搅拌在发酵罐中的作用有哪些？

搅拌在发酵罐中通过机械运动实现多重关键作用，直接影响发酵效率和产物质量，主要功能包括以下方面：  

一、物料混合均匀化  

- 消除浓度梯度：通过桨叶推动液体流动，使培养基中的营养物质（如碳源、氮源、无机盐）、菌体与代谢产物均匀分布，避免局部营养过剩或缺乏。  

- 促进接种均匀性：在接种阶段快速分散菌种，确保菌体在罐内同步生长，减少因接种不均导致的发酵周期差异。  

- 适用场景：尤其对高粘度发酵液（如多糖发酵）或含固体颗粒（如纤维原料）的体系，搅拌是实现均一化的核心手段。

二、强化传质过程  

1. 溶氧传递（好氧发酵关键）  

- 气液界面更新：搅拌桨打碎通入的空气气泡，形成微小气泡群，扩大气液接触面积（如Rushton涡轮桨的强剪切作用）；  

- 湍流扩散加速：高速搅拌产生湍流，缩短溶氧从气泡到菌体表面的扩散路径，提升溶解氧（DO）的传递效率，满足好氧菌的代谢需求（如青霉素发酵需维持DO≥30%饱和度）。  

2. 代谢产物排出  

- 推动菌体分泌的产物（如乙醇、乳酸）从细胞周围向液相主体扩散，避免局部积累抑制菌体活性。 

三、优化传热效率  

- 控制发酵温度：发酵过程中菌体代谢产热（如抗生素发酵放热显著），搅拌可加速热量从发热区域（如菌体聚集处）向冷却夹套或盘管的传递，配合温控系统维持罐内温度均匀（温差≤±0.5℃）。  

- 应对冷热冲击：在灭菌后冷却阶段，搅拌可加速培养基与冷却介质的热交换，减少高温对营养成分的破坏（如防止葡萄糖焦化）。 

四、防止固液分离与沉降  

- 悬浮固体颗粒：对于含不溶性底物（如淀粉颗粒、微生物菌体）的发酵体系，搅拌通过流体曳力维持颗粒悬浮，避免沉积导致罐底局部过热或营养利用不充分。  

- 避免菌体贴壁：锚式或框式搅拌桨贴近罐壁旋转，可刮除附着在罐壁的菌体或粘性物料，防止死角滋生杂菌或影响传热。  

五、辅助工艺操作  

- 在线监测支持：搅拌使罐内参数（如pH、DO、温度）均匀，确保传感器（如pH电极）测得的数据真实反映整体状态，避免因局部差异导致控制偏差。  

- 加料混合辅助：在补料发酵中（如分批补料培养），搅拌可快速混匀新加入的物料（如补加葡萄糖溶液），避免局部渗透压骤变损伤菌体。  

关键考量：搅拌的“双-刃剑"效应  

- 正向作用：通过合理设计桨型（如推进式、涡轮式、螺带式）、转速（50~500 rpm）和挡板配置，可平衡混合效果与能耗。  

- 潜在风险：  

 - 剪切力损伤：高转速或涡轮桨可能对脆弱菌体（如动物细胞、真菌菌丝）造成机械损伤，需选用低剪切桨（如螺旋桨）或降低转速；  

 - 能耗与成本：过度搅拌会增加电机负荷，导致能耗上升（发酵罐能耗中搅拌占比可达30%~50%），需通过计算流体力学（CFD）模拟优化搅拌方案。 

搅拌的功能定位

搅拌是发酵罐实现“工程化放大"的核心技术之一，其本质是通过流体力学作用优化物理环境（混合、传质、传热），为微生物生长和代谢提供稳定且高效的条件。实际应用中需根据发酵类型（好氧/厌氧）、菌体特性（剪切敏感性）和产物类型（胞内/胞外）动态调整搅拌策略，以达到产量与成本的最-优平衡。