發(fā)酵罐是微生物發(fā)酵生產(chǎn)的核心設備，其結構設計需滿足微生物生長代謝、產(chǎn)物合成及工藝控制的需求。以下是發(fā)酵罐的主要組成部分及其功能：

一、罐體（反應容器）

功能  

1. 提供反應空間：容納培養(yǎng)基、微生物菌體及發(fā)酵產(chǎn)物，容積從幾升到數(shù)萬升不等。  

2. 維持無菌環(huán)境：采用不銹鋼材質（如316L或304），內壁拋光（粗糙度Ra≤0.6μm），減少死角和微生物附著，便于滅菌和清潔。  

3. 結構設計：  

  - 圓筒形主體+橢圓形/碟形封頭，底部傾斜或安裝擋板，避免物料滯留；  

  - 頂部設人孔、視鏡、進料口，底部設出料口、排污口，便于操作和清洗。  

二、攪拌系統(tǒng)

組成  

- 攪拌器（葉輪）：常見類型有渦輪式、槳式、錨式、螺帶式等；  

- 攪拌軸：連接電機與攪拌器，傳遞動力；  

- 擋板：固定于罐壁，防止液體隨攪拌器旋轉形成“圓柱狀回轉區(qū)”，增強湍動；  

- 消泡槳：安裝于液面上方，破碎泡沫（或配合消泡劑使用）。  

功能  

1. 混合均勻：推動培養(yǎng)基流動，使菌體、營養(yǎng)物質、氧氣充分接觸，避免局部濃度梯度。  

2. 強化傳質傳熱：  

  - 加速氧氣從氣相向液相的轉移（通氣發(fā)酵中尤為重要）；  

  - 促進熱量傳遞，配合溫控系統(tǒng)維持罐內溫度均勻。  

3. 控制泡沫：通過機械剪切破碎泡沫，減少逃液和染菌風險。  

三、通氣系統(tǒng)（好氧發(fā)酵關鍵組件）

組成  

- 空氣過濾裝置：除菌過濾器（如0.22μm膜濾芯），確保通入空氣無菌；  

- 空氣分布器：多孔環(huán)管、單孔噴嘴等，將空氣分散為細小氣泡，增加氣液接觸面積。  

功能  

1. 提供氧氣：滿足好氧微生物的呼吸需求，維持其代謝活性。  

2. 促進代謝產(chǎn)物排出：通過氣流攪動，協(xié)助排出CO?、揮發(fā)性代謝物（如乙醇）。  

3. 維持罐壓：通過調節(jié)進氣量和排氣閥，保持罐內正壓（通常0.05~0.2MPa），防止外界雜菌侵入。  

四、溫控系統(tǒng)

組成  

- 加熱/冷卻裝置：  

 - 夾套：罐體外側的環(huán)形空間，通入蒸汽（加熱）或冷水/冷凍液（冷卻）；  

 - 盤管：罐內蛇形管道，適用于大容量罐體或需要劇烈控溫的場景；  

 - 半管夾套：焊接于罐體外側的半圓管道，傳熱效率高，節(jié)省空間。  

- 溫度傳感器：熱電偶或熱電阻，實時監(jiān)測罐內溫度，聯(lián)動控制系統(tǒng)調節(jié)熱源/冷源流量。  

功能  

1. 維持適宜溫度：根據(jù)微生物生長和代謝需求（如大腸桿菌最適37℃，酵母菌28~30℃），精確控制溫度波動（±0.5℃）。  

2. 控制發(fā)酵進程：通過升溫或降溫誘導特定代謝路徑（如誘導表達重組蛋白時升溫至42℃）。  

3. 移除發(fā)酵熱：微生物代謝產(chǎn)熱或攪拌產(chǎn)熱時，及時散熱防止溫度過高抑制菌體生長。  

五、測量與控制系統(tǒng)

組成  

- 在線檢測儀表：  

 - pH電極：監(jiān)測發(fā)酵液酸堿度，聯(lián)動酸堿添加系統(tǒng)調節(jié)；  

 - 溶氧（DO）電極：檢測溶解氧濃度，調節(jié)通氣量或攪拌轉速；  

 - 液位計：超聲波、雷達或電容式，監(jiān)測液面高度，控制進料量；  

 - 壓力傳感器：監(jiān)測罐內壓力，調節(jié)排氣閥。  

- 控制系統(tǒng)：PLC（可編程邏輯控制器）或DCS（分布式控制系統(tǒng)），集成數(shù)據(jù)采集、參數(shù)調節(jié)、報警功能。  

功能  

1. 實時監(jiān)控參數(shù)：連續(xù)監(jiān)測pH、DO、溫度、壓力、液位等關鍵指標，動態(tài)反映發(fā)酵狀態(tài)。  

2. 自動控制調節(jié)：根據(jù)預設程序自動調整攪拌轉速、通氣量、補料速率等，實現(xiàn)發(fā)酵過程的自動化和標準化。  

3. 異常報警與保護：超限-時報警并觸發(fā)安全措施（如停止攪拌、切斷進料），避免生產(chǎn)事故。  

六、管路與閥門系統(tǒng)

組成  

- 管路：進料管（培養(yǎng)基、補料）、出料管、空氣進/排氣管、蒸汽管、冷卻水管等，采用衛(wèi)生級不銹鋼材質，內壁光滑易滅菌。  

- 閥門：  

 - 無菌閥：隔膜閥、球閥等，密封性好，可在線滅菌；  

 - 調節(jié)閥：自動控制流量（如氣動調節(jié)閥調節(jié)進氣量）；  

 - 安全閥：防止罐內壓力過高，保障設備安全。  

功能  

1. 物料傳輸：實現(xiàn)培養(yǎng)基滅菌前后的轉移、補料（如葡萄糖、前體物質）、產(chǎn)物放料等操作。  

2. 滅菌通路：蒸汽可通過管路進入罐體、夾套、過濾器等，實現(xiàn)系統(tǒng)原位滅菌（SIP）。  

3. 隔離與控制：通過閥門切換不同工藝階段（如滅菌、接種、發(fā)酵、放料），避免交叉污染。  

七、滅菌系統(tǒng)

組成  

- 蒸汽發(fā)生裝置：鍋爐或蒸汽發(fā)生器，提供高溫高壓蒸汽（通常121℃、0.1MPa）；  

- 原位滅菌（SIP）管路：連接蒸汽源與罐體、管路、過濾器，實現(xiàn)系統(tǒng)整體滅菌。  

功能  

1. 殺滅雜菌：通過濕熱滅菌（蒸汽）徹-底殺滅罐體、管路、培養(yǎng)基中的微生物及孢子，確保無菌環(huán)境。  

2. 在線滅菌：無需拆卸設備，通過蒸汽循環(huán)對整個系統(tǒng)（包括過濾器、閥門）進行滅菌，減少人工操作污染風險。  

八、其他輔助組件

1. 接種裝置：無菌接種口（如火焰接種、壓差接種），避免接種時染菌。  

2. 消泡系統(tǒng)：除機械消泡槳外，可配置消泡劑自動添加裝置，通過液位或泡沫傳感器觸發(fā)添加。  

3. 清洗系統(tǒng)（CIP）：旋轉噴淋球+清洗液（酸堿液、清水），自動清洗罐內壁，減少人工勞動和殘留污染。  

各系統(tǒng)的協(xié)同作用  

發(fā)酵罐的高效運行依賴于罐體提供物理空間、攪拌與通氣系統(tǒng)強化傳質、溫控與控制系統(tǒng)維持穩(wěn)態(tài)、管路與滅菌系統(tǒng)保障無菌環(huán)境的協(xié)同配合。

例如，在好氧發(fā)酵中，攪拌器打碎氣泡擴大氣液接觸面積，通氣系統(tǒng)維持溶氧，溫控系統(tǒng)平衡攪拌產(chǎn)熱，測量系統(tǒng)實時反饋數(shù)據(jù)并驅動控制系統(tǒng)調節(jié)參數(shù)，最終實現(xiàn)微生物生長和產(chǎn)物合成的最-優(yōu)化。