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固态发酵技术及其设备的研究进展（2014至2015学年度第一学期）课程名称：专业文献检索与写作课程编号：07600185X学生姓名：范继伟学号：A07110980年级：能源1102班任课教师:刘爽提交日期：2014年12月01日固态发酵技术及其设备的研究进展范继伟（东北农业大学，哈尔滨，150030）摘要：在世界性的能源危机和环境保护意识增强的大环境下，由于液态发酵的效率低、高能耗、费用高，固态发酵技术再次引起了人们的兴趣，固态发酵领域的研究也出现了翻天覆地的变化。文中主要介绍了固态发酵技术的基本特点及其优越性，简介了影响固态发酵过程的主要可控参数，同时综述了浅盘式反应器、转鼓式反应器、填充床反应器、流化床反应器等固态发酵设备的开发现状，其中重点介绍了最新的压力脉动固态发酵反应器，它解决了固态发酵传热、传质差和难于大规模纯种培养等问题，使固态发酵的大规模产业化成为可能。最后讨论了固态发酵技术发展趋势和应用前景，为固态发酵的研究提供参考。关键词：固态发酵；可控参数；压力脉动固态发酵反应器；应用前景ResearchprogressofsolidstatefermentationtechnologyandequipmentAbstract：Enhancementintheworldenergycrisisandenvironmentalprotectionawarenessoftheenvironment，becauseofthelowefficiencyofliquidfermentation，highenergyconsumption，highcost，solid-statefermentationtechnologyonceagainarousedpeople'sinterest，studyonsolidstatefermentationfieldalsoappearedtoturntheworldupsidedownchange.Thispapermainlyintroducesthebasiccharacteristicsofsolidstatefermentationtechnologyanditsadvantages，themaincontrollableparametersbrieflytheeffectofsolidstatefermentationprocess，alsoreviewedthedevelopmentstatusoftraytypereactor，drumtypereactor，packedbedreactor，fluidizedbedreactorandothersolid-statefermentationdevice，whereinthepressurepulsationsolidfermentationreactorthenewemPHasisisintroduced，whichsolvestheheattransferinsolidfermentation，poormasstransferanddifficulttolarge-scalepurecultureandotherissues，thelarge-scaleindustrializationofsolidstatefermentationbecomepossible.Finallydiscussesthedevelopmenttrendandapplicationprospectofsolidfermentationtechnology，provideareferenceforthestudyofsolidstatefermentation.Keywords：Solidstatefermentation；controllableparameters；pressurepulsationsolidfermentationreactor；applicationprospect0前言现代发酵工业是当代生物技术产业中以工业化方式生产的主体部分，其发酵技术水平是一个国家生物技术产业发展水平的重要标志之一。众所周知，微生物发酵方法有两类:液体深层发酵与固态发酵。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[1]。但人类利用微生物生产产品历史最悠久的技术之一的固态发酵由于未达到纯种培养与大规模产业化要求，而一直被隔离在现代发酵工业的大门之外，作为传统与落后的代表而被忽视。然而近几年，由于能源危机与环境问题的日益严重，固态发酵技术再次引起人们的兴趣，固态发酵领域的研究出现了翻天覆地的变化。90年代以来，大约有上千篇论文在国外不同的期刊上发表[2，3]，也不时出现一些关于固态发酵某些特征的综述[4～7]，固态发酵技术也开始进入高速发展的快车道。1现代固态发酵技术系统分析1.1定义及特点[8]固态发酵是指在几乎无自由水存在或有一定湿度的水不溶性固态基质中用一种或多种微生物发酵的一个生物反应过程。这种固态基质既是微生物生长代谢所需的碳素营养和能量来源及其它营养物质的来源，又是微生物生长的微环境。从生物反应过程的本质考虑，固态发酵是以气相为连续相的生物反应过程，适宜好氧性微生物的生长。固态发酵的基质大多为不溶于水的物料，通常来说，物料的水分含量低于12%时，微生物的生长就会受到抑制，这表明了固态发酵要控制物料的最低限含水量。另外，对大多数固态发酵物料来说，其含水量高于80％就会出现游离水，因此，大多数固态发酵的含水量通常控制在60％左右。1.2固态发酵技术与液态发酵技术的对比[9]固态发酵的特征，体现在它与液态发酵相比的相对优、缺点方面(表1)。表1固态发酵与液态发酵相比的优缺点与固态发酵相比，液态发酵的缺点为:微生物所需氧来自于溶解氧，需消耗较大能耗用于微生物溶解氧的需求。如压缩无菌空气的制备和机械搅拌混合过程中的能耗；发酵产生的热量需要通过冷却水来排除；发酵结束时，培养基是液体状态，且其中的产物浓度很低，同时由于使用稀释的培养基和较大体积的生物反应器，使生产效率低；高底物浓度往往会产生非牛顿流体问题，使发酵过程难以进行，因此需要设计补料系统以便发酵期间进行补料；发酵液产品提取时需要去除大量高浓度废水，分离设备体积庞大，费用高；发酵所用原料常常需要经过较复杂的加工，能量消耗大；液态发酵环境往往会抑制微生物生化代谢，不利于次生代谢产物产生。与此相反，利用固态发酵技术往往可以克服上述液态发酵技术所存在的不足。优点缺点（1）培养基含水量少，废水、废渣少，环境污染少，容易处理；（2）消耗低，供能设备简易；（3）培养基原料多为天然基质或废渣，广泛易得，价格低廉；（4）设备和技术较简易；（5）产物浓度较高，后处理方便。（1）菌种限于耐低水活性(aw)的微生物，菌种选择性少；（2）发酵速度慢，周期较长；（3）天然原料成分复杂，有时变化，影响发酵产物的质和量；（4）工艺参数难检测和控制；（5）产品少，工艺操作消耗劳力多，强度大。2影响固态发酵的可控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动化控制和在线检测非常困难，如何成功控制不同的发酵参数是工程放大的难点。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、2CO和2O的含量、PH值、温度和菌体生长量等。2.1水分和水活度底物含水量的变化对微生物的生长及代谢能力有重要影响。低水分将降低营养物质传输、微生物生长、酶稳定性和基质膨胀；高水分将导致颗粒结块、通气不畅和染菌[10]。固态发酵过程中水分含量范围应控制在30%～85%.不同微生物发酵，水分应该是不同的。微生物能否在底物上生长取决于该基质的水活度Aw。水活度除受基质本身的影响外，还与溶质的种类和数量有关。不同微生物Aw要求也不同。一般而言，细菌要求Aw在0.90～0.99之间[11]；大多数酵母菌要求Aw在0.80～0.90；真菌及少数酵母菌要求Aw在0.60～0.70.因此，固态发酵常用真菌原因就是其对水活度要求低，可以降低杂菌的污染。2.2湿度湿度是指发酵器内环境空气的湿度。空气湿度太小，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%。2.32CO和2O浓度固态发酵系统的气态环境直接影响到生物量的大小和酶合成的程度，需要控制空气流动来调整气态环境。好氧微生物的理论呼吸熵(RQ)为1.0，低于1.0将影响氧气传输，微生物生长受到阻碍[12]。通过测定2O吸收速率和2CO合成速率(发酵尾气分析仪进行在线实时测定)，可以判断微生物的生长程度(反应生物量的变化)，通过改变2O和2CO的分压大小，可以控制微生物的生长和代谢，进而调节固态发酵过程。2.4温度和PH值由于微生物的生长、蛋白质合成、酶和细胞活性及代谢产物合成对温度的敏感性，对温度的控制很重要。大多数真菌的生长温度范围在20～55℃[13]，致死温度在50～60℃。在发酵过程中，微生物代谢产生大量的热，造成品温上升很快(有时高达2℃/h)，如果产生的热不能及时散去，就会影响孢子发芽、生长和产物产率。又固态发酵不同料层的物料温度不同(在微生物生长对数期可超过3℃/CM)，造成发酵不均一。因此，在固态发酵反应器设计方面，主要集中在如何传热，到目前为止，最好的解决办法是通风。固态发酵过程中由于代谢活动，PH值会发生一定变化，最常见的是有机酸的生成，造成PH值下降。不同微生物的最适生长PH值是不同的[14]，真菌生长PH值范围在2.0～9.0，最适范围在3.8～6.0；酵母最适范围在4.0～5.0.低PH值可以有效地抑制污染菌的繁殖。对PH值很难采用合适的技术进行在线测定和控制，可在发酵原料中加入具有缓冲能力的物质(对反应过程无影响)来缓冲PH值的变化。2.5发酵时间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。3固态发酵的设备目前，世界各国已经研究出各种类型的固态发酵设备(包括实验室、中试、工业生产规模)[15，16]，可归类为5种形式:填充床反应器，流化床反应器，转鼓式反应器，浅盘式反应器和搅拌反应器[17-19]。根据基质的运动情况可以分为两类：静态固态发酵反应器和动态固态发酵反应器[20]。但是，由于微生物种类繁多，菌种之间的特性不同，一种发酵设备不可能适合各种微生物的培养要求[21]。目前现有这些设备与人们期待的目标都还有很长一段距离[22]。因此研究固态发酵技术中的关键装备——固态发酵设备具有非常深远的意义。3.1静态固态发酵设备的研究进展3.1.1大池式[23]大池式是最古老的发酵方法，建一个水泥大池即可。优点：易放大、工艺成熟、投资省；缺点：劳动强度大、占地面积大、无法实现无菌操作、产品质量差，不适合纯种扩大培养。3.1.2浅盘式[24]浅盘式（TrayBioreactor）是在大池式基础上有所发展的一种方式，这种方式特别适合酒曲的加工。以前家庭作坊就常用这种方式发酵，它由一个密室和许多可移动的托盘组成。托盘所装的固体培养基，最大厚度达0.15m，放在自动调温的房间。这种技术已经广泛用于工业上(主要是亚洲国家)，其优点：较易规模化生产（只要增加托盘的数目）；缺点：需要很大的面积(培养室)、消耗很多人力。3.1.3塔状结构反应器[23]德国的ProPHyta公司的专利反应器是一个塔状结构的反应器，用来在无菌状态生产生物杀虫剂，里面装着穿孔的盘子，无菌空气可以穿过每一个盘。在每个盘子下面放有热交换器去除培养过程产生