液体发酵罐的工作原理是什么？

液体发酵罐的工作原理主要围绕为微生物发酵提供适宜的环境和条件展开，以促进微生物的生长代谢，从而实现目标产物的生成和积累，以下是其具体介绍：

温度控制

发酵罐通常配备有加热和冷却装置，如夹套、蛇管等，通过循环热水或冷水来调节发酵罐内液体培养基的温度。因为温度是影响微生物生长和代谢的关键因素，不同的微生物有其适宜的生长温度范围，过高或过低的温度都可能影响发酵效果，例如谷氨酸发酵的适宜温度一般在30℃-32℃.

氧气供应

好氧微生物在发酵过程中需要充足的氧气来进行代谢活动。发酵罐设有进气孔和通风装置，无菌空气通过空气过滤器过滤后进入发酵罐，以气泡的形式分散在液体培养基中，增加氧气与液体的接触面积，使微生物能够充分利用氧气进行生长和代谢.

搅拌混合

发酵罐内部装有搅拌器，搅拌器由电机、搅拌轴和搅拌桨等组成。搅拌桨在电机的驱动下旋转，使发酵罐内的液体培养基产生强烈的轴向和径向流动，从而达到以下效果 ：

- 使物料均匀混合：将培养基中的营养物质、微生物细胞以及溶解的氧气等充分混合，避免出现局部营养过剩或不足、溶氧不均等情况，保证微生物在整个发酵罐内都能获得良好的生长条件。

- 防止菌体沉淀：对于一些微生物细胞，尤其是丝状菌或较大的细胞团，如果不进行搅拌，容易在罐底沉淀堆积，影响其与营养物质和氧气的接触，进而影响发酵效率。搅拌可以使菌体保持悬浮状态，充分与周围环境进行物质交换。

营养物质供应

液体发酵罐中的液体培养基含有微生物生长所需的各种营养物质，如碳源、氮源、无机盐、维生素等。在发酵过程中，微生物不断消耗这些营养物质，同时产生代谢产物。为了保证微生物的持续生长和代谢，需要根据微生物的生长阶段和代谢需求，适时地向发酵罐中补充营养物质，以维持培养基中营养成分的平衡.

酸碱度控制

微生物的生长和代谢会导致发酵液的酸碱度发生变化，而不同的微生物对pH值有不同的适应范围。发酵罐通常配备有pH值监测和调节装置，如pH电极和酸碱添加泵。通过实时监测发酵液的pH值，并自动添加酸液或碱液来调节pH值，使其保持在适宜微生物生长和代谢的范围内，例如，青霉素发酵的适宜pH值范围一般在6.5-7.2之间.

消泡控制

在发酵过程中，由于微生物的代谢活动以及搅拌等操作，可能会产生大量的泡沫。过多的泡沫会占据发酵罐的有效容积，影响发酵过程的正常进行，甚至导致发酵液溢出罐外，造成染菌风险。发酵罐一般设有消泡装置，如消泡剂添加系统或机械消泡装置，当泡沫达到一定高度时，消泡装置自动启动，添加消泡剂或通过机械方式破坏泡沫，以维持发酵罐内的正常液位和发酵环境.

无菌环境维持

发酵过程必须在无菌条件下进行，以防止杂菌污染。发酵罐本身具有良好的密封性，同时在进料、进气等环节都配备了高效的过滤装置，如空气过滤器、管道过滤器等，能够有效地过滤掉空气中的细菌、孢子等微生物，防止杂菌进入发酵罐。此外，发酵罐在使用前还需要进行严格的灭菌处理，如蒸汽灭菌、化学灭菌等，以确保罐内环境无菌.

产物分离与提取

发酵结束后，需要将发酵产物从发酵液中分离和提取出来。一些发酵罐配备了初步的分离装置，如离心分离器、过滤装置等，可以在发酵罐内或罐外对发酵液进行初步处理，将菌体、细胞碎片等固体物质与发酵上清液分离，然后再通过进一步的纯化工艺，如萃取、层析、结晶等，获得高纯度的发酵产物.

根据不同的设计和应用，液体发酵罐有多种类型，常见的有机械搅拌式发酵罐、气升式发酵罐等，它们在具体的工作原理和操作方式上可能会有所不同.

- 机械搅拌式发酵罐：主要依靠搅拌器的旋转来实现液体的搅拌混合、氧气分散以及热量传递等功能。搅拌桨叶的形状、尺寸、数量以及搅拌速度等都会影响发酵罐内的流体力学特性和传质传热效果.

- 气升式发酵罐：利用空气喷嘴喷射出高速流动的空气，空气以气泡形式分散到发酵罐的液体中，使通气一侧的液体密度下降，与不通气一侧的液体形成密度差，从而驱动发酵罐内的液体产生循环流动，实现液体的混合、氧气传递和热量交换等过程，无需机械搅拌装置，具有能耗低、剪切力小等优点.