ถังหมัก (Fermenter)

           ในห้องปฏิบัติการหรือโรงงานอุตสาหกรรม ถ้ามีการทำปฏิกิริยาของสารเคมี จำเป็นต้องมีภาชนะสำหรับให้สารเคมีผสมและเกิดปฏิกิริยากัน ซึ่งภาชนะนี้เรียกว่า ปฏิกรณ์ (Reactors) ทางการหมักเรียกว่า ถังหมัก (Fermenter) เพื่อใช้บรรจุอาหารและเชื้อจุลินทรีย์ สมบัติพื้นฐานของถังหมักต้องสามารถป้องกันการปนเปื้อนจากจุลินทรีย์อื่นที่ไม่ต้องการ สามารถทำความสะอาดและทำปลอดเชื้อได้ นอกจากนี้อาจมีอุปกรณ์ควบคุมสภาวะการหมัก เช่น อุณหภูมิ pH การละลายของออกซิเจน เป็นต้น ตามความจำเป็น ถังหมักมีหลายแบบเช่น ขวดทดลอง (Shake flask and Bottle) แบบถังกวน (Stirrer tank) หรือถังหมักแบบอากาศลอยตัว (Airlift) เป็นต้น แต่ถังหมักที่พบทั่วไปมีการใช้งานแพร่หลาย คือ ถังหมักแบบถังกวน

 
ถังหมักแบบถังกวน (Stirred Tank Reactor)

ถังหมักที่ใช้ในอุตสาหกรรม ควรมีลักษณะดังนี้
1.  สามารถควบคุมสภาพการเจริญของเชื้อจุลินทรีย์ และสภาพการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์ต่างๆได้ดี
2.  ใช้งานได้ง่าย
3.  มีความแข็งแรง เช่น ทนต่อแรงดันเมื่อมีอาหารเลี้ยงเชื้อปริมาณมาก
4.  สารที่ใช้ทำถังหมักต้องไม่ถูกกัดกร่อนด้วยผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการหมัก รวมทั้งไม่ทำให้เกิดประจุที่เป็นพิษ
5.  สามารถควบคุมหรือป้องกันการปนเปื้อนของเชื้อจุลินทรีย์ที่ไม่ต้องการได้ดี
6.  มีเครื่องมือในการให้อากาศบริสุทธิ์ และการกวน เพื่อเพิ่มการถ่ายเทอากาศ
7.  มีเครื่องมือในการเติมสารต้านการเกิดฟอง (antifoam)
8.  มีเครื่องควบคุม pH
9.  มีเครื่องควบคุมอุณหภูมิ
10. มีระบบเก็บตัวอย่างที่ป้องกันการปนเปื้อนของเชื้อ

ระบบควบคุมการหมัก ได้แก่
1. การให้อากาศ (Aeration)
          ปกติการให้อากาศในถังหมักจะได้จากเครื่องอัดอากาศ (Air compressor) ผ่านเครื่องกรองขนาด 0-2 µm (Air filter) และผ่านหัวฉีดอากาศ ควบคุมอัตราการไหลโดย flow meter

2. การกวน (Agitation)
          การกวนช่วยให้อาหาร จุลินทรีย์และอากาศคลุกเคล้ากันได้อย่างทั่วถึง ระบบการกวนที่มีประสิทธิภาพจะทำให้การละลายของออกซิเจนในอาหารเหลวมีค่าสูงมีปริมาณเท่ากันทุกๆจุดในถังหมัก การกวนอาศัยแกนกวนต่อกับใบพัด เรียกว่า Impeller ช่วยตีฟองอากาศให้มีขนาดเล็กกระจายไปยังส่วนต่างๆ และมี baffle ช่วยป้องกันการเกิดน้ำวน 

3. การควบคุมอุณหภูมิ (Temperature control)
          เนื่องจากระหว่างการเติบโตของจุลินทรีย์ในขณะหมัก มักมีความร้อนเกิดขึ้นเป็นผลจากปฏิกิริยาชีวเคมีในการออกซิไดซ์สารอาหารของจุลินทรีย์ และจุลินทรีย์แต่ละชนิดมีความต้องการสภาพอุณหภูมิที่เหมาะสม ดังนั้นจำเป็นต้องควบคุมอุณหภูมิระหว่างการหมัก ในระบบควบคุมอุณหภูมิประกอบด้วยระบบหล่อเย็นกับระบบทำความร้อน โดยอาศัย Temperature probe sensing ที่อยู่ภายในถังหมัก

4. การควบคุม pH (pH Control)
          ในอาหารเลี้ยงเชื้อที่ใช้ในการหมักมักมีคุณสมบัติเป็นบัฟเฟอร์อยู่แล้ว แต่ในการหมักหลายชนิด pH อาจเปลี่ยนแปลงมากกระทั่งไม่สามารถสร้างผลิตภัณฑ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้นจำเป็นต้องควบคุม pH ของน้ำหมักให้อยู่ในช่วงที่พอเหมาะ โดยอาศัยเครื่องมือวัด pH electrode ต่อเข้ากับ control unit เพื่อสั่งให้ปั๊มทำการเติมกรดหรือด่างเมื่อค่า pH ที่วัดได้สูงหรือต่ำกว่าค่า set point ที่กำหนด

5. การควบคุมออกซิเจน (Oxygen control)
          ปริมาณออกซิเจนในอาหารเหลวมีผลโดยตรงต่อการเจริญและการสร้างผลิตภัณฑ์ของจุลินทรีย์ การควบคุมปริมาณออกซิเจนที่ละลาย (Dissolve oxygen, DO) ปัจจุบันสามารถวัดและควบคุมด้วย Oxygen probe ทำการควบคุมโดยอาศัยการปรับอัตราการไหลของอากาศหรืออัตราการกวนของมอเตอร์

6. การป้องกันฟอง (Antifoam control)
          การเกิดฟองทำให้ประสิทธิภาพการถ่ายเทออกซิเจนระหว่างอาหารเหลวกับบรรยากาศลดลง นอกจากนี้ถ้ามีฟองมากจนล้นออกนอกถังหมักก่อให้เกิดการปนเปื้อนจากเชื้ออื่นๆได้ง่าย สาเหตุที่เกิดฟองมาจากอากาศที่ให้ถูกตีกวนจนเกิดฟองประกอบกับสารพวกโปรตีนที่ถูกขับออกมาจากเซลล์ที่ทำให้อาหารมีความหนืดสูงขึ้น สามารถกำจัดฟองได้โดยการตีฟองให้แตกด้วย Foam breaker ซึ่งเป็นใบพัดติดตั้งเหนือระดับอาหารเหลว ประกอบกับการเติมสาร Antifoam ซึ่งเป็นสารจำพวกลดแรงตึงผิวในปริมาณเล็กน้อย