發酵罐是微生物發酵生產的核心設備，其結構設計需滿足微生物生長代謝、產物合成及工藝控制的需求。以下是發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：容納培養基、微生物菌體及發酵產物，容積從幾升到數萬升不等。  

2. 維持無菌環境：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

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"，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：推動培養基流動，使菌體、營養物質、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（通氣發酵中尤為重要）；  

  - 促進熱量傳遞，配合溫控系統維持罐內溫度均勻。  

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（好氧發酵關鍵組件）

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. 促進代謝產物排出：通過氣流攪動，協助排出CO?、揮發性代謝物（如乙醇）。  

3. 維持罐壓：通過調節進氣量和排氣閥，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

組成  

- 加熱/冷卻裝置：  

 - 夾套：罐體外側的環形空間，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，節省空間。  

- 溫度傳感器：熱電偶或熱電阻，實時監測罐內溫度，聯動控制系統調節熱源/冷源流量。  

功能  

1. 維持適宜溫度：根據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. 移除發酵熱：微生物代謝產熱或攪拌產熱時，及時散熱防止溫度過高抑制菌體生長。  

五、測量與控制系統

組成  

- 在線檢測儀表：  

 - pH電極：監測發酵液酸堿度，聯動酸堿添加系統調節；  

 - 溶氧（DO）電極：檢測溶解氧濃度，調節通氣量或攪拌轉速；  

 - 液位計：超聲波、雷達或電容式，監測液面高度，控制進料量；  

 - 壓力傳感器：監測罐內壓力，調節排氣閥。  

- 控制系統：PLC（可編程邏輯控制器）或DCS（分布式控制系統），集成數據采集、參數調節、報警功能。  

功能  

1. 實時監控參數：連續監測pH、DO、溫度、壓力、液位等關鍵指標，動態反映發酵狀態。  

2. 自動控制調節：根據預設程序自動調整攪拌轉速、通氣量、補料速率等，實現發酵過程的自動化和標準化。  

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

六、管路與閥門系統

組成  

- 管路：進料管（培養基、補料）、出料管、空氣進/排氣管、蒸汽管、冷卻水管等，采用衛生級不銹鋼材質，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；  

 - 調節閥：自動控制流量（如氣動調節閥調節進氣量）；  

 - 安全閥：防止罐內壓力過高，保障設備安全。  

功能  

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

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

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

七、滅菌系統

組成  

- 蒸汽發生裝置：鍋爐或蒸汽發生器，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，實現系統整體滅菌。  

功能  

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

2. 在線滅菌：無需拆卸設備，通過蒸汽循環對整個系統（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：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添加。  

3. 清洗系統（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。  

各系統的協同作用  

發酵罐的高效運行依賴于罐體提供物理空間、攪拌與通氣系統強化傳質、溫控與控制系統維持穩態、管路與滅菌系統保障無菌環境的協同配合。

例如，在好氧發酵中，攪拌器打碎氣泡擴大氣液接觸面積，通氣系統維持溶氧，溫控系統平衡攪拌產熱，測量系統實時反饋數據并驅動控制系統調節參數，最終實現微生物生長和產物合成的最-優化。