技術文章
攪拌在發酵罐中通過機械運動實現多重關鍵作用,直接影響發酵效率和產物質量,主要功能包括以下方面:
一、物料混合均勻化
- 消除濃度梯度:通過槳葉推動液體流動,使培養基中的營養物質(如碳源、氮源、無機鹽)、菌體與代謝產物均勻分布,避免局部營養過剩或缺乏。
- 促進接種均勻性:在接種階段快速分散菌種,確保菌體在罐內同步生長,減少因接種不均導致的發酵周期差異。
- 適用場景:尤其對高粘度發酵液(如多糖發酵)或含固體顆粒(如纖維原料)的體系,攪拌是實現均一化的核心手段。
二、強化傳質過程
1. 溶氧傳遞(好氧發酵關鍵)
- 氣液界面更新:攪拌槳打碎通入的空氣氣泡,形成微小氣泡群,擴大氣液接觸面積(如Rushton渦輪槳的強剪切作用);
- 湍流擴散加速:高速攪拌產生湍流,縮短溶氧從氣泡到菌體表面的擴散路徑,提升溶解氧(DO)的傳遞效率,滿足好氧菌的代謝需求(如青霉素發酵需維持DO≥30%飽和度)。
2. 代謝產物排出
- 推動菌體分泌的產物(如乙醇、乳酸)從細胞周圍向液相主體擴散,避免局部積累抑制菌體活性。
三、優化傳熱效率
- 控制發酵溫度:發酵過程中菌體代謝產熱(如抗生素發酵放熱顯著),攪拌可加速熱量從發熱區域(如菌體聚集處)向冷卻夾套或盤管的傳遞,配合溫控系統維持罐內溫度均勻(溫差≤±0.5℃)。
- 應對冷熱沖擊:在滅菌后冷卻階段,攪拌可加速培養基與冷卻介質的熱交換,減少高溫對營養成分的破壞(如防止葡萄糖焦化)。
四、防止固液分離與沉降
- 懸浮固體顆粒:對于含不溶性底物(如淀粉顆粒、微生物菌體)的發酵體系,攪拌通過流體曳力維持顆粒懸浮,避免沉積導致罐底局部過熱或營養利用不充分。
- 避免菌體貼壁:錨式或框式攪拌槳貼近罐壁旋轉,可刮除附著在罐壁的菌體或粘性物料,防止死角滋生雜菌或影響傳熱。
五、輔助工藝操作
- 在線監測支持:攪拌使罐內參數(如pH、DO、溫度)均勻,確保傳感器(如pH電極)測得的數據真實反映整體狀態,避免因局部差異導致控制偏差。
- 加料混合輔助:在補料發酵中(如分批補料培養),攪拌可快速混勻新加入的物料(如補加葡萄糖溶液),避免局部滲透壓驟變損傷菌體。
關鍵考量:攪拌的“雙-刃劍"效應
- 正向作用:通過合理設計槳型(如推進式、渦輪式、螺帶式)、轉速(50~500 rpm)和擋板配置,可平衡混合效果與能耗。
- 潛在風險:
- 剪切力損傷:高轉速或渦輪槳可能對脆弱菌體(如動物細胞、真菌菌絲)造成機械損傷,需選用低剪切槳(如螺旋槳)或降低轉速;
- 能耗與成本:過度攪拌會增加電機負荷,導致能耗上升(發酵罐能耗中攪拌占比可達30%~50%),需通過計算流體力學(CFD)模擬優化攪拌方案。
攪拌的功能定位
攪拌是發酵罐實現“工程化放大"的核心技術之一,其本質是通過流體力學作用優化物理環境(混合、傳質、傳熱),為微生物生長和代謝提供穩定且高效的條件。實際應用中需根據發酵類型(好氧/厭氧)、菌體特性(剪切敏感性)和產物類型(胞內/胞外)動態調整攪拌策略,以達到產量與成本的最-優平衡。