固态发酵技术及其设备的研究进展

麻烦。 3 3 转鼓式发酵器[ 8]
转鼓式反应器适合固态发酵的特点, 可
满足充足的通风和温度控制, 因而对它的研 究也 较多。H ardrin( 2000) 等根据微生 物生 长产热量最高峰时的热量产生与去除效果的
比率, 利用无因次设计因数 ( DDF ) 来研究设 计转鼓式发酵器( RDB) , 它能够预测给定条 件下反应床中能达到的最大温度值, 得出发 酵期间最大耐受温度, 并结合操作变数作出 相应的控制措施, 该方法提出了利用几何相
干, 微生物难以生长, 产量降低。在固态发酵 中, 基质水分含量应控制在发酵菌种能够生
长而又低于细菌生长所需要的水分活性值,
一般起始含水量控制在 30% ~ 75% 范围内。 在发酵过程中, 水分由于蒸发、菌体代谢活动 和通风等因素而减少, 应进行水分补充, 一般 可采用向发酵器内通湿空气、增加发酵器内
第一作者: 博士, 高级工程师。 * 江苏省教育厅资助项目( N o. 02KJD 180002)
收稿时间: 2003- 03- 24
2 固态发酵工艺条件的控制
固态发酵是一种接近自然状态的发酵, 它与液态深层发酵有许多不同, 其中最显著 的特征就是水分活度低, 发酵不均匀。菌体 的生长, 对营养物质的吸收和代谢产物的分 泌在各处都是不均匀的, 使得发酵参数的检 测和控制都比较困难, 许多液态发酵的生物 传感器也无法应用于固态发酵。迄今为止, 在文献中还没有见到较为完善的关于固态发 酵的数学模型( 虽然有一些关于固态发酵动 力学 研究 的报 道, 但都是 以图 表的 形式 出 现) , 对它的研究仍然停留在以经验为主导的 水平上。目前固态发酵可测或可调的参数主 要有: 培养基含水量、空气湿度、CO2 和 O2 的 含量、pH 值、温度和菌体生长量等。 2 1 物料的营养成分及粒度
基质的含水量, 应根据原料的性质( 细度、持 水性等) 、微生物的特性( 厌氧、兼性厌氧或需 氧) 、培养室条件( 温度、湿度、通风状况) 等来 决定。含水量较高, 导致基质多孔性降低, 减 少了基质内气体的体积和气体交换, 难以通 风、降温, 增加了杂菌污染的危险; 而含水量 低,造成基质膨胀程度低, 微生物生长受抑 制, 后期由于微生物生长及蒸发造成物料较
湿度是指发酵器内环境空气的湿度。空
第 29 卷 第 6 期 黄达明等 : 固态发酵技术及其设备的研究进展
气湿度太小, 物料容易因水分蒸发而变干, 影 响生长; 湿度太大, 影响空气中的含氧量, 造 成环境缺氧, 往往又因冷凝使物料表面变湿, 影响菌体生长或 污染杂菌, 影响 产品质量。 所以空气湿度应保持一适宜值, 一般保持在 85% ~ 97% 。 2 6 发酵时间
综 防止杂菌污染, 恒温水浴控制温度, 恒温冷水
述 喷雾冷却旋转鼓, 发酵时温度波动小, 机械化
与 程度高。通过实验比较了静置式与搅拌式对
专 大豆根霉发酵效果的影响, 结果表明, 该发酵
要使菌体大量繁殖, 并获得所需的代谢 产物, 就必须给菌体提供足量的营养成分, 以 使菌体生长和产 物形成的潜力 得到充 分发 挥。固态发酵的原料可分为 2 部分: 一是供 给养分的营养料, 如麸皮、豆粕、无机盐等; 二 是促进通风的填充料, 如稻壳、玉米皮、花生 皮等。所用原料, 特别是营养料, 一定要选用 优质的, 不能霉烂和变质。此外要特别注意 营养物的配比。培养基中碳和氮的比例( C/ N) 对微生物的生长和产物形成 常有很大影
第 29 卷 第 6 期 黄达明等 : 固态发酵技术及其设备的研究进展
固态发酵技术及其设备的研究进展*
综
述
黄达明 吴其飞 陆建明 管国强
与
专
( 江苏大学生物工程研究所, 镇江, 212013)
题
评
摘 要 介 绍了固态发酵的技术、特点及其优 越性, 讨 论如何对固 态发酵 的生物 反应过程 进
论
行 工艺条件控制。同时综述了国内外固态发酵设备的开发现状及最新研究动态, 为开发研制
微生物在生长和代谢过程中需要释放大 量的热 量, 尤 其是在发 酵前期, 菌体生 长旺 盛, 麸曲的温度( 俗称 品温 ) 上升很快, 有时 高达 2 / h 左右。显然, 这些热量如果不及 时排除, 菌体的生长和代谢就会受到严重影 响, 有时甚至会造成 烧曲 , 菌体大量死亡, 发酵彻底失败。降低品温的方法除了加大通 气和喷淋无菌 水外, 适 当翻曲也 是必要 的。 如果生产处于夏季, 降温困难( 尤其在我国南 方, 夏季气温高, 空气湿度大) , 采用短时间液 氨制冷或空调制冷来降温也是可取的。 25 湿 度
氧气消耗问题, 因而对此类生物反应器进行 与
设计时应考虑强制通风, 避免这类问题的产 专
生。虽然浅盘反应器操作简便, 产率较高, 产 品均匀, 但因体积过大, 耗费劳动力大, 无法
题 评 论
进行机械化操作, 不适宜在工业生产中应用。
3 2 箱式发酵装置
ห้องสมุดไป่ตู้
固定箱式发酵装置被国内多数酿造厂采
用, 这种发酵装置结构简单, 造价低, 翻料可 用专用设备, 实现机械化翻料, 但该装置占地 面积大, 出入 料难以实 现机械化, 劳动 强度 大。敞开式装置保温保湿困难, 劳动条件恶 劣。将加盖方式变成密封式虽然改善了发酵 条件, 易于控温控湿, 但移动密封盖需要在车 间内装设专用吊车, 投资偏大, 监测、操作较
题 评 论
不同的固态发酵工艺中, 最适碳氮比在 1 10 ~ 100 范围内变化。因而在 固态发酵中, 要
通过实验确定最佳的营养物组成。此外碳源
和氮源的可利用性以及氮源的品质, 对固态
发酵也是至 关重要的。如在酶 制剂的生 产
中, 保持总含氮量不变, 而只改变氮源, 其蛋 白酶活力就有可能发生很大变化。在固态发
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综 响,碳氮比不当, 会影响菌体吸收营养的平
述 衡。氮源过多, 菌体生长过于旺盛, 不利于某
与 些代谢 产物的积 累; 氮源 不足, 菌体繁殖 缓
专 慢; 碳源物质缺乏, 菌体容易衰老和自溶。在
氧的传递, 主要指需氧的固态发酵而言。 由于微生物的生长, 在固体表面形成菌膜并 使基质结块, 基质被代谢而变粘, 因而随着微 生物的生长, 可能造成基质内局部区域缺氧 而影响生长。另外基质的高含水量或使用较 细的基质料, 也会影响基质内氧的传递。为 了防止基质内缺氧和增加基质内氧的浓度, 促进微生物生长, 通常采用通风、搅拌或翻动 来增大氧的传递。通风是最常用和有效的方 法, 除可以增加氧的传递, 还有利于热交换。 翻动或搅拌虽可防止物料结块, 并且利于热 交换, 但过分的翻动或搅拌影响菌体与基质 的接触, 并可能损伤菌丝体, 使水分蒸发过多 而使物料变干, 抑制菌体生长。生产中可将 以上 2 种方式结合起来使用。此外增加氧传 递的常用方式还有: ( 1) 采用较薄的基质层; ( 2) 使用多孔的、较粗的利于氧传递的疏松性 材料作基质填充料, 如稻壳等; ( 3) 使用带孔 的培养盘; ( 4) 采用低含水量的物料, 中间补 水。 24 温 度
酵中, 原料粉碎得细, 可提高利用率和产量; 但原料过细, 又影响氧在基质内的传递。因 而固态发酵中, 除供给养分的营养料外, 还需 要增加基质间的空隙, 添加利于通风的填充 料。
2 2 物料含水量和 pH 值
水是发酵的主要媒质, 基质含水量是决 定固 态发 酵成 功与 否 的关 键 因素 之 一[ 6] 。
器, 如浅盘式发酵器, 流动床反应器及填充床 反应器等, 或通过构建系统热量去除方法用 于其 他特 殊类 型的 生物 反 应器 放大 设 计。
Han( 1999) 等设计的该反 应器配有搅拌 轴,
料气进出口及接种口等, 培养基灭菌、接种、 通气培养和干燥可在发酵器内进行, 可有效
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新 型固态发酵设备提供参考。
关 键词 固态发酵, 固态发酵反应器, 研究进展
20 世纪 90 年代以来, 随着能源危机与 环境问题的日益严重, 固态发酵技术以其特 有的优点( 如无 三废 排放) 引起人们极大的 兴趣[ 2] 。人们 在固 态发酵 领域的 研究及 其 在资源环境、蛋白质饲料中的应用取得了进 展, 主要表现在生物饲料、生物燃料、生物农 药、生物转化、生物解毒及生物修复等方面的 应用。
空气的相对湿度或在 翻曲时进行 2 次加 水 ( 无菌水) 等方式来解决。pH 值也是影响微 生物生长代谢的关键因素之一。但固态发酵
中某些物料的优 良缓冲性能有 助于减少 对
pH 控制的需要。所以固态发酵时, 只要把初 始 pH 调到所需要的值, 发酵过程通常不用
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检测和控制 pH 。但培养基中氮源对 pH 影 响较大, 如使用铵盐做主要氮源时, 易引起基 质酸化。所以固态发 酵中铵盐 用量不 可太 大, 可利用一些有机氮源或尿素来替代一部 分铵盐。 2 3 气态环境和氧气传递
1 固态发酵技术
固态发酵( solid st at e fermentat ion) 是指 利用自然底物做碳源及能源, 或利用惰性底 物做固体支持物, 其体系无水或接近于无水 的任何发酵过程[ 1] 。与其他培养方式相比, 固态发酵具有如下优点: ( 1) 培养基简单且来 源广泛, 多为便宜的天然基质或工业生产的 下脚料; ( 2) 投资少, 能耗低, 技术较简单; ( 3) 产物的产率较高; ( 4) 基质含水量低, 可大大 减少生物反应器的体积, 不需要废水处理, 环 境污染较少, 后处理加工方便; ( 5) 发酵过程 一般不需要严格的无菌操作; ( 6) 通气一般可 由气体扩散或间歇通风完成, 不需要连续通 风, 空气一般也不需严格的无菌空气。同时, 随着微生物基因遗传技术的应用、优良菌株 的发现和筛选, 以及生产工艺等方面的改进, 固态发酵技术也得到了进一步发展[ 3~ 5] 。
发酵终点对提高产物的生产量, 有非常 重要的意义。在发酵过程中, 产物的浓度是 变化的, 一般产物高峰生成阶段时间越长, 生 产率也越高, 但到一定时间产物产率提高减 缓, 甚至下降。因此无论是获得菌体还是代 谢产物, 微生 物发酵都 有一最佳 时间阶段。 时间过 短, 不足 以获得所 需的产量; 时间 过 长, 由于环境已不利于菌体生长, 往往造成菌 体自溶, 产量下降, 同时增加生产成本。所以 发酵时间一定要根据不同菌种、不同工艺条 件、不同的产物, 通过实验来确定。
这是比较常用的一种固态发酵设备, 对 传统的浅盘发酵进行了简单的改进, 培养基 经灭菌冷却后装入浅盘, 通过空气增湿器调 节空间的温湿度, 可通入经过滤的无菌空气, 满足菌体生长对氧的需求, 浅盘发酵中由于
存在对流空气, 散热效果不理想, 发酵物料的 综
厚度有一定限制; 另外, 浅盘发酵中还涉及到 述
似性原则进行反应器设 计, 放大时考虑的 3 个策略: 第 1 维持通过 RDB 的空气表面流速
恒定; 第 2 维持反应器单位体积内空气体积
比率恒定; 第 3 反应器放大时调节空气气流 速度以维持发酵期间反应床中到达的最高温 度恒定。另外, 运用 DDF 方法进行反应器放 大设计也可适用 于其他固态发 酵生物 反应
3 固态发酵设备
固态通风发酵设备是好氧固态发酵技术 中的关键设备, 国内在这方面主要还是以传 统的开放式居多, 部分厂家研制的固态发酵 反应器性能虽有所提高, 易实现机械化操作 和部分参数自动控制, 但反应器体积小, 不适 合于现代酿造技术向规模化、高效及实现产 品高质量的方向发展, 而且设备投资大, 生产 成本相对较高, 对工艺参数未进行最优化设 计。近几年来, 随着固态发酵过程数学模型 化的不断建立和完善, 如 Sangsurasak( 1995) 等建立的重要的热和质量传递、菌体生长等 动力学模型, 为固态发酵反应器的设计放大 提供了理论基 础[ 7] ; 同时, 国外 也在对用 于 大规模固态发酵培养系统进行不断的研究。 3 1 浅盘发酵器