發(fā)酵罐設(shè)備結(jié)構(gòu)分析與應(yīng)用

一、發(fā)酵罐設(shè)備結(jié)構(gòu)分析

1. 罐體：

• 材質(zhì)：多選用不銹鋼材質(zhì)，如 304、316 不銹鋼，具備優(yōu)良的耐腐蝕性，能抵御發(fā)酵過程中酸堿介質(zhì)的侵蝕，確保發(fā)酵液純凈無污染，延長罐體使用壽命。

• 形狀與尺寸：常見為圓柱體，這種形狀受力均勻，易于制造和安裝。罐體容積大小不一，小型實驗室用發(fā)酵罐可能僅有幾升，而工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)用的可達(dá)數(shù)十立方米甚至更大，依據(jù)生產(chǎn)規(guī)模靈活選擇。

• 罐體壁厚：依據(jù)承受壓力大小設(shè)計，承受高壓的罐體壁厚相應(yīng)增加，以保障在高溫高壓滅菌及發(fā)酵過程中罐體的結(jié)構(gòu)安全，防止破裂泄漏。

2. 攪拌系統(tǒng)：

• 攪拌槳葉：有多種類型，如渦輪式槳葉能產(chǎn)生高強(qiáng)度的徑向流與軸向流混合，適用于高黏度發(fā)酵液；推進(jìn)式槳葉則以軸向流為主，混合效率高，動力消耗低，常用于低黏度發(fā)酵液攪拌，促使物料快速均勻分散。

• 攪拌軸：連接攪拌槳葉與電機(jī)，需具備足夠強(qiáng)度與剛性，通常采用不銹鋼材質(zhì)，表面光潔度高，減少對微生物的附著與損傷，部分設(shè)計為空心軸，便于安裝溫度傳感器等部件，實現(xiàn)對發(fā)酵過程實時監(jiān)測。

• 電機(jī)與減速機(jī)：電機(jī)提供攪拌動力，根據(jù)發(fā)酵罐大小及工藝要求，功率從幾百瓦到幾十千瓦不等；減速機(jī)調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)速范圍一般在幾十轉(zhuǎn)到上千轉(zhuǎn)每分鐘，滿足不同發(fā)酵階段對混合強(qiáng)度的需求。

3. 通氣系統(tǒng)：

• 空氣過濾器：采用多層過濾介質(zhì)，如玻璃纖維、活性炭、超濾膜等，過濾精度可達(dá) 0.2 - 0.45μm，確保進(jìn)入發(fā)酵罐的空氣無菌，防止雜菌污染發(fā)酵液，保障發(fā)酵過程順利進(jìn)行。

• 空氣壓縮機(jī)：為通氣提供氣源，產(chǎn)生足夠壓力使空氣克服發(fā)酵液阻力、管道阻力等進(jìn)入罐內(nèi)，壓力一般控制在 0.1 - 0.3MPa，依據(jù)發(fā)酵工藝與罐體深度調(diào)節(jié)，保證罐內(nèi)溶氧充足。

• 分布器：位于罐底，將通入的空氣均勻分散成微小氣泡，增大空氣與發(fā)酵液接觸面積，常見的有環(huán)形分布器、多孔板分布器等，提升氧氣傳遞效率，促進(jìn)微生物有氧呼吸。

4. 加熱與冷卻系統(tǒng)：

• 夾套：環(huán)繞罐體外側(cè)，形成封閉空間，可通入熱水或蒸汽加熱，冷水或冷凍鹽水冷卻，結(jié)構(gòu)簡單，傳熱效率相對較低，適用于小型或?qū)囟瓤刂凭纫蟛桓叩陌l(fā)酵罐。

• 盤管：在罐體內(nèi)盤旋布置，與發(fā)酵液直接接觸，傳熱面積大，傳熱效率高，能快速實現(xiàn)升溫降溫，但安裝維修相對復(fù)雜，對盤管材質(zhì)耐腐蝕性要求高，常用于大型發(fā)酵罐或?qū)囟让舾械陌l(fā)酵工藝。

• 溫度控制系統(tǒng)：通過溫度傳感器實時監(jiān)測罐內(nèi)溫度，反饋至控制器，控制器自動調(diào)節(jié)加熱或冷卻介質(zhì)的流量、流速，精準(zhǔn)控制發(fā)酵溫度在設(shè)定范圍內(nèi)，溫度控制精度可達(dá) ±0.5℃ - ±1℃。

5. 測控系統(tǒng)：

• 傳感器：除溫度傳感器外，還有 pH 傳感器，采用玻璃電極或離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）原理，實時測定發(fā)酵液酸堿度；溶氧傳感器利用極譜法或熒光法，監(jiān)測溶解在發(fā)酵液中的氧氣含量，為發(fā)酵過程調(diào)控提供關(guān)鍵參數(shù)依據(jù)。

• 控制系統(tǒng)：基于可編程邏輯控制器（PLC）或集散控制系統(tǒng)（DCS）搭建，接收傳感器信號，經(jīng)運算處理后，自動調(diào)控攪拌速度、通氣量、加熱冷卻功率等，部分先進(jìn)系統(tǒng)還具備遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲分析功能，便于工藝優(yōu)化與故障診斷。

6. 進(jìn)出料系統(tǒng)：

• 進(jìn)料口：位于罐體頂部或側(cè)面，設(shè)計有管道連接，便于添加培養(yǎng)基、菌種等原料，管道口徑依據(jù)進(jìn)料速度與物料黏度設(shè)計，部分進(jìn)料口配有計量裝置，精準(zhǔn)控制進(jìn)料量。

• 出料口：在罐體底部，安裝有放料閥，如球閥、蝶閥等，可實現(xiàn)快速放料，閥門口徑較大，確保出料順暢，對于連續(xù)發(fā)酵工藝，出料口還與后續(xù)處理設(shè)備相連，保障生產(chǎn)流程連續(xù)性。

二、發(fā)酵罐應(yīng)用

1. 食品發(fā)酵領(lǐng)域：

• 酸奶發(fā)酵：利用乳酸菌在發(fā)酵罐中發(fā)酵牛奶，嚴(yán)格控制溫度在 40 - 45℃、pH 在 4.5 - 5.5，經(jīng)數(shù)小時發(fā)酵，牛奶中的乳糖轉(zhuǎn)化為乳酸，蛋白質(zhì)凝固，形成酸奶口感與風(fēng)味，同時提高營養(yǎng)價值，滿足市場對健康乳制品的需求。

• 啤酒釀造：麥芽汁在發(fā)酵罐中經(jīng)酵母發(fā)酵，前期需控制溫度在 10 - 15℃促進(jìn)酵母生長繁殖，后期升溫至 18 - 22℃加速酒精生成，發(fā)酵過程約 7 - 14 天，期間通過通氣系統(tǒng)精準(zhǔn)調(diào)控溶氧，使啤酒具有豐富泡沫、醇厚香氣和適宜酒精度。

2. 生物制藥領(lǐng)域：

• 抗生素生產(chǎn)：如青霉素生產(chǎn)，產(chǎn)黃青霉在發(fā)酵罐內(nèi)利用特定培養(yǎng)基生長，精確控制溫度 25 - 28℃、pH 6.5 - 7.0、溶氧等參數(shù)，經(jīng) 4 - 6 天發(fā)酵，微生物代謝產(chǎn)生青霉素，后續(xù)經(jīng)提取、純化制成藥品，挽救無數(shù)生命，是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)基石之一。

• 疫苗制備：利用發(fā)酵罐培養(yǎng)病毒或細(xì)菌，如流感疫苗用雞胚細(xì)胞培養(yǎng)流感病毒，在適宜溫度、營養(yǎng)供給下，病毒大量增殖，再經(jīng)滅活、裂解等工藝制成疫苗，為全球免疫接種提供保障，防控傳染病傳播。

3. 生物化工領(lǐng)域：

• 酶制劑制造：通過發(fā)酵罐培養(yǎng)黑曲霉、枯草芽孢桿菌等微生物，使其分泌淀粉酶、蛋白酶等酶類，以生產(chǎn)淀粉酶為例，控制發(fā)酵罐溫度 30 - 35℃、pH 5.0 - 6.5，發(fā)酵 3 - 5 天，收集發(fā)酵液后經(jīng)分離提純得到高活性淀粉酶，廣泛應(yīng)用于食品、造紙、紡織等工業(yè)，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

• 生物基材料合成：如聚羥基脂肪酸酯（PHA）生產(chǎn)，微生物在發(fā)酵罐內(nèi)利用碳源合成 PHA，經(jīng)優(yōu)化發(fā)酵條件，可提高 PHA 產(chǎn)量與質(zhì)量，為開發(fā)綠色可降解材料提供技術(shù)支撐，緩解塑料污染問題。

4. 環(huán)境工程領(lǐng)域：

• 污水處理：在活性污泥法中，利用發(fā)酵罐原理的曝氣池，培養(yǎng)好氧微生物，控制水溫 20 - 30℃、溶解氧 2 - 4mg/L，微生物分解污水中的有機(jī)物、氮磷等污染物，實現(xiàn)污水凈化，達(dá)標(biāo)排放或回用，保障水環(huán)境質(zhì)量。

• 有機(jī)垃圾處理：將廚余垃圾等有機(jī)廢棄物投入發(fā)酵罐，調(diào)節(jié)碳氮比、水分等條件，利用微生物進(jìn)行厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生沼氣作為能源回收利用，剩余沼渣制成有機(jī)肥料，實現(xiàn)垃圾減量化、資源化、無害化處理，推動循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

本廠閑置二手機(jī)械式攪拌發(fā)酵罐