一、发酵罐的定义与分类
1、定义
发酵罐，又称生物反应器，是一种为微生物或动植物细胞提供适宜生长代谢环境的密闭式容器。它广泛应用于食品、制药、化工、环保、能源等领域，用于生产酒精、啤酒、酸奶、抗生素、疫苗、酶制剂、有机酸、生物柴油等产品。发酵罐的核心功能是创造一个无菌、可控的环境，使微生物或细胞能够高效繁殖并产生目标代谢产物。
2、分类
发酵罐可按多种方式分类。按微生物需氧特性，分为好氧发酵罐和厌氧发酵罐。好氧发酵罐需配备通气系统，提供氧气；厌氧发酵罐则需密封，隔绝空气。按罐体结构，分为机械搅拌式发酵罐、气升式发酵罐、鼓泡式发酵罐、膜生物反应器等。机械搅拌式发酵罐应用最广，通过搅拌桨实现物料混合。按操作方式，分为分批发酵罐、连续发酵罐和补料分批发酵罐。分批发酵罐一次性投料，发酵结束后放罐；连续发酵罐连续进料和出料；补料分批发酵罐在发酵过程中分批补加营养。
二、发酵罐的作用
1、提供无菌环境
发酵罐必须能够维持无菌状态，防止杂菌污染。罐体需具有良好的密封性，所有与外界连通的接口（如进料口、出料口、通气口、取样口等）均需配备无菌过滤器或灭菌装置。罐体内部需能够承受高温蒸汽灭菌，确保每次发酵前罐内无菌。
2、控制温度
温度是影响微生物生长和代谢的关键因素。发酵罐通过加热冷却系统控制罐内温度，使其保持在最适范围内。加热方式包括夹套加热、盘管加热和电加热。冷却方式包括夹套冷却、盘管冷却和外部循环冷却。控制系统根据温度传感器反馈的信号，自动调节加热或冷却介质的流量，实现精确控温。
3、控制pH值
pH值影响微生物的酶活性和代谢途径。发酵罐通过pH传感器实时监测罐内pH值，并通过控制系统自动添加酸液或碱液，将pH值维持在设定范围内。对于产酸发酵，需添加碱液中和；对于产碱发酵，需添加酸液中和。
4、控制溶氧
对于好氧发酵，溶氧是限制微生物生长和产物合成的关键因素。发酵罐通过通气系统向罐内通入无菌空气，并通过搅拌系统将空气分散成微小气泡，增加气液接触面积，提高溶氧速率。控制系统根据溶氧传感器反馈的信号，自动调节通气量和搅拌速度，维持适宜的溶氧水平。
5、提供营养
发酵罐通过进料系统向罐内添加培养基，为微生物提供碳源、氮源、无机盐、维生素等营养物质。对于补料分批发酵，控制系统可根据微生物生长状态和代谢需求，自动补加营养，延长发酵周期，提高产物浓度。
三、发酵罐的工作原理
1、物料混合与传质
搅拌系统是发酵罐的核心部件。搅拌电机通过减速机驱动搅拌轴旋转，搅拌桨将物料混合均匀，消除温度、pH和营养浓度梯度。搅拌同时将空气分散成微小气泡，增加气液接触面积，促进氧气从气相向液相传递。搅拌速度需根据物料特性和微生物需求进行调节，过高会产生剪切力，损伤微生物；过低则混合不均，传质效率低。
2、热量传递
发酵过程中微生物代谢会产生大量热量，导致罐内温度升高。加热冷却系统通过夹套或盘管中的介质（蒸汽或冷却水）与罐内物料进行热量交换，维持温度恒定。控制系统根据温度传感器反馈，自动调节介质流量，实现精确控温。
3、过程控制
控制系统是发酵罐的“大脑”。它通过传感器实时监测温度、pH、溶氧、压力、液位等参数，并根据预设的工艺曲线，自动调节搅拌速度、通气量、加热冷却介质流量、酸液碱液添加量、补料速度等执行机构，实现发酵过程的自动控制。控制系统还可记录和存储发酵数据，便于后续分析和优化。
