新型固態(tài)發(fā)酵設(shè)備的種類及用途

1、新型固態(tài)發(fā)酵設(shè)備的種類及用途摘要：本文介紹了現(xiàn)代新型固態(tài)發(fā)酵設(shè)備的特點(diǎn)及其優(yōu)越性，同時(shí)綜述了國(guó)內(nèi)外固態(tài)發(fā)酵設(shè)備的開發(fā)現(xiàn)狀及最新研究動(dòng)態(tài)，為開發(fā)研制新型固態(tài)發(fā)酵 設(shè)備提供參考。關(guān)鍵詞 固態(tài)發(fā)酵,固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器1. 淺盤發(fā)酵器這是比較常用的一種固態(tài)發(fā)酵設(shè)備，對(duì)傳統(tǒng)的淺盤發(fā)酵進(jìn)行了簡(jiǎn)單的改 進(jìn)，培養(yǎng)基經(jīng)滅菌冷卻裝入淺盤，通過空氣增濕器調(diào)節(jié)空間的溫濕度，可通入 經(jīng)過濾的無(wú)菌空氣，滿足菌體生長(zhǎng)對(duì)氧的需求淺盤發(fā)酵中由于存在對(duì)流空氣，散熱效果不理想，發(fā)酵物料的厚度有一定限制；另外,淺盤發(fā)酵中還涉及到氧 氣消耗問題，因而對(duì)此類生物反應(yīng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮強(qiáng)制通風(fēng)，避免這類問題的產(chǎn)生。雖然淺盤反應(yīng)器操作簡(jiǎn)便，產(chǎn)率

2、較高，產(chǎn)品均勻，但因體積過大，耗 費(fèi)勞動(dòng)力大，無(wú)法進(jìn)行機(jī)械化操作，不適宜在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。2. 轉(zhuǎn)鼓式發(fā)酵器轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器適合固態(tài)發(fā)酵的特點(diǎn)，可滿足充足的通風(fēng)和溫度控制，因 而對(duì)它的研究也較多.Hardrin (2000)等根據(jù)微生物生長(zhǎng)產(chǎn)熱量最高峰時(shí)的熱量產(chǎn)生與去除效果的比率，利用無(wú)因次設(shè)計(jì)因數(shù)(DDF)來(lái)研究設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)鼓式 發(fā)酵器(RDB),它能夠預(yù)測(cè)給定條件下反應(yīng)床中能達(dá)到的最大溫度值，得出發(fā)酵期間最大耐受溫度，并結(jié)合操作變數(shù)作出相應(yīng)的控制措施，該方法提出了利 用幾何相似性原則進(jìn)行反應(yīng)器設(shè)計(jì)，放大時(shí)考慮的3個(gè)策略：第1維持通過R DB的空氣表面流速恒定；第2維持反應(yīng)器單位體積內(nèi)空氣體積比率恒定

3、；第 3反應(yīng)器放大時(shí)調(diào)節(jié)空氣氣流速度以維持期間反應(yīng)床中到達(dá)的最高溫度恒另外,運(yùn)用DDF方法進(jìn)行反應(yīng)器放大設(shè)計(jì)也可適用于其他固態(tài)發(fā)酵生 物反應(yīng)器,如淺盤式發(fā)酵器，流動(dòng)床反應(yīng)器及填充床反應(yīng)器等，或通過構(gòu)建系 統(tǒng)熱量除方法用于其他特殊類型的生物反應(yīng)器放大設(shè)計(jì)。Han (1999)等設(shè)計(jì)的該反應(yīng)器配有攪拌軸，料氣進(jìn)出口及接種口等，培養(yǎng)基滅菌、接種、通氣培 養(yǎng)和干燥可在發(fā)酵器內(nèi)進(jìn)行，可有效防止雜菌污染，恒溫水浴控制溫度，恒溫 冷水噴霧冷卻旋轉(zhuǎn)鼓，發(fā)酵時(shí)溫度波動(dòng)小，機(jī)械化程度高。通過實(shí)驗(yàn)比較了靜 置式與攪拌式對(duì)大豆根霉發(fā)酵效果的影響，結(jié)果表明，該發(fā)酵反應(yīng)器操作隔離 性能好,通過傳感器對(duì)操作參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控

4、制，滾軸旋轉(zhuǎn)速度在11540 r/ min ,空氣進(jìn)入管中流速為210 L/min ,但反應(yīng)器體積放大有一定的局限 性。因其影響到反應(yīng)器的熱量擴(kuò)散和培養(yǎng)基的滅菌效果，此外,前期過多拌料等因素對(duì)一些菌屬的生長(zhǎng)有較大的影響；Han (1999) 等利用RDB根霉發(fā)酵 大豆生產(chǎn)新型的固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)品,可作為粉狀食品的配料。目前，RDB被應(yīng)用于 酒精、酶、制曲、植物細(xì)胞培養(yǎng)、根霉發(fā)酵大豆及丹貝等生產(chǎn)中。3. 旋轉(zhuǎn)圓盤式發(fā)酵機(jī)旋轉(zhuǎn)圓盤式發(fā)酵機(jī)是目前國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)的新型固態(tài)發(fā)酵設(shè)備。密封效 果好,不僅杜絕了雜菌污染，更能有效地保持溫、濕度,并能方便地進(jìn)行自動(dòng)化 測(cè)溫、控溫、控濕，為微生物生長(zhǎng)繁殖提供了有利條件。

5、料床為圓盤動(dòng)力旋轉(zhuǎn) 式,既可以消除發(fā)酵“死角”，又得以與入料、翻料、攤平、出料等機(jī)構(gòu)有機(jī) 地配合,實(shí)現(xiàn)出入料、攤平、翻料機(jī)械化，大大地方便了生產(chǎn)，從而可與前后工 序的設(shè)備配套，形成自動(dòng)化程度較高的生產(chǎn)線，該機(jī)適用于發(fā)酵周期短的產(chǎn)品 生產(chǎn)。4. 攪拌式發(fā)酵反應(yīng)器攪拌式發(fā)酵反應(yīng)器和液態(tài)反應(yīng)器類似，有立式和臥式之分，臥式反應(yīng)器 根據(jù)攪拌方式又可分為轉(zhuǎn)軸式和轉(zhuǎn)筒式。但由于固態(tài)基質(zhì)的攪拌特性，對(duì)攪拌漿的設(shè)計(jì)有特殊要求。此類攪拌器在食品工業(yè)早已應(yīng)用，日本生產(chǎn)的小型帶柴 油發(fā)動(dòng)機(jī)的專門用于纖維素物質(zhì)固態(tài)發(fā)酵的攪拌式小型反應(yīng)器，可供鄉(xiāng)村家庭使用，其發(fā)酵產(chǎn)物可直接用作飼料。江蘇大學(xué)生物工程研究所從20世紀(jì)90年

6、代末就致力于開發(fā)固態(tài)物料發(fā)酵系統(tǒng)，研制出的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器將物料 的混合、滅菌、冷卻、接種、發(fā)酵幾個(gè)工藝過程 ，集中在一個(gè)工位完成，避免 了物料的搬動(dòng)，保證微生物生長(zhǎng)所需的環(huán)境條件，防止了雜菌的污染，在技術(shù) 上有了新的突破。5. 壓力脈動(dòng)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器壓力脈動(dòng)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器設(shè)計(jì)主要是以流體靜力學(xué)理論為基礎(chǔ)（固相培 養(yǎng)基靜態(tài)），以法向作用力為動(dòng)力源（氣相動(dòng)態(tài)周期作用力），強(qiáng)調(diào)生物反應(yīng) 器是一個(gè)非線性活細(xì)胞代謝與周圍環(huán)境進(jìn)行質(zhì)量、熱量、能量、信息交換的 生態(tài)系統(tǒng),是由生命系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)組成的特定空間，而不是單一的裝置。用 無(wú)菌空氣對(duì)密閉低壓容器的氣相壓力施以周期性脈動(dòng)。罐體氣相壓力通過無(wú) 菌空氣進(jìn)行

7、充壓與泄壓。峰壓值一般為 1501350 MPa ,谷壓一般為1103 MPa 。峰壓時(shí)間與谷壓時(shí)間由人為設(shè)定控制，并隨發(fā)酵時(shí)間而變化，一般在對(duì)數(shù)增 長(zhǎng)期變化頻率高,延遲期與穩(wěn)定期頻率小。周期一般為 25215 h ,隨需要而 定?！皦毫γ}動(dòng)”對(duì)固體培養(yǎng)基是靜態(tài)，但對(duì)氣相則是動(dòng)態(tài)。其發(fā)酵設(shè)備的成 果處于國(guó)際領(lǐng)先水平。目前,壓力脈動(dòng)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器已成功地從實(shí)驗(yàn)室的2、50、800 L放大到25 m3、50m3、70 m3的工業(yè)級(jí)生產(chǎn)規(guī)模。并對(duì)裝料方式等進(jìn)行了 改進(jìn)。應(yīng)用范圍涉及到抗生素、酶制劑、有機(jī)酸、食品添加劑、生物農(nóng)藥和 生物肥料等。6. 滾筒式固體式發(fā)酵機(jī)一種多功能固態(tài)發(fā)酵設(shè)備，可應(yīng)用于制

8、曲、酶制劑固態(tài)發(fā)酵工程、生物 農(nóng)藥固態(tài)發(fā)酵工程、生物色素固態(tài)發(fā)酵工程、工農(nóng)業(yè)廢渣固態(tài)發(fā)酵飼料蛋白 工程等場(chǎng)合；集配料、混合、滅菌、冷卻、接種、發(fā)酵于一身，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制 通風(fēng)，無(wú)菌發(fā)酵操作，溫度自控；整機(jī)低速旋轉(zhuǎn)使發(fā)酵物得到均勻混合，從 而有很好的傳熱、傳質(zhì)性能，由于剪切力較低，不會(huì)對(duì)菌絲的正常生長(zhǎng)造成 傷害。滾筒容積：6m3發(fā)酵能力：1噸/批（干基）、功率：3kw、轉(zhuǎn)速： 03rpm電源：220V, 50Hz;其它規(guī)格可根據(jù)工程實(shí)際規(guī)模設(shè)計(jì)制造。另外， 可提供轉(zhuǎn)盤式固態(tài)發(fā)酵機(jī)、填料床式固態(tài)發(fā)酵池等固態(tài)發(fā)酵技術(shù)及設(shè)備配套； 通風(fēng)填料床容量11.5噸干料，不銹鋼篩板床面，消除死角，通風(fēng)均勻，清 洗容

9、易，運(yùn)轉(zhuǎn)良好，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的良好控制，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本。7. 臥式固態(tài)物料發(fā)酵罐一種新型可適用絲狀真菌的固態(tài)物料發(fā)酵罐。物料在同一設(shè)備里完成混合、滅菌、接種、培養(yǎng)、出料等整個(gè)過程；性價(jià)比要高，有推廣應(yīng)用價(jià)值。 本固態(tài)物料發(fā)酵罐為固定臥式罐體，兩端封頭用法蘭與罐體聯(lián)接，接有溫、 濕度監(jiān)測(cè)儀及排氣孔，罐體上接有蒸汽及滅菌空氣進(jìn)口 ，攪拌葉片呈一定角 度排列裝于攪拌軸上，罐體上裝有進(jìn)料口和出料口 ，罐體外有夾套，夾套外 有保溫層。本設(shè)備凡與物料接觸部分均采用不銹鋼制作，減速機(jī)選用雙級(jí)型 擺線針輪減速機(jī),轉(zhuǎn)速為23r/min。該固態(tài)物料發(fā)酵罐與現(xiàn)有設(shè)備相比,有 以下優(yōu)點(diǎn)：物料直接在罐內(nèi)滅菌、冷卻，

10、從而避免了物料的二次污染； 在滅菌和發(fā)酵的過程中，物料通過葉片的正、反轉(zhuǎn)，保證物料的疏松、均勻, 提高了發(fā)酵的均勻性，縮短了發(fā)酵周期，提高了生產(chǎn)率；由于通入無(wú)菌 空氣，大大降低了雜菌污染率，提高了產(chǎn)品的得率和質(zhì)量；可適用于絲狀 菌體的工業(yè)化生產(chǎn)。上述各種固態(tài)反應(yīng)器中，在工業(yè)上已得到應(yīng)用的還是盤式、轉(zhuǎn)鼓式及攪拌 式反應(yīng)器，國(guó)內(nèi)對(duì)各種性能固態(tài)反應(yīng)器的研制還剛剛開始。在考慮研制新型固 態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器時(shí)，強(qiáng)制通風(fēng)、溫控，物料不宜長(zhǎng)時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)，能增溫,機(jī) 械化程度高，易于操作,便于清洗消毒，投資少等因素是關(guān)鍵。隨著人們對(duì)固態(tài) 發(fā)酵過程動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的不斷研究和發(fā)展，不斷揭示固態(tài)發(fā)酵過程的變化 規(guī)律,加之系統(tǒng)控制技術(shù)的完善，固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的設(shè)計(jì)會(huì)更加科學(xué)合理，從 而使固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)工藝參數(shù)控制達(dá)到最優(yōu)化。參考文獻(xiàn)1 李道