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發(fā)酵罐的主要組成部分有哪些?各自的功能是什么?

來源:霄漢實業(yè)發(fā)展(廣州)有限公司   2025年06月17日 09:46  

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316L304),內壁拋光(粗糙度Ra0.6μm),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。

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