通風發酵設備是微生物發酵工業中最常用的一類反應器，在發酵過程中需要將無菌空氣不斷通入發酵罐，以提供微生物代謝所消耗的氧。通風發酵罐的類型多種多樣，可以適應不同發酵工藝類型的要求，通常可分為機械攪拌式、氣升式、鼓泡式和自吸式等，可用於生產氨基酸、檸檬酸、抗生素、維生素和酶製劑等多種生物產品。由於機械攪拌發酵罐的靈活性、操作方式的多樣性，特別是涉及高黏度非牛頓型發酵液，更具有獨特的優點，通常隻有在機械攪拌式發酵罐的傳遞性能或剪切力不能滿足生物過程時才會考慮用其他類型的生物反應器，因此機械攪拌發酵罐是當前世界各國大多數發酵工廠所采用的通風發酵的主要設備。本節主要以機械攪拌式發酵罐為主介紹通風發酵設備的結構和工藝操作。
一、機械攪拌式發酵罐
機械攪拌式發酵罐又稱標準和通用式發酵罐（已形成標準化產品係列），它是利用機械攪拌器的作用，使空氣和發酵液充分混合，提高發酵液的溶解氧，供給微生物生長和代謝過程中所需的氧氣。機械攪拌式發酵罐的結構基本相同，主要由罐體、機械攪拌裝置、換熱裝置、通氣裝置、中間軸承、傳動裝置和機械密封等組成。
1.發酵罐的罐體
機械攪拌式發酵罐的罐體由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成，其體積從20L到200m3，有的可達500m3。發酵罐的高徑比（H/D）要根據工藝條件確定，一般高徑比為1∶（2～3），但高位罐的高徑比可達10以上。
為了滿足工藝要求，罐體需要承受一定的壓力，通常滅菌的壓力為0.25MPa（絕對大氣壓）。罐體的材質為碳鋼或不鏽鋼，大型發酵罐采用不鏽鋼或複合不鏽鋼製成，罐壁的厚度決定於罐徑和罐壓的大小。在罐的頂部裝有視鏡、燈鏡、進料管、補料管、排氣管、接種管和壓力表接管。在罐身上裝有冷卻水進出管、進空氣管、溫度計管和檢測儀器表接口。取樣管可設在罐身或罐頂，視罐結構和操作方便而定。罐體上的管路越少越好，進料口、補料口和接種口一般可結合為一個管路。放料可以利用通風管壓出。
2.攪拌裝置
好氧發酵是一個複雜的氣、液、固三相傳質和傳熱過程，良好的供氧條件和培養基的混合是保證發酵過程傳熱和傳質的必要條件。通過攪拌，能夠打碎氣泡，增加氣液接觸麵積；產生渦流，延長氣泡在液體中的停留時間；造成湍流，減小氣泡外滯流膜的厚度；動量傳遞，有利於混合及固體物料保持懸浮狀態。攪拌器可以使發酵液產生軸向和徑向流動，通常希望同時兼顧徑向流和軸向翻動，因此可以采用組合的形式，根據發酵罐一般是下部通氣的特點，下層攪拌器選擇徑向流攪拌器，上層攪拌器采用軸向流攪拌器。
攪拌器的形式多樣，一般攪拌式發酵罐大多采用渦輪式攪拌器，且以圓盤渦輪攪拌器為主，這樣可以避免氣泡在阻力較小的攪拌器中心部位沿著攪拌軸周邊快速上升逸出。渦輪式攪拌器的葉片有平葉式、彎葉式、箭葉式三種。從攪拌的程度來看，平葉式渦輪最為激烈，功率消耗也最大，彎葉式較小，箭葉式又次之。攪拌器的葉片至少為三個，一般為六個，最多為八個。
攪拌器的層數n可根據高徑比的要求確定，通常為3～4層，其中底層攪拌最重要，占軸功率的40%以上。為了拆裝方便，大型的攪拌器可製作成兩半型，用螺栓聯成整體。攪拌器一般用不鏽鋼板製成。
發酵罐中豎立的冷卻蛇形管、列管、排管也可以起到擋板的作用，擋板的長度自液麵起至罐底為止，擋板與罐壁之間的距離一般為（0.12～0.2）D。
4.換熱裝置
發酵過程中微生物的生化反應要產生大量熱量，這些熱量必須及時被帶出罐體，否則培養基溫度會迅速升高，引起微生物發酵活性降低甚至發酵中斷。另外培養基經實消和連消後溫度較高，需要將其冷卻至培養溫度，這就需要發酵罐具有足夠的傳熱麵積和合適的冷卻介質，將熱量及時帶出罐體。
發酵罐的換熱裝置主要有夾套式換熱裝置、蛇管換熱裝置、列管（排管）換熱裝置，冷卻和加熱介質一般采用低溫水和蒸汽（熱水）。
夾套式換熱裝置多用於體積較小的發酵罐（5m3以下），夾套的高度比靜止的液麵稍高。這種裝置的優點是結構簡單，加工容易，罐內死角少，容易進行清洗滅菌操作。其缺點是傳熱壁較厚，冷卻水流速低，降溫效果差。在大型發酵罐中（5m3以上），一般采用蛇管或列管換熱裝置。蛇管式換熱裝置是將水平或垂直的蛇管分組安裝在發酵罐內，根據發酵罐的直徑和高度大小有四組、六組或八組不等。這種換熱裝置的優點是冷卻水在管內的流速大，傳熱係數高，熱量交換快；但它占據了發酵罐體積，據計算罐內立式蛇管體積約占發酵罐的1.5 %，同時易形成罐內死角，罐內的蛇管一旦發生泄漏，將造成整個罐批的發酵液染菌，此外罐內蛇管也給罐體清洗帶來了不便。列管（排管）換熱裝置是以列管的形式分組對稱安裝於發酵罐內。這種裝置的優點是加工方便，適用於氣溫較高、水源充足的地區，但用水量較大。從熱交換速度看，蛇管換熱裝置最有效，列管（排管）換熱裝置次之，夾套式換熱裝置最低。
新型發酵罐將冷卻麵移至罐外，采用半圓形外蛇管，該蛇管傳熱係數高，且罐體容易清洗，增強了罐體強度，因而可大大降低罐體壁厚，使整個發酵罐造價降低，且提高了發酵罐的體積，增大了放罐體積。
5.空氣分布器
好氧發酵需要通入充沛的空氣，以滿足微生物需氧要求。但是，空氣中的氧是通過培養基傳遞給微生物，傳遞速率很大程度上取決於氣液相的傳質麵積，也就是說取決於氣泡的大小和氣泡的停留時間，氣泡越小、越分散就使微生物可以越充分獲得氧氣。因此常在罐內安裝通氣管，為了提高通氣效率，要在通氣管末端安裝空氣分布器，它一般裝在最低一擋攪拌器的下麵。空氣分布器有兩種，一種是生產規模的發酵罐，常采用單孔管，開口朝下，以防止固體物料在管口堆積形成堵塞，管口距罐底40mm左右。另一種是采用帶小孔的環形空氣分布器，但此種分布器容易被物料堵塞，因此隻適用於細度極小且溶於水的發酵原料。
6.消泡器
發酵液中通入空氣以後，氣體會在培養基中迅速上升形成氣泡，這些氣泡分散在發酵液表麵即形成泡沫。微生物在代謝過程中，會分泌一些蛋白質和多糖等大分子物質，這些物質在通風攪拌的情況下很容易形成泡沫，如不及時除去會充滿整個發酵罐，形成“溢罐”，影響通風效果並造成染菌。消泡器的作用是破碎氣泡，改善供氧和防止雜菌汙染。發酵罐中常用的消泡器有耙式和孔板式。耙式消泡器裝於攪拌軸上，當少量泡沫上升時可將泡沫打碎，但當泡沫過多時由於攪拌軸轉速太低而效果不佳。在下伸軸發酵罐中，可在罐頂裝備（半）封閉渦輪消泡器，利用單獨的電機驅動。消泡器的直徑一般為罐徑的70%～80%，以不妨礙旋轉為原則。在工業生產中，單獨使用消泡器往往不能獲得很好的消泡效果，因此常常需要添加一定的消泡劑。目前一些小型發酵罐中裝有超聲波發生器，利用超聲波進行消泡。
7.聯軸器及軸承
大型發酵罐攪拌軸較長，常分為二至三段，用聯軸器使上下攪拌軸成牢固的剛性連接。常用的聯軸器有鼓形和夾殼形兩種。小型的發酵罐可采用法蘭將攪拌軸連接，軸的連接應垂直，中心線對正。為了減少震動，中型發酵罐一般在罐內裝有底軸承，而大型發酵罐裝有中間軸承，底軸承和中間軸承的水平位置應能適當調節。罐內軸承不能加潤滑油，應采用液體潤滑的塑料軸瓦（如聚四氟乙烯等），軸瓦與軸之間的間隙常取軸徑的0.4%～0.7%。為了防止軸頸磨損，可以在與軸承接觸處的軸上增加一個軸套。
8.軸封
軸封的作用是使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄漏和汙染雜菌。常用的軸封有填料函和端麵軸封兩種。填料函式軸封是由填料箱體、填料底襯套、填料壓板和壓緊螺栓等零件構成，使旋轉軸達到密封的效果。填料函式軸封的優點是結構簡單；主要缺點是死角多，很難徹底滅菌，容易滲漏及染菌，軸的磨損情況較嚴重。端麵式軸封又稱機械軸封，密封作用是靠彈性元件（彈簧、波紋管等）的壓力使垂直於軸線的動環和靜環光滑表麵緊密地相互貼合，並做相對轉動而達到密封。其優點是密封可靠，無死角，可以防止雜菌汙染，使用壽命長，但它的結構比填料密封複雜，裝拆不便。
除了以上結構，發酵罐還附帶有補料罐、酸堿罐等附屬設備。
二、氣升式發酵罐
氣升式發酵罐屬於高徑比較大的高塔型設備，根據上升管和下降管的位置分為內循環和外循環兩種。氣升式發酵罐的主要結構包括罐體、上升管、空氣噴嘴。