固态发酵技术的研究进展_戴超
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温度是影响微生物生长的重要因素 , 直接关 系到发酵过程的正常进行和最终产品的生成 。 固 态发酵中 , 微生物生长初期要达到一定的温度 , 才 能保证其正常生长 。 微生物在生长过程中 , 会释 放大量的生物热 , 尤其是在微生物的对数生长期 , 产热速度很快 , 菌丝体生长旺盛 , 造成物料大面积 板结 , 加之固态发酵中没有自由流动相 , 导热性能 差 ,单位距离上存在很大的温度梯度 , 有时高达 3℃ /cm, 不利于微生物的生长 和产酶 [ 4] , 必须通 过通风降温 、喷淋无菌水及翻曲等手段使热量及 时散发 。 1.2 pH值
0 前言
固态发酵是一种培养基呈固态 、培养基中没 有或几乎没有自由流动水 、利用自然底物作为碳 源和能源或利用惰性底物 作为支持物的 发酵过 程 [ 1] , 它也是人们利用微生物生产所需产品的悠 久技术之一 。 1945年青霉素的 大规模工业化生 产 ,开创了液体深 层发酵技术及现 代发酵工 业 [ 2] 。但现代发酵工业的首要条件是纯种培养 , 而固态发酵作为发酵工业中的比较古老落后工艺 的代表 , 一直未能得到更好的发展和利用 。 但自 20世纪 70年代以来 , 随着世界 性能源危机的出
微生物能否正常生长 , 基质的水活度 aw是重 要的制约因素 。 一般而言 , 细菌正常生长要求 aw 在 0.90 ～ 0.99;多数酵母要求 aw在 0.80 ～ 0.90; 真菌及少数酵母菌要求 aw在 0.60 ～ 0.70。 水活 度与物料的含水量有关 , 对于丝状真菌而言 , 过高 的含水量会抑制菌丝的生长 , 过低的含水量则不 能满足菌丝生长的需求 。 含水量过高时 , 空隙率 降低 , 不利于通风降温 , 同时 , 高温和高含水量对 细菌的生长极为有利, 对发酵过程会造成威胁。 而含水量过低时 , 由于生物热及通风造成的水分 损失 , 会限制微生物的生长 , 并将直接影响最终产 物的产量 。 在发酵过程中 , 由于蒸发及温度上升 ,
③发酵过程中不需要严格执行无菌操作 。 固 体颗粒间隙中存在的空气可为微生物生长提供氧 气 , 通风量小 , 不需要无菌空气 。
收稿日期 :2008 -01 -20 作者简介 :戴超 (1983 -), 男 , 山东肥城县人 , 在读硕士 。 研究方向 :生物反应工程 。
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酿 造 与 检 测
3 固态发酵的应用
3.1 在环境资源上的应用 20世纪 90年代以来 , 随着能源危机与环境
污染问题的日益严重 , 固态发酵技术以其特有的 优点 (如无 “三废 ”排放 )引起了人们的兴趣 。 固 态发酵领域的研究及其在环境资源上的应用已取 得了很大的进展 , 主要表现在生物燃料 、生物农 药 、生物生长剂 、生物肥料 、生物转化 、工业废弃物 生物解毒及对危险复合物进行生物修复和降解等 方面的应用 [ 11] 。 3.2 在提高产品附加值上的应用
温度梯度是不可避免的 。 其它反应器还有圆柱式和搅拌式等 。 由中科
院过程工程所陈洪章研究员等研制的气相双动态 固态发酵技术及装置于 2007年 2月被美国专利 局授予发明专利权 。 该项核心技术有效地改善了 固态发酵过程中的热量传递和氧传递 , 促进了菌 体的生长代谢 , 解决了易染菌 、放大困难等方面的 难点 , 达到了节能和节水的目的 , 从而实现了工业 化大规模纯种培养 。
以下主要介绍 4种类型的反应器 :浅盘式 、转 鼓式 、填充床式和流化床式 。 2.1 浅盘式反应器
浅盘式反应器属于静态反应器 , 浅盘式反应 器的结构见图 1。
图 1 浅盘固态发酵生物反应器 图中 :1 -浅盘室 , 2 -水阀门 , 3 -紫外灯管 , 4、8、13 空气阀门 , 5、11 -空 气过滤器 , 6 -排气 口 , 7 -空气湿度调 节装置 , 9 -空气加热 器 , 10 -空气循环 通道 , 12 -空气入 口 , 14 -浅盘 , 15 -浅盘架
《江苏调味副食品 》 2007年 第 25卷 第 2期 (总第 110期 )
1 工艺控制参数
固态发酵最明显的特征就是传质和传热过程 的不均匀性 , 这使得固态发酵的自来自百度文库化控制和在 线检测非常困难 。目前尚没有比较完善的数学模 型来描述固态发酵过程 , 生产过程中还是以经验 指导为主 。 在固态发酵中 , 控制的工艺参数主要 有 :温度 、pH值 、物料或培养基的含水量等 。 1.1 温度
戴 超 , 等 固态发酵技术的研究进展
酿 造 与 检 测
这种反应器操作相对简单 , 但装料量少 , 要实 现大规模生产 , 可增加浅盘数目 。 浅盘室内的温 度和湿度容易控制 , 特别适用于制曲 。
但这种反应器由于存在对流空气 , 散热效果 较差 , 对浅盘物料的厚度有所限制 , 并且占地面积 较大 , 固需要耗费一定的人力 。 2.2 转鼓式反应器
固态发酵可对营养丰富的农作物或农作物残 余物进行生物转化 , 用 于发酵食品 、酶 、色素 、颜 料 、生物农药 、有机酸和风味化合物等的生产[ 12] 。 至今工业用酶大多数采用深层液体发酵的方法 , 成本很高 , 使酶的应用受到限制 , 固态发酵生产酶 是降低成本的好方法 。例如蛋白酶的固态发酵应 用较广 , 可替代液态深层发酵 [ 13] 。
Abstract:Inordertohaveabetterunderstandingofsolidstatefermentationtechnology, theadvantageofsolidstate fermentation, itsrelativeprocess-controlparameters, suchastemperature, pH degreeandwateractivityetc.arediscussed.Somesearchesaboutfermentingequipmentssuchastrayreactor, tumbler-typereactor, packed-bedreactor andfluid-bedreactoretc.arecarriedout.Itsdevelopingprospectsarealsomentionedaswell. KeyWords:solidstatefermentation;process-controlparameter;equipment;technology
现和环境保护意识的增强 , 固体发酵的技术又重 新受到重视 [ 3] 。
与其它发酵方式相比 , 固态发酵主要具有以 下优点 。
①原料成本低 , 多为天然基质或工业生产的 副产物 , 来源广泛 。
②工艺相对简单 , 基质的含水量低 , 可减小反 应器的体积 。同时 , 无废水和废气产生 , 不对环境 造成污染 。
戴 超 , 等 固态发酵技术的研究进展 文章编号 :1006 -8481(2008)02 -0025 -04
酿 造 与 检 测
固态发酵技术的研究进展
戴 超 , 冷云伟 , 宗雯雯
(中国矿业大学化工学院 , 江苏 徐州 221008)
摘 要 :为了对固态发酵机理有进一步的认识 , 介绍了固态发酵的优点 , 并对温度 、pH值和水活度等工艺控制 参数进行了讨论 , 同时主要对浅盘式反应器 、转鼓式反应器 、填充床反应器和流化床反 应器等固态发酵设备进 行了应用研究 , 最后展望了固态发酵技术的发展前景 。 关键词 :固态发酵 ;工艺控制参数 ;设备 ;技 术 中图分类号 :TS26 文献标识码 :B
4 结论与展望
随着人们对固态发酵机理认识的不断加深 , 现代固态发酵的成功将成为现代发酵技术的一次 革命 , 对某些材料进行降解 、修复及转化成对人们 有益或无害的物质 , 既无损于自然生态系统 , 又可 解决环境污染问题 , 减轻资源危机 。
随着固态发酵过程动力学数学模型的深入研 究和发展 , 加之系统控制技术的完善 , 揭示固态发 酵过程的变化规律和固态发酵反应器的设计会更 加科学合理 , 从而使得固态发酵系统工艺参数控 制达到最优化 。
目前 , 世界范围内对于这方面的研究很少 , 但 pH值是影响发酵过程的重要因素 , 由于固态物料 的含水量偏低 , 液态 发酵中的 pH值检测手段难 以应用 。一般认为 , 只要调节好初始 pH值 , 发酵 过程中不必 对其进行监测 和控制 。 在实 际过程 中 , 菌体代谢会导致物料 pH值发生较大变化 。 1.3 水活度
转鼓式的基本 形式是一个圆 柱型或鼓 型容 器 , 支架在一个转动系统上 , 转动系统主要起支撑 和提供动力的 作用 [ 7] 。 转鼓反应 器是一个 包括 基质床层 、气相流动空间和转鼓壁等组成的多相 反应系统 。 与传统固态发 酵生物反应器 不同的 是 :基质床层不是铺成平面 , 而是由处于滚动状态 的固体培养基颗粒构成 。 菌体生长在固体颗粒表 面 , 转鼓以较低的转速转动 , 就如同设置了搅拌轴 那样加速传质和传热过程 。 在某些情况下 , 菌丝 体和培养基颗粒 (特别是淀粉和粘性原料 )会结 成块 。 在这些情况下 , 除了转鼓的阻力影响外 , 要 分离这些聚合体非常困难 。当鼓的转动速率增大 时剪切力的作 用会影 响菌丝体 的生长 [ 8] 。 这一 类反应器可以满足充足的通风和温度控制 , 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 燥等可在发酵器内进行 , 可有效地防止杂菌污染 。 该类反应器可恒温水浴控制温度 、恒温冷水喷雾 冷却旋转鼓 、发酵时温度波动小及机械化程度高 。 2.3 流化床式反应器
2 固态发酵设备
总体来说 , 固态发酵设备的自动化程度偏低 , 以传统设备为主 。 近年来 , 对机械化和自动化设 备进行了很多研究 , 但放大效果较差 , 不利于大规 模的工业生产应用 。
由于固态发酵设备分类标准不一样 , B.Lonsane[ 6] 曾经归纳出了 9种不同形式的工业规模的 固态发酵反应器 :转鼓式 、木盒式 、加盖盘式 、垂直 培养盒式 、倾斜接种盒式 、浅盘式 、传送带式 、圆柱 式和混合式等 。 K.E.Aidou也提出了 10种不同 形式的固态发酵反应器 , 但以基质的运动情况则 可以分为两类 :①静态固态发酵反应器 , 包括浅盘 式和塔柱式反应器 ;②动态固态发酵反应器 , 包括 机械搅拌的简 、栓式和转鼓式反应器等 。
Progressonthetechnologyofsolidstatefermentation
DAIChao, LENGYun-wei, ZHONGWen-wen
(InstituteOfChemicalTechnology, ChinaUniversityofMining＆ Technology, Xuzhou, Jiangsu, 221008)
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将导致 aw 下降 [ 5] , 这时应根据实际的物料水分情 况进行补水 , 以保证菌体的正常生长 。
此外 , 固态发酵过程的通风速率 、通风时间 、 温度控制 、发酵周期的选择 、料层厚度及反应器几 何形状设计等都是重要的控制参数 , 由于缺乏系 统的理论依据指导 , 对于特定的发酵过程应根据 具体情况采取相应的措施 。
在金属网或多孔板上铺置粉状培养基 , 空气 上吹形成流化层状 态 , 传质 和传热效果很好 [ 9] 。 目前在日本已实现了大规模工业应用 。流化床反 应器操作的主要参数是粒径大小和颗粒分布 , 粒 径分布越狭窄 , 细小颗粒越容易保持流化状态 。 2.4 填充床反应器
填充床反应器在设计上必须要使床层的干燥 最小化 , 因为床层的干燥会导致床层的湿度变化 , 进而影响微生物的生长 。 因此 , 要在入口通入饱 和空气 , 即使如此 , 仍不能避免水分蒸发 , 因为在 空气进口和出口之间空气温度的增加使得空气的 持水性增加 [ 10] 。填充床反应器没有搅拌器 , 受新 陈代谢产生的热量限制 , 因此 , 床层底部到顶部的
0 前言
固态发酵是一种培养基呈固态 、培养基中没 有或几乎没有自由流动水 、利用自然底物作为碳 源和能源或利用惰性底物 作为支持物的 发酵过 程 [ 1] , 它也是人们利用微生物生产所需产品的悠 久技术之一 。 1945年青霉素的 大规模工业化生 产 ,开创了液体深 层发酵技术及现 代发酵工 业 [ 2] 。但现代发酵工业的首要条件是纯种培养 , 而固态发酵作为发酵工业中的比较古老落后工艺 的代表 , 一直未能得到更好的发展和利用 。 但自 20世纪 70年代以来 , 随着世界 性能源危机的出
微生物能否正常生长 , 基质的水活度 aw是重 要的制约因素 。 一般而言 , 细菌正常生长要求 aw 在 0.90 ～ 0.99;多数酵母要求 aw在 0.80 ～ 0.90; 真菌及少数酵母菌要求 aw在 0.60 ～ 0.70。 水活 度与物料的含水量有关 , 对于丝状真菌而言 , 过高 的含水量会抑制菌丝的生长 , 过低的含水量则不 能满足菌丝生长的需求 。 含水量过高时 , 空隙率 降低 , 不利于通风降温 , 同时 , 高温和高含水量对 细菌的生长极为有利, 对发酵过程会造成威胁。 而含水量过低时 , 由于生物热及通风造成的水分 损失 , 会限制微生物的生长 , 并将直接影响最终产 物的产量 。 在发酵过程中 , 由于蒸发及温度上升 ,
③发酵过程中不需要严格执行无菌操作 。 固 体颗粒间隙中存在的空气可为微生物生长提供氧 气 , 通风量小 , 不需要无菌空气 。
收稿日期 :2008 -01 -20 作者简介 :戴超 (1983 -), 男 , 山东肥城县人 , 在读硕士 。 研究方向 :生物反应工程 。
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酿 造 与 检 测
3 固态发酵的应用
3.1 在环境资源上的应用 20世纪 90年代以来 , 随着能源危机与环境
污染问题的日益严重 , 固态发酵技术以其特有的 优点 (如无 “三废 ”排放 )引起了人们的兴趣 。 固 态发酵领域的研究及其在环境资源上的应用已取 得了很大的进展 , 主要表现在生物燃料 、生物农 药 、生物生长剂 、生物肥料 、生物转化 、工业废弃物 生物解毒及对危险复合物进行生物修复和降解等 方面的应用 [ 11] 。 3.2 在提高产品附加值上的应用
温度梯度是不可避免的 。 其它反应器还有圆柱式和搅拌式等 。 由中科
院过程工程所陈洪章研究员等研制的气相双动态 固态发酵技术及装置于 2007年 2月被美国专利 局授予发明专利权 。 该项核心技术有效地改善了 固态发酵过程中的热量传递和氧传递 , 促进了菌 体的生长代谢 , 解决了易染菌 、放大困难等方面的 难点 , 达到了节能和节水的目的 , 从而实现了工业 化大规模纯种培养 。
以下主要介绍 4种类型的反应器 :浅盘式 、转 鼓式 、填充床式和流化床式 。 2.1 浅盘式反应器
浅盘式反应器属于静态反应器 , 浅盘式反应 器的结构见图 1。
图 1 浅盘固态发酵生物反应器 图中 :1 -浅盘室 , 2 -水阀门 , 3 -紫外灯管 , 4、8、13 空气阀门 , 5、11 -空 气过滤器 , 6 -排气 口 , 7 -空气湿度调 节装置 , 9 -空气加热 器 , 10 -空气循环 通道 , 12 -空气入 口 , 14 -浅盘 , 15 -浅盘架
《江苏调味副食品 》 2007年 第 25卷 第 2期 (总第 110期 )
1 工艺控制参数
固态发酵最明显的特征就是传质和传热过程 的不均匀性 , 这使得固态发酵的自来自百度文库化控制和在 线检测非常困难 。目前尚没有比较完善的数学模 型来描述固态发酵过程 , 生产过程中还是以经验 指导为主 。 在固态发酵中 , 控制的工艺参数主要 有 :温度 、pH值 、物料或培养基的含水量等 。 1.1 温度
戴 超 , 等 固态发酵技术的研究进展
酿 造 与 检 测
这种反应器操作相对简单 , 但装料量少 , 要实 现大规模生产 , 可增加浅盘数目 。 浅盘室内的温 度和湿度容易控制 , 特别适用于制曲 。
但这种反应器由于存在对流空气 , 散热效果 较差 , 对浅盘物料的厚度有所限制 , 并且占地面积 较大 , 固需要耗费一定的人力 。 2.2 转鼓式反应器
固态发酵可对营养丰富的农作物或农作物残 余物进行生物转化 , 用 于发酵食品 、酶 、色素 、颜 料 、生物农药 、有机酸和风味化合物等的生产[ 12] 。 至今工业用酶大多数采用深层液体发酵的方法 , 成本很高 , 使酶的应用受到限制 , 固态发酵生产酶 是降低成本的好方法 。例如蛋白酶的固态发酵应 用较广 , 可替代液态深层发酵 [ 13] 。
Abstract:Inordertohaveabetterunderstandingofsolidstatefermentationtechnology, theadvantageofsolidstate fermentation, itsrelativeprocess-controlparameters, suchastemperature, pH degreeandwateractivityetc.arediscussed.Somesearchesaboutfermentingequipmentssuchastrayreactor, tumbler-typereactor, packed-bedreactor andfluid-bedreactoretc.arecarriedout.Itsdevelopingprospectsarealsomentionedaswell. KeyWords:solidstatefermentation;process-controlparameter;equipment;technology
现和环境保护意识的增强 , 固体发酵的技术又重 新受到重视 [ 3] 。
与其它发酵方式相比 , 固态发酵主要具有以 下优点 。
①原料成本低 , 多为天然基质或工业生产的 副产物 , 来源广泛 。
②工艺相对简单 , 基质的含水量低 , 可减小反 应器的体积 。同时 , 无废水和废气产生 , 不对环境 造成污染 。
戴 超 , 等 固态发酵技术的研究进展 文章编号 :1006 -8481(2008)02 -0025 -04
酿 造 与 检 测
固态发酵技术的研究进展
戴 超 , 冷云伟 , 宗雯雯
(中国矿业大学化工学院 , 江苏 徐州 221008)
摘 要 :为了对固态发酵机理有进一步的认识 , 介绍了固态发酵的优点 , 并对温度 、pH值和水活度等工艺控制 参数进行了讨论 , 同时主要对浅盘式反应器 、转鼓式反应器 、填充床反应器和流化床反 应器等固态发酵设备进 行了应用研究 , 最后展望了固态发酵技术的发展前景 。 关键词 :固态发酵 ;工艺控制参数 ;设备 ;技 术 中图分类号 :TS26 文献标识码 :B
4 结论与展望
随着人们对固态发酵机理认识的不断加深 , 现代固态发酵的成功将成为现代发酵技术的一次 革命 , 对某些材料进行降解 、修复及转化成对人们 有益或无害的物质 , 既无损于自然生态系统 , 又可 解决环境污染问题 , 减轻资源危机 。
随着固态发酵过程动力学数学模型的深入研 究和发展 , 加之系统控制技术的完善 , 揭示固态发 酵过程的变化规律和固态发酵反应器的设计会更 加科学合理 , 从而使得固态发酵系统工艺参数控 制达到最优化 。
目前 , 世界范围内对于这方面的研究很少 , 但 pH值是影响发酵过程的重要因素 , 由于固态物料 的含水量偏低 , 液态 发酵中的 pH值检测手段难 以应用 。一般认为 , 只要调节好初始 pH值 , 发酵 过程中不必 对其进行监测 和控制 。 在实 际过程 中 , 菌体代谢会导致物料 pH值发生较大变化 。 1.3 水活度
转鼓式的基本 形式是一个圆 柱型或鼓 型容 器 , 支架在一个转动系统上 , 转动系统主要起支撑 和提供动力的 作用 [ 7] 。 转鼓反应 器是一个 包括 基质床层 、气相流动空间和转鼓壁等组成的多相 反应系统 。 与传统固态发 酵生物反应器 不同的 是 :基质床层不是铺成平面 , 而是由处于滚动状态 的固体培养基颗粒构成 。 菌体生长在固体颗粒表 面 , 转鼓以较低的转速转动 , 就如同设置了搅拌轴 那样加速传质和传热过程 。 在某些情况下 , 菌丝 体和培养基颗粒 (特别是淀粉和粘性原料 )会结 成块 。 在这些情况下 , 除了转鼓的阻力影响外 , 要 分离这些聚合体非常困难 。当鼓的转动速率增大 时剪切力的作 用会影 响菌丝体 的生长 [ 8] 。 这一 类反应器可以满足充足的通风和温度控制 , 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 燥等可在发酵器内进行 , 可有效地防止杂菌污染 。 该类反应器可恒温水浴控制温度 、恒温冷水喷雾 冷却旋转鼓 、发酵时温度波动小及机械化程度高 。 2.3 流化床式反应器
2 固态发酵设备
总体来说 , 固态发酵设备的自动化程度偏低 , 以传统设备为主 。 近年来 , 对机械化和自动化设 备进行了很多研究 , 但放大效果较差 , 不利于大规 模的工业生产应用 。
由于固态发酵设备分类标准不一样 , B.Lonsane[ 6] 曾经归纳出了 9种不同形式的工业规模的 固态发酵反应器 :转鼓式 、木盒式 、加盖盘式 、垂直 培养盒式 、倾斜接种盒式 、浅盘式 、传送带式 、圆柱 式和混合式等 。 K.E.Aidou也提出了 10种不同 形式的固态发酵反应器 , 但以基质的运动情况则 可以分为两类 :①静态固态发酵反应器 , 包括浅盘 式和塔柱式反应器 ;②动态固态发酵反应器 , 包括 机械搅拌的简 、栓式和转鼓式反应器等 。
Progressonthetechnologyofsolidstatefermentation
DAIChao, LENGYun-wei, ZHONGWen-wen
(InstituteOfChemicalTechnology, ChinaUniversityofMining＆ Technology, Xuzhou, Jiangsu, 221008)
· 26·
将导致 aw 下降 [ 5] , 这时应根据实际的物料水分情 况进行补水 , 以保证菌体的正常生长 。
此外 , 固态发酵过程的通风速率 、通风时间 、 温度控制 、发酵周期的选择 、料层厚度及反应器几 何形状设计等都是重要的控制参数 , 由于缺乏系 统的理论依据指导 , 对于特定的发酵过程应根据 具体情况采取相应的措施 。
在金属网或多孔板上铺置粉状培养基 , 空气 上吹形成流化层状 态 , 传质 和传热效果很好 [ 9] 。 目前在日本已实现了大规模工业应用 。流化床反 应器操作的主要参数是粒径大小和颗粒分布 , 粒 径分布越狭窄 , 细小颗粒越容易保持流化状态 。 2.4 填充床反应器
填充床反应器在设计上必须要使床层的干燥 最小化 , 因为床层的干燥会导致床层的湿度变化 , 进而影响微生物的生长 。 因此 , 要在入口通入饱 和空气 , 即使如此 , 仍不能避免水分蒸发 , 因为在 空气进口和出口之间空气温度的增加使得空气的 持水性增加 [ 10] 。填充床反应器没有搅拌器 , 受新 陈代谢产生的热量限制 , 因此 , 床层底部到顶部的