生物發酵罐的核心功能是為微生物（如細菌、酵母、真菌等）或細胞的生長、代謝和目標產物合成提供可控的適宜環境，通過精準調控各類參數，實現高效、穩定的生物反應過程。其核心功能具體體現在以下方面：

1. 提供適宜的物理化學環境

- 溫度控制  

 - 通過夾套、盤管等換熱結構，精確調節發酵液溫度，滿足不同微生物的最適生長溫度（如大腸桿菌適宜37℃，酵母菌適宜25~30℃）。  

 - 低溫發酵時需防止冷卻介質結冰，高溫發酵需及時散熱，避免酶失活或菌體死亡。

- 酸堿度（pH）控制  

 - 通過在線pH傳感器實時監測，自動補加酸（如鹽酸）或堿（如氫氧化鈉）調節，維持微生物代謝所需的pH范圍（如多數細菌適宜pH 6.5~7.5）。

- 溶氧（DO）控制  

 - 對好氧發酵（如抗生素、氨基酸生產），通過通氣（無菌空氣）、攪拌、罐壓調節等手段，確保溶氧濃度滿足菌體呼吸和代謝需求，避免因缺氧導致代謝途徑改變。

- 壓力控制  

 - 維持罐體微正壓（如0.05~0.1 MPa），防止外界雜菌侵入，同時可提高氧氣溶解度（對好氧發酵）。

2. 實現物料混合與傳質傳熱

- 攪拌與混合  

 - 通過攪拌槳（如推進式、渦輪式）的旋轉，使發酵液均勻混合，避免局部營養物質或代謝產物濃度不均，同時促進氣-液-固三相（如有固定化細胞）的傳質效率。  

 - 優化攪拌速度和槳型，平衡混合效果與剪切力（高剪切可能損傷脆弱菌體，如動物細胞）。

- 傳熱效率優化  

 - 夾套或盤管內的熱交換介質（如水、蒸汽、乙二醇）循環，快速傳遞熱量，確保發酵過程中溫度波動控制在±0.5℃以內。  

 - 對放熱劇烈的發酵（如菌體快速生長階段），需增大冷卻介質流量或降低進水溫度。

3. 保障無菌環境與過程安全

- 無菌操作  

 - 罐體、管道、接口（接種口、取樣口等）需通過高溫滅菌（如121℃濕熱滅菌30分鐘），配合空氣過濾（0.22 μm濾芯）防止雜菌污染。  

 - 在線監測染菌跡象（如pH異常波動、溶氧突然下降、發酵液變渾濁），及時采取滅菌或終止發酵措施。

- 安全設計  

 - 配備壓力安全閥、爆破片，防止因滅菌或發酵產氣（如CO?）導致罐體超壓爆炸。  

 - 對易燃易爆場景（如乙醇發酵），采用防爆電機、靜電接地等措施，避免電火花引發危險。

4. 支持工藝參數在線監測與調控

- 實時監控  

 - 集成pH、DO、溫度、液位、壓力等傳感器，通過控制系統（如PLC/DCS）實時顯示數據并生成趨勢曲線，便于操作人員及時調整參數。  

 - 部分高-端發酵罐可接入近紅外光譜、質譜等在線分析設備，實時追蹤產物濃度、底物消耗等關鍵指標。

- 自動化控制  

 - 根據預設工藝程序，自動調節補料（如碳源、氮源、前體物質）、通氣量、攪拌轉速等，實現發酵過程的標準化和重復性。  

 - 例如：當溶氧低于設定值時，自動提高通氣量或增加攪拌轉速；當pH下降時，自動補加堿液。

5. 促進目標產物高效合成

- 代謝路徑引導  

 - 通過調控環境參數（如誘導劑添加時機、溶氧階躍控制），誘導微生物表達目標產物（如重組蛋白、酶制劑、抗生素），抑制副產物生成。  

 - 例如：在基因工程菌生產胰島素時，通過IPTG誘導劑觸發目的基因表達，同時控制溫度抑制包涵體形成。

- 工藝放大能力  

 - 實驗室規模發酵罐（5~50 L）的工藝可通過相似放大原則（如保持單位體積功率、傳氧系數一致），逐步放大至工業規模（10~1000 m3），確保小試成果可穩定轉化為量產。

生物發酵罐的核心功能可概括為：以微生物為“生物催化劑"，以罐體為“反應容器"，通過精準環境控制和過程優化，實現目標產物的規模化、可控化生產。

其設計與運行的優劣直接決定了發酵效率、產物質量和生產成本，是生物工程、制藥、食品、能源等領域的關鍵核心設備。