发酵罐的主要组成部分有哪些？各自的功能是什么？

发酵罐是微生物发酵生产的核心设备，其结构设计需满足微生物生长代谢、产物合成及工艺控制的需求。以下是发酵罐的主要组成部分及其功能：

一、罐体（反应容器）

功能  

1. 提供反应空间：容纳培养基、微生物菌体及发酵产物，容积从几升到数万升不等。  

2. 维持无菌环境：采用不锈钢材质（如316L或304），内壁抛光（粗糙度Ra≤0.6μm），减少死角和微生物附着，便于灭菌和清洁。  

3. 结构设计：  

  - 圆筒形主体+椭圆形/碟形封头，底部倾斜或安装挡板，避免物料滞留；  

  - 顶部设人孔、视镜、进料口，底部设出料口、排污口，便于操作和清洗。  

二、搅拌系统

组成  

- 搅拌器（叶轮）：常见类型有涡轮式、桨式、锚式、螺带式等；  

- 搅拌轴：连接电机与搅拌器，传递动力；  

- 挡板：固定于罐壁，防止液体随搅拌器旋转形成“圆柱状回转区"，增强湍动；  

- 消泡桨：安装于液面上方，破碎泡沫（或配合消泡剂使用）。  

功能  

1. 混合均匀：推动培养基流动，使菌体、营养物质、氧气充分接触，避免局部浓度梯度。  

2. 强化传质传热：  

  - 加速氧气从气相向液相的转移（通气发酵中尤为重要）；  

  - 促进热量传递，配合温控系统维持罐内温度均匀。  

3. 控制泡沫：通过机械剪切破碎泡沫，减少逃液和染菌风险。  

三、通气系统（好氧发酵关键组件）

组成  

- 空气过滤装置：除菌过滤器（如0.22μm膜滤芯），确保通入空气无菌；  

- 空气分布器：多孔环管、单孔喷嘴等，将空气分散为细小气泡，增加气液接触面积。  

功能  

1. 提供氧气：满足好氧微生物的呼吸需求，维持其代谢活性。  

2. 促进代谢产物排出：通过气流搅动，协助排出CO₂、挥发性代谢物（如乙醇）。  

3. 维持罐压：通过调节进气量和排气阀，保持罐内正压（通常0.05~0.2MPa），防止外界杂菌侵入。  

四、温控系统

组成  

- 加热/冷却装置：  

 - 夹套：罐体外侧的环形空间，通入蒸汽（加热）或冷水/冷冻液（冷却）；  

 - 盘管：罐内蛇形管道，适用于大容量罐体或需要剧烈控温的场景；  

 - 半管夹套：焊接于罐体外侧的半圆管道，传热效率高，节省空间。  

- 温度传感器：热电偶或热电阻，实时监测罐内温度，联动控制系统调节热源/冷源流量。  

功能  

1. 维持适宜温度：根据微生物生长和代谢需求（如大肠杆菌最适37℃，酵母菌28~30℃），精确控制温度波动（±0.5℃）。  

2. 控制发酵进程：通过升温或降温诱导特定代谢路径（如诱导表达重组蛋白时升温至42℃）。  

3. 移除发酵热：微生物代谢产热或搅拌产热时，及时散热防止温度过高抑制菌体生长。  

五、测量与控制系统

组成  

- 在线检测仪表：  

 - pH电极：监测发酵液酸碱度，联动酸碱添加系统调节；  

 - 溶氧（DO）电极：检测溶解氧浓度，调节通气量或搅拌转速；  

 - 液位计：超声波、雷达或电容式，监测液面高度，控制进料量；  

 - 压力传感器：监测罐内压力，调节排气阀。  

- 控制系统：PLC（可编程逻辑控制器）或DCS（分布式控制系统），集成数据采集、参数调节、报警功能。  

功能  

1. 实时监控参数：连续监测pH、DO、温度、压力、液位等关键指标，动态反映发酵状态。  

2. 自动控制调节：根据预设程序自动调整搅拌转速、通气量、补料速率等，实现发酵过程的自动化和标准化。  

3. 异常报警与保护：超限-时报警并触发安全措施（如停止搅拌、切断进料），避免生产事故。  

六、管路与阀门系统

组成  

- 管路：进料管（培养基、补料）、出料管、空气进/排气管、蒸汽管、冷却水管等，采用卫生级不锈钢材质，内壁光滑易灭菌。  

- 阀门：  

 - 无菌阀：隔膜阀、球阀等，密封性好，可在线灭菌；  

 - 调节阀：自动控制流量（如气动调节阀调节进气量）；  

 - 安全阀：防止罐内压力过高，保障设备安全。  

功能  

1. 物料传输：实现培养基灭菌前后的转移、补料（如葡萄糖、前体物质）、产物放料等操作。  

2. 灭菌通路：蒸汽可通过管路进入罐体、夹套、过滤器等，实现系统原位灭菌（SIP）。  

3. 隔离与控制：通过阀门切换不同工艺阶段（如灭菌、接种、发酵、放料），避免交叉污染。  

七、灭菌系统

组成  

- 蒸汽发生装置：锅炉或蒸汽发生器，提供高温高压蒸汽（通常121℃、0.1MPa）；  

- 原位灭菌（SIP）管路：连接蒸汽源与罐体、管路、过滤器，实现系统整体灭菌。  

功能  

1. 杀灭杂菌：通过湿热灭菌（蒸汽）彻-底杀灭罐体、管路、培养基中的微生物及孢子，确保无菌环境。  

2. 在线灭菌：无需拆卸设备，通过蒸汽循环对整个系统（包括过滤器、阀门）进行灭菌，减少人工操作污染风险。  

八、其他辅助组件

1. 接种装置：无菌接种口（如火焰接种、压差接种），避免接种时染菌。  

2. 消泡系统：除机械消泡桨外，可配置消泡剂自动添加装置，通过液位或泡沫传感器触发添加。  

3. 清洗系统（CIP）：旋转喷淋球+清洗液（酸碱液、清水），自动清洗罐内壁，减少人工劳动和残留污染。  

各系统的协同作用  

发酵罐的高效运行依赖于罐体提供物理空间、搅拌与通气系统强化传质、温控与控制系统维持稳态、管路与灭菌系统保障无菌环境的协同配合。

例如，在好氧发酵中，搅拌器打碎气泡扩大气液接触面积，通气系统维持溶氧，温控系统平衡搅拌产热，测量系统实时反馈数据并驱动控制系统调节参数，最终实现微生物生长和产物合成的最-优化。