生物发酵罐的核心功能是为微生物(如细菌、酵母、真菌等)或细胞的生长、代谢和目标产物合成提供可控的适宜环境,通过精准调控各类参数,实现高效、稳定的生物反应过程。其核心功能具体体现在以下方面:
1. 提供适宜的物理化学环境
- 温度控制
- 通过夹套、盘管等换热结构,精确调节发酵液温度,满足不同微生物的最适生长温度(如大肠杆菌适宜37℃,酵母菌适宜25~30℃)。
- 低温发酵时需防止冷却介质结冰,高温发酵需及时散热,避免酶失活或菌体死亡。
- 酸碱度(pH)控制
- 通过在线pH传感器实时监测,自动补加酸(如盐酸)或碱(如氢氧化钠)调节,维持微生物代谢所需的pH范围(如多数细菌适宜pH 6.5~7.5)。
- 溶氧(DO)控制
- 对好氧发酵(如抗生素、氨基酸生产),通过通气(无菌空气)、搅拌、罐压调节等手段,确保溶氧浓度满足菌体呼吸和代谢需求,避免因缺氧导致代谢途径改变。
- 压力控制
- 维持罐体微正压(如0.05~0.1 MPa),防止外界杂菌侵入,同时可提高氧气溶解度(对好氧发酵)。
2. 实现物料混合与传质传热
- 搅拌与混合
- 通过搅拌桨(如推进式、涡轮式)的旋转,使发酵液均匀混合,避免局部营养物质或代谢产物浓度不均,同时促进气-液-固三相(如有固定化细胞)的传质效率。
- 优化搅拌速度和桨型,平衡混合效果与剪切力(高剪切可能损伤脆弱菌体,如动物细胞)。
- 传热效率优化
- 夹套或盘管内的热交换介质(如水、蒸汽、乙二醇)循环,快速传递热量,确保发酵过程中温度波动控制在±0.5℃以内。
- 对放热剧烈的发酵(如菌体快速生长阶段),需增大冷却介质流量或降低进水温度。
3. 保障无菌环境与过程安全
- 无菌操作
- 罐体、管道、接口(接种口、取样口等)需通过高温灭菌(如121℃湿热灭菌30分钟),配合空气过滤(0.22 μm滤芯)防止杂菌污染。
- 在线监测染菌迹象(如pH异常波动、溶氧突然下降、发酵液变浑浊),及时采取灭菌或终止发酵措施。
- 安全设计
- 配备压力安全阀、爆破片,防止因灭菌或发酵产气(如CO₂)导致罐体超压爆炸。
- 对易燃易爆场景(如乙醇发酵),采用防爆电机、静电接地等措施,避免电火花引发危险。
4. 支持工艺参数在线监测与调控
- 实时监控
- 集成pH、DO、温度、液位、压力等传感器,通过控制系统(如PLC/DCS)实时显示数据并生成趋势曲线,便于操作人员及时调整参数。
- 部分高-端发酵罐可接入近红外光谱、质谱等在线分析设备,实时追踪产物浓度、底物消耗等关键指标。
- 自动化控制
- 根据预设工艺程序,自动调节补料(如碳源、氮源、前体物质)、通气量、搅拌转速等,实现发酵过程的标准化和重复性。
- 例如:当溶氧低于设定值时,自动提高通气量或增加搅拌转速;当pH下降时,自动补加碱液。
5. 促进目标产物高效合成
- 代谢路径引导
- 通过调控环境参数(如诱导剂添加时机、溶氧阶跃控制),诱导微生物表达目标产物(如重组蛋白、酶制剂、抗生素),抑制副产物生成。
- 例如:在基因工程菌生产胰岛素时,通过IPTG诱导剂触发目的基因表达,同时控制温度抑制包涵体形成。
- 工艺放大能力
- 实验室规模发酵罐(5~50 L)的工艺可通过相似放大原则(如保持单位体积功率、传氧系数一致),逐步放大至工业规模(10~1000 m³),确保小试成果可稳定转化为量产。
生物发酵罐的核心功能可概括为:以微生物为“生物催化剂",以罐体为“反应容器",通过精准环境控制和过程优化,实现目标产物的规模化、可控化生产。
其设计与运行的优劣直接决定了发酵效率、产物质量和生产成本,是生物工程、制药、食品、能源等领域的关键核心设备。