发酵罐设备结构分析与应用

一、发酵罐设备结构分析

1. 罐体：

• 材质：多选用不锈钢材质，如 304、316 不锈钢，具备优良的耐腐蚀性，能抵御发酵过程中酸碱介质的侵蚀，确保发酵液纯净无污染，延长罐体使用寿命。

• 形状与尺寸：常见为圆柱体，这种形状受力均匀，易于制造和安装。罐体容积大小不一，小型实验室用发酵罐可能仅有几升，而工业大规模生产用的可达数十立方米甚至更大，依据生产规模灵活选择。

• 罐体壁厚：依据承受压力大小设计，承受高压的罐体壁厚相应增加，以保障在高温高压灭菌及发酵过程中罐体的结构安全，防止破裂泄漏。

2. 搅拌系统：

• 搅拌桨叶：有多种类型，如涡轮式桨叶能产生高强度的径向流与轴向流混合，适用于高黏度发酵液；推进式桨叶则以轴向流为主，混合效率高，动力消耗低，常用于低黏度发酵液搅拌，促使物料快速均匀分散。

• 搅拌轴：连接搅拌桨叶与电机，需具备足够强度与刚性，通常采用不锈钢材质，表面光洁度高，减少对微生物的附着与损伤，部分设计为空心轴，便于安装温度传感器等部件，实现对发酵过程实时监测。

• 电机与减速机：电机提供搅拌动力，根据发酵罐大小及工艺要求，功率从几百瓦到几十千瓦不等；减速机调节搅拌转速，实现精准的转速控制，转速范围一般在几十转到上千转每分钟，满足不同发酵阶段对混合强度的需求。

3. 通气系统：

• 空气过滤器：采用多层过滤介质，如玻璃纤维、活性炭、超滤膜等，过滤精度可达 0.2 - 0.45μm，确保进入发酵罐的空气无菌，防止杂菌污染发酵液，保障发酵过程顺利进行。

• 空气压缩机：为通气提供气源，产生足够压力使空气克服发酵液阻力、管道阻力等进入罐内，压力一般控制在 0.1 - 0.3MPa，依据发酵工艺与罐体深度调节，保证罐内溶氧充足。

• 分布器：位于罐底，将通入的空气均匀分散成微小气泡，增大空气与发酵液接触面积，常见的有环形分布器、多孔板分布器等，提升氧气传递效率，促进微生物有氧呼吸。

4. 加热与冷却系统：

• 夹套：环绕罐体外侧，形成封闭空间，可通入热水或蒸汽加热，冷水或冷冻盐水冷却，结构简单，传热效率相对较低，适用于小型或对温度控制精度要求不高的发酵罐。

• 盘管：在罐体内盘旋布置，与发酵液直接接触，传热面积大，传热效率高，能快速实现升温降温，但安装维修相对复杂，对盘管材质耐腐蚀性要求高，常用于大型发酵罐或对温度敏感的发酵工艺。

• 温度控制系统：通过温度传感器实时监测罐内温度，反馈至控制器，控制器自动调节加热或冷却介质的流量、流速，精准控制发酵温度在设定范围内，温度控制精度可达 ±0.5℃ - ±1℃。

5. 测控系统：

• 传感器：除温度传感器外，还有 pH 传感器，采用玻璃电极或离子敏感场效应晶体管（ISFET）原理，实时测定发酵液酸碱度；溶氧传感器利用极谱法或荧光法，监测溶解在发酵液中的氧气含量，为发酵过程调控提供关键参数依据。

• 控制系统：基于可编程逻辑控制器（PLC）或集散控制系统（DCS）搭建，接收传感器信号，经运算处理后，自动调控搅拌速度、通气量、加热冷却功率等，部分先进系统还具备远程监控、数据存储分析功能，便于工艺优化与故障诊断。

6. 进出料系统：

• 进料口：位于罐体顶部或侧面，设计有管道连接，便于添加培养基、菌种等原料，管道口径依据进料速度与物料黏度设计，部分进料口配有计量装置，精准控制进料量。

• 出料口：在罐体底部，安装有放料阀，如球阀、蝶阀等，可实现快速放料，阀门口径较大，确保出料顺畅，对于连续发酵工艺，出料口还与后续处理设备相连，保障生产流程连续性。

二、发酵罐应用

1. 食品发酵领域：

• 酸奶发酵：利用乳酸菌在发酵罐中发酵牛奶，严格控制温度在 40 - 45℃、pH 在 4.5 - 5.5，经数小时发酵，牛奶中的乳糖转化为乳酸，蛋白质凝固，形成酸奶口感与风味，同时提高营养价值，满足市场对健康乳制品的需求。

• 啤酒酿造：麦芽汁在发酵罐中经酵母发酵，前期需控制温度在 10 - 15℃促进酵母生长繁殖，后期升温至 18 - 22℃加速酒精生成，发酵过程约 7 - 14 天，期间通过通气系统精准调控溶氧，使啤酒具有丰富泡沫、醇厚香气和适宜酒精度。

2. 生物制药领域：

• 抗生素生产：如青霉素生产，产黄青霉在发酵罐内利用特定培养基生长，精确控制温度 25 - 28℃、pH 6.5 - 7.0、溶氧等参数，经 4 - 6 天发酵，微生物代谢产生青霉素，后续经提取、纯化制成药品，挽救无数生命，是现代医学基石之一。

• 疫苗制备：利用发酵罐培养病毒或细菌，如流感疫苗用鸡胚细胞培养流感病毒，在适宜温度、营养供给下，病毒大量增殖，再经灭活、裂解等工艺制成疫苗，为全球免疫接种提供保障，防控传染病传播。

3. 生物化工领域：

• 酶制剂制造：通过发酵罐培养黑曲霉、枯草芽孢杆菌等微生物，使其分泌淀粉酶、蛋白酶等酶类，以生产淀粉酶为例，控制发酵罐温度 30 - 35℃、pH 5.0 - 6.5，发酵 3 - 5 天，收集发酵液后经分离提纯得到高活性淀粉酶，广泛应用于食品、造纸、纺织等工业，降低生产成本，提高生产效率。

• 生物基材料合成：如聚羟基脂肪酸酯（PHA）生产，微生物在发酵罐内利用碳源合成 PHA，经优化发酵条件，可提高 PHA 产量与质量，为开发绿色可降解材料提供技术支撑，缓解塑料污染问题。

4. 环境工程领域：

• 污水处理：在活性污泥法中，利用发酵罐原理的曝气池，培养好氧微生物，控制水温 20 - 30℃、溶解氧 2 - 4mg/L，微生物分解污水中的有机物、氮磷等污染物，实现污水净化，达标排放或回用，保障水环境质量。

• 有机垃圾处理：将厨余垃圾等有机废弃物投入发酵罐，调节碳氮比、水分等条件，利用微生物进行厌氧发酵，产生沼气作为能源回收利用，剩余沼渣制成有机肥料，实现垃圾减量化、资源化、无害化处理，推动循环经济发展。

本厂闲置二手机械式搅拌发酵罐