技術文章
好氧發酵與厭氧發酵對發酵罐設計的關鍵區別主要體現在通氣系統、攪拌要求和密封性三方面,具體差異如下:
一、通氣系統:供氧需求與控氧邏輯的根本對立
好氧發酵罐需要持續通入無菌空氣以滿足微生物的有氧呼吸需求。其核心設計包括:
- 配備空氣壓縮機、精密過濾系統(如0.22 μm濾芯),確保通入氣體無菌;
- 通氣口通常位于罐體底部,通過分布器(如單孔管、多孔環)將空氣分散為微小氣泡,增加氣液接觸面積;
- 常通過“通氣+攪拌"聯合作用提升溶氧效率,部分場景需配置純氧補充系統(如高耗氧發酵);
- 罐體高徑比一般為2~3,以延長氣液接觸時間,強化傳氧效果。
厭氧發酵罐則需嚴格控制氧氣介入,維持無氧環境(溶解氧≤0.1 mg/L)。其設計特點為:
- 無需主動通氣裝置,但需設置排氣口(如單向閥)排出CO?等代謝氣體,部分場景(如產甲烷發酵)需通過氮氣置換預先排除空氣;
- 罐體高徑比可更低(1~2),減少液面面積以降低氧氣滲入風險;
- 排氣口可能配備水封或阻火器(如沼氣發酵),防止空氣倒灌或爆炸風險。
二、攪拌要求:傳質效率與低擾動環境的權衡
好氧發酵罐的攪拌核心是強化氣-液-固三相混合,提升溶氧傳遞效率:
- 多采用渦輪式(如Rushton渦輪)或軸向流槳(如推進式),槳葉數量多、間距小,通過強湍流破碎氣泡,增加溶氧;
- 配備擋板(通常4~6塊)防止液體“打旋",增強攪拌效果;
- 需平衡剪切力與菌體耐受性(如動物細胞發酵需用低剪切槳)。
厭氧發酵罐的攪拌以“避免氧氣混入"和“物料均勻性"為目標:
- 優先選擇錨式、框式攪拌槳,貼近罐壁刮除附壁物料,轉速低(10~50 rpm),減少液體翻動帶來的氧氣接觸;
- 通常不設擋板,避免擋板縫隙藏氣或加劇湍流導致溶氧升高;
- 部分低粘度物料(如液態發酵)甚至可無攪拌,依賴自流混合。
三、密封性:防雜菌污染與嚴隔氧氣的差異
好氧發酵罐的密封性重點在于防止外界雜菌侵入:
- 攪拌軸采用機械密封或磁力密封(耐壓0.1~0.3 MPa),接種口、取樣口配備滅菌閥(支持在線滅菌CIP/SIP);
- 罐體維持微正壓(0.05~0.1 MPa),通過壓力差抑制外界微生物進入。
厭氧發酵罐的密封性核心是全-方位隔絕氧氣:
- 罐體采用全封閉結構,焊縫需精密焊接(無泄漏點),避免空氣通過縫隙滲入;
- 針對產氣場景(如沼氣發酵),需控制罐內壓力(0.02~0.05 MPa),同時確保代謝氣體安全收集(如沼氣儲存系統);
- 部分發酵(如酒精發酵)需搭配水封裝置,既隔絕氧氣又允許CO?排出。
設計邏輯的核心差異
- 好氧發酵罐以“供氧-混合-防污染"為設計主線,通過通氣與攪拌的協同作用,在無菌環境中最-大化溶氧效率;
- 厭氧發酵罐以“控氧-防漏-穩環境"為核心,通過密封結構和低擾動設計杜絕氧氣干擾,同時兼顧代謝氣體的處理需求。
兩者的差異本質上由微生物代謝特性決定:好氧菌依賴氧氣產能,需持續供氧;厭氧菌對氧氣敏感,需絕對無氧條件。