液體發(fā)酵罐的工作原理是什么？

液體發(fā)酵罐的工作原理主要圍繞為微生物發(fā)酵提供適宜的環(huán)境和條件展開，以促進微生物的生長代謝，從而實現(xiàn)目標產(chǎn)物的生成和積累，以下是其具體介紹：

溫度控制

發(fā)酵罐通常配備有加熱和冷卻裝置，如夾套、蛇管等，通過循環(huán)熱水或冷水來調(diào)節(jié)發(fā)酵罐內(nèi)液體培養(yǎng)基的溫度。因為溫度是影響微生物生長和代謝的關鍵因素，不同的微生物有其適宜的生長溫度范圍，過高或過低的溫度都可能影響發(fā)酵效果，例如谷氨酸發(fā)酵的適宜溫度一般在30℃-32℃.

氧氣供應

好氧微生物在發(fā)酵過程中需要充足的氧氣來進行代謝活動。發(fā)酵罐設有進氣孔和通風裝置，無菌空氣通過空氣過濾器過濾后進入發(fā)酵罐，以氣泡的形式分散在液體培養(yǎng)基中，增加氧氣與液體的接觸面積，使微生物能夠充分利用氧氣進行生長和代謝.

攪拌混合

發(fā)酵罐內(nèi)部裝有攪拌器，攪拌器由電機、攪拌軸和攪拌槳等組成。攪拌槳在電機的驅動下旋轉，使發(fā)酵罐內(nèi)的液體培養(yǎng)基產(chǎn)生強烈的軸向和徑向流動，從而達到以下效果 ：

- 使物料均勻混合：將培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)、微生物細胞以及溶解的氧氣等充分混合，避免出現(xiàn)局部營養(yǎng)過剩或不足、溶氧不均等情況，保證微生物在整個發(fā)酵罐內(nèi)都能獲得良好的生長條件。

- 防止菌體沉淀：對于一些微生物細胞，尤其是絲狀菌或較大的細胞團，如果不進行攪拌，容易在罐底沉淀堆積，影響其與營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的接觸，進而影響發(fā)酵效率。攪拌可以使菌體保持懸浮狀態(tài)，充分與周圍環(huán)境進行物質(zhì)交換。

營養(yǎng)物質(zhì)供應

液體發(fā)酵罐中的液體培養(yǎng)基含有微生物生長所需的各種營養(yǎng)物質(zhì)，如碳源、氮源、無機鹽、維生素等。在發(fā)酵過程中，微生物不斷消耗這些營養(yǎng)物質(zhì)，同時產(chǎn)生代謝產(chǎn)物。為了保證微生物的持續(xù)生長和代謝，需要根據(jù)微生物的生長階段和代謝需求，適時地向發(fā)酵罐中補充營養(yǎng)物質(zhì)，以維持培養(yǎng)基中營養(yǎng)成分的平衡.

酸堿度控制

微生物的生長和代謝會導致發(fā)酵液的酸堿度發(fā)生變化，而不同的微生物對pH值有不同的適應范圍。發(fā)酵罐通常配備有pH值監(jiān)測和調(diào)節(jié)裝置，如pH電極和酸堿添加泵。通過實時監(jiān)測發(fā)酵液的pH值，并自動添加酸液或堿液來調(diào)節(jié)pH值，使其保持在適宜微生物生長和代謝的范圍內(nèi)，例如，青霉素發(fā)酵的適宜pH值范圍一般在6.5-7.2之間.

消泡控制

在發(fā)酵過程中，由于微生物的代謝活動以及攪拌等操作，可能會產(chǎn)生大量的泡沫。過多的泡沫會占據(jù)發(fā)酵罐的有效容積，影響發(fā)酵過程的正常進行，甚至導致發(fā)酵液溢出罐外，造成染菌風險。發(fā)酵罐一般設有消泡裝置，如消泡劑添加系統(tǒng)或機械消泡裝置，當泡沫達到一定高度時，消泡裝置自動啟動，添加消泡劑或通過機械方式破壞泡沫，以維持發(fā)酵罐內(nèi)的正常液位和發(fā)酵環(huán)境.

無菌環(huán)境維持

發(fā)酵過程必須在無菌條件下進行，以防止雜菌污染。發(fā)酵罐本身具有良好的密封性，同時在進料、進氣等環(huán)節(jié)都配備了高效的過濾裝置，如空氣過濾器、管道過濾器等，能夠有效地過濾掉空氣中的細菌、孢子等微生物，防止雜菌進入發(fā)酵罐。此外，發(fā)酵罐在使用前還需要進行嚴格的滅菌處理，如蒸汽滅菌、化學滅菌等，以確保罐內(nèi)環(huán)境無菌.

產(chǎn)物分離與提取

發(fā)酵結束后，需要將發(fā)酵產(chǎn)物從發(fā)酵液中分離和提取出來。一些發(fā)酵罐配備了初步的分離裝置，如離心分離器、過濾裝置等，可以在發(fā)酵罐內(nèi)或罐外對發(fā)酵液進行初步處理，將菌體、細胞碎片等固體物質(zhì)與發(fā)酵上清液分離，然后再通過進一步的純化工藝，如萃取、層析、結晶等，獲得高純度的發(fā)酵產(chǎn)物.

根據(jù)不同的設計和應用，液體發(fā)酵罐有多種類型，常見的有機械攪拌式發(fā)酵罐、氣升式發(fā)酵罐等，它們在具體的工作原理和操作方式上可能會有所不同.

- 機械攪拌式發(fā)酵罐：主要依靠攪拌器的旋轉來實現(xiàn)液體的攪拌混合、氧氣分散以及熱量傳遞等功能。攪拌槳葉的形狀、尺寸、數(shù)量以及攪拌速度等都會影響發(fā)酵罐內(nèi)的流體力學特性和傳質(zhì)傳熱效果.

- 氣升式發(fā)酵罐：利用空氣噴嘴噴射出高速流動的空氣，空氣以氣泡形式分散到發(fā)酵罐的液體中，使通氣一側的液體密度下降，與不通氣一側的液體形成密度差，從而驅動發(fā)酵罐內(nèi)的液體產(chǎn)生循環(huán)流動，實現(xiàn)液體的混合、氧氣傳遞和熱量交換等過程，無需機械攪拌裝置，具有能耗低、剪切力小等優(yōu)點.