发酵罐不可缺一的五大系统

　　近年来，生物发酵行业作为我国战略性新兴产业中的重要组成部分，呈现出稳定增长的态势。发酵罐作为生物发酵行业的重要设备，同样也迎来良好的市场发展行情。
　　
　　一、发酵罐的机械搅拌系统
　　
　　机械搅拌系统作为发酵罐的主要特征之一，其提供的动力是机械搅拌罐质量传递、热量传递、混合和悬浮物均匀分布的基本保证。搅拌装置的设计和选择必须综合考虑，以满足上述要求并降低造价和动力消耗。
　　
　　简单介绍机械搅拌系统的六大组成部分：电机、变速箱、搅拌轴、搅拌桨、轴封和挡板。
　　
　　1.电机和变速箱
　　
　　电机和变速箱置于罐体之外。对于小型发酵罐，企业可以采用单相电驱动的电机，而大型发酵罐所用的一般均为三相电机。大型发酵罐，由于电机的转速一般远高于搅拌转速，因此企业必须通过变速箱降低转速。而实验室小型发酵罐可以采用无级变速，不需要变速箱。值得注意的是，在间歇培养时，细胞生长各个阶段对剪切力和氧传递有不同的要求，为了降低功耗，最好采用可调速电机。
　　
　　2.搅拌轴
　　
　　搅拌轴既可以从顶部伸入罐体，也可以从底部伸入罐体，前者称为上搅拌，后者称为下搅拌。一般而言，上搅拌的制造和安装成本略高于下搅拌。但是，采用下搅拌时，培养基中的固体颗粒或者可溶性成分在水分挥发后形成的结晶会损坏轴封，使其维护成本增加。另外，不同尺寸的通气搅拌罐，其搅拌桨层数也不同，小型发酵罐一般只有一层搅拌桨，而大型发酵罐一般具有2～4层搅拌桨以改善混合和传质。
　　
　　3.搅拌桨
　　
　　搅拌桨根据搅拌所产生的流体运动的初始方向，可以分为径向流搅拌桨和轴向流搅拌桨。径向流搅拌桨将流体向外推进，遇反应器内壁和档板后再向上下两侧折返，产生次生流。轴向流搅拌桨则使流体一开始就沿轴向运动。一般而言，带轴向流搅拌桨的反应器，其功率准数较低，达到同样混合效果所需消耗的能量要远低于径向流搅拌桨。径向流搅拌桨所造成的剪切力大于轴向流搅拌桨，这有利于打碎气泡，从而增大总括氧传递速率常数，但会对有些细胞产生伤害。
　　
　　因此，径向流搅拌桨多用于对剪切力不敏感的好氧细菌和酵母的培养，而轴向流搅拌桨多用于对剪切力敏感的生物反应体系。
　　
　　4.轴封
　　
　　轴封的主要作用是防止环境中的微生物侵入发酵罐以及培养液等发生泄漏。机械传动部件往往是造成染菌的主要原因之一，因此轴封设计的关键是避免染菌和泄漏，应尽可能采用无菌密封材料。
　　
　　5.挡板
　　
　　为防止搅拌时液面上产生大的旋涡，并促进罐内流体在各个方向的混合，与搅拌桨相对应，在罐体上还安装有挡板。挡板的设计要满足“全挡板条件”。所谓全挡板条件，是指在搅拌罐中再增加挡板或其它附件时，搅拌功率不再增加。挡板的数目通常为4～6块，其宽度为0.1～0.12D。全挡板条件是达到消除液面漩涡的最低条件。
　　
　　二、发酵罐的温度控制系统
　　
　　为了保证给细胞生长和代谢提供合适的温度，温度控制系统也是发酵罐所必备的。温度控制系统由温度测量电极、热交换装置及相应的控制装置组成。
　　
　　由于生物反应和机械搅拌都是放热过程，多数生物反应体系在运行期间需要冷却，就地灭菌后的培养基更要求快速冷却。对大型发酵罐，通常采用罐内安装的冷却盘管或采用夹套式发酵罐进行温度控制;而对5m3以下的小型发酵罐，热交换器多采用夹套作为换热装置。对大型发酵罐，盘管的冷却效率要远高于夹套，而且传热面积可以根据需要设计，但它要占用反应器空间，并使反应器清洗和灭菌更加困难。为了强化传热，夹套可以设计成蜂窝状以增加冷却介质的流速，这样可以弥补传热面积不足的限制。
　　
　　培养基的就地灭菌需要加热装置。有时细胞培养的开始阶段和结束阶段由于细胞产生的代谢热不足以维持生物反应器内的最适温度，需要通过热交换器加热。大型发酵罐培养基的就地灭菌一般采用直接向反应器中通入高压水蒸汽的方法实现快速加热。小型发酵罐则通常采用夹套加热或电加热。
　　
　　三、发酵罐的pH值和溶氧测量与控制系统
　　
　　细胞生长都有最适pH值，因此需要对培养介质的pH进行检测和控制。pH控制系统包括pH电极、酸及碱储罐、耐酸或碱的管道和泵及相应的控制系统组成。根据不同生物反应体系的实际需要，可以只加酸或加碱系统，也可以两者都具备。在流加培养时，通过碳源或/和氮源的补料也能起到调节pH的作用。
　　
　　溶氧是好氧发酵体系最重要的参数之一。传统的工业发酵罐只是简单地通过人工调节空气流量来实现溶氧控制，可灭菌的溶氧电极改变了这种情况，使溶解氧浓度也可以实现在线检测和控制，为及时了解发酵过程的进程及提高产物产量创造了条件。
　　
　　有些先进的发酵罐还配备了发酵罐尾气分析装置，可在线分析尾气中的氧及二氧化碳浓度，以协助判断发酵的过程的正常与否，对发酵动力学及代谢流分析等都很有帮助。有些发酵过程是微好氧过程，要求反应体系保持很低的溶氧值;还有一些高好氧过程的氧消耗速率很快，造成发酵液中的溶解氧浓度很低，这些过低的溶氧值都可能是溶氧电极无法精确测量的。这种情况就需要安装氧化还原电极以检测细胞培养的正常与否。
　　
　　四、发酵罐的通气系统
　　
　　通气系统由无菌空气制备系统、空气分布装置和出口气体除菌系统组成。无菌空气制备系统是一套相对独立的复杂系统，这里不做介绍。
　　
　　细胞生长和代谢所需的无菌空气通过空气分布管引入罐中。空气分布管一般位于最下层的搅拌桨的正下方。为保证气泡的分散，多采用带小孔的环状空气分布管，环的直径一般等于搅拌桨的直径。在大型通气搅拌罐中，搅拌桨尖附近的剪切力非常大，一般足以达到充分打碎气泡的目的，为防止培养液中的固体物料或菌丝堵塞空气分布管，对某些特殊的发酵体系有时采用向下开口的单孔管。
　　
　　在一些简单的反应器中，气体的排出只是通过一个简单的阀门控制的。为避免染菌，必须调节空气的排出阀以保证反应器内始终处于高于大气压的正压状态。一些精密的反应器则配备了出口气体冷凝装置和过滤装置
　　
　　五、发酵罐的消泡系统
　　
　　消泡系统对好氧发酵过程是非常重要的。发酵罐的装液量一般不能超过容器容积的70～80%，一方面，这是由于通气后液面会有所上升;更重要的原因是，预留部分空间可以避免泡沫马上冲出罐体，为消除泡沫提供一段缓冲的时间。一般对越容易产生泡沫的体系，装液量要越少。发酵罐顶部有一个额外的搅拌桨，称为消泡桨，其作用就是通过机械作用消除泡沫。在多数情况下，仅凭消泡桨还不足以及时破坏所有的泡沫，因此通常还须进一步采用添加化学消泡剂的方法消泡。
　　
　　植物油、聚醚类非离子型表面活性剂都可以用于化学消泡，它们可以直接在配制在培养基中，也可以在发酵过程中根据需要加入，或者两种策略同时使用。为了及时检测泡沫是否达到预警高度，通常在发酵罐上方装有液位电极，一旦泡沫达到相应的高度，就可以通过消泡控制装置自动向反应器中流加消泡剂。
　　
　　综上所述，机械搅拌系统、温度控制系统、pH值和溶氧测量与控制系统、通气系统和消泡系统是发酵罐重要的五大系统，缺一不可。