. Ở sâu bên trong biofilm, vi khuẩn chuyển sang trạng thái trao đổi chất thấp (persister cells), khiến chúng ít bị ảnh hưởng hơn bởi các chất diệt khuẩn, đặc biệt là những chất nhắm vào tế bào đang phát triển. Các tế bào cũng có thể kích hoạt phản ứng với các stress bên ngoài (ví dụ khi tiếp xúc với chất diệt khuẩn), bao gồm khả năng thải ngược độc tố (efflux pumps) và tạo enzym giải độc. Khả năng thải ngược hay tạo enzyme phân giải này thường được mã hoá bởi các gene mà các gene này có thể truyền ngang hàng giữa các tế bào, đặc biệt là với các tế bào bên trong lớp biofilm. Nhờ vậy, các tế bào từ nhạy cảm với chất diệt khuẩn sẽ có khả năng kháng lại các chất diệt khuẩn như vậy.
Các vấn đề phổ biến trong máy thanh trùng gây ra do vi khuẩn hình thành khả năng kháng
Trong các vùng nước nhiệt độ môi trường của máy thanh trùng, nhiều loại vi sinh vật như nấm mốc, nấm men và vi khuẩn có thể sinh sôi dưới điều kiện hiếu khí. Các tác nhân vi sinh này gây ra rủi ro đáng kể đối với chất lượng và an toàn sản phẩm, đồng thời làm phức tạp công tác quản lý vệ sinh.
Hình 3. Các cáu cặn và biofilm trong hầm thanh trùng
Hậu quả của hiện tượng vi khuẩn kháng hóa chất diệt khuẩn:
- Mùi hôi khó chịu do hình thành màng nhầy vi sinh và nấm mốc.
- Thường xuyên phải xả bỏ bể nước mỗi tuần.
- Cần thao tác vệ sinh thủ công các khay hứng và lưới lọc theo ca hoặc hàng ngày.
- Cần làm sạch bể nước bằng tay hàng tuần.
- Cần tiến hành gia nhiệt nước tới sôi hai tuần 1 lần để khử nhiễm.
- Cần xử lý bằng dung dịch kiềm nóng (sôi) hàng tháng.
- Hiệu suất thanh trùng không đảm bảo, có thể ảnh hưởng đến giá trị PU (Pasteurization Units).
Các thao tác trên dẫn tới tăng chi phí vận hành
Những giải pháp nào có thể ngăn ngừa sự hình thành biofilm?
Việc ngăn ngừa sự hình thành biofilm đòi hỏi phải kết hợp nhiều biện pháp vật lý, hóa học và phương thức vận hành một cách đồng bộ. Brominator là một hệ thống được Sopura phát triển trong đang là một trong các giải pháp được sử dụng kết hợp với chất tẩy rửa có dẫn xuất halogen đã được áp dụng thành công ở 40 nhà máy khác nhau tại khu vực Châu Á Thái Bình Dương từ 2012 đến này.
Brominator sử dụng chất sát khuẩn dẫn xuất halogen đã được chứng minh về hiệu quả diệt khuẩn từ lâu. Chẳng hạn như viên nén BCDMH (Bromochloro-5,5-dimethylhydantoin) (dưới dạng tên thương mại là PASTOSEPT H của Kersia phát triển).
Hình 4. Sự phân giải hoạt chất sát khuẩn có dẫn xuất halogen khi hoạt động (ví dụ BCDMH)
Các chất diệt khuẩn này có nhiều tác dụng khác nhau như:
- Tác dụng phân giải: Phá vỡ các polysaccharide ngoại bào (EPS) bảo vệ của biofilm, giúp tăng khả năng thẩm thấu và hiệu quả của chất diệt khuẩn.
- Diệt vi sinh: Giảm mật độ vi sinh vật một cách hiệu quả bao gồm cả vi khuẩn tự do trong nước (dạng planktonic) lẫn vi khuẩn bám dính trên bề mặt.
- Ức chế vi khuẩn: Ngăn ngừa sự tái phát triển của vi sinh vật kiểm soát mật độ vi sinh ổn định ở thấp trong hệ thống đã xử lý.
Chức năng tự làm sạch: Liên tục phân hủy cặn biofilm và chất lắng hữu cơ trong quá trình sử dụng định kỳ, giúp giảm thiểu nhu cầu vệ sinh thủ công và hỗ trợ duy trì vệ sinh tự động.
Hình 5. Sơ đồ nguyên lý làm việc của Brominator – Sopura
Brominator là hệ thống định lượng áp suất và giám sát thông minh cho xử lý nước hầm thanh trùng, nó được để hòa tan các viên clo/brom (ví dụ: PASTOSEPT H) và , duy trì tỷ lệ clo–brom tối ưu nhằm kiểm soát vi sinh hiệu quả.
Hệ thống này được tích hợp với bộ điều khiển PLC và cảm biến đo màu, giúp giám sát liên tục, theo thời gian thực nồng độ clo/brom tự do, đảm bảo mức khử khuẩn ổn định trong phạm vi mục tiêu từ 0,5 đến 2 ppm trong các bể nước của máy tiệt trùng.
Ngoài ra, Brominator còn được trang bị đầu dò pH để điều chỉnh và duy trì độ pH trong phạm vi lý tưởng từ 7,0 đến 8,5, góp phần tăng hiệu quả khử trùng bằng halogen.
Để bảo vệ hệ thống hầm thanh trùng, thiết bị sử dụng bơm định lượng thông minh, đồng bộ với tín hiệu cấp nước, cho phép cấp chính xác thành phần giảm cáu cặn và ăn mòn duy trì nồng độ trong khoảng 50 đến 100 ppm.
Hệ thống tự động hóa toàn diện này giúp đảm bảo chất lượng nước ổn định, giảm thiểu can thiệp thủ công và kéo dài tuổi thọ vận hành của hầm thanh trùng.
Tại Việt Nam, Brominator đã được áp dụng thành công ở nhiều nhà máy như Heineken, Bia Saigon. Dưới đây là một ví dụ điển hình về hiệu quả áp dụng của hệ thống cho việc giảm thiếu chi phí nước, năng lượng và nhân công tại một nhà máy bia tại Hà Nội, Việt Nam.
Hình 6. Hệ thống Brominator - Sopura