国际领先水平的固态发酵设备成果

固态通风发酵设备是好氧固态发酵技术实现的关键设备，国内在这方面主要还是传统的开放式为多，部分厂家研制的固态发酵反应器虽性能有所提高，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发展要求，而且设备投资大，生产成本相对较高，对工艺参数未达到最优化设计。近几年来，固态发酵过程数学模型化不断的建立和完善，如Sangsurasak, Mltchell（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；与此同时，国外也对适用于大规模固态发酵培养系统进行不断的研究和发展；迄今为止，国内外固态通风发酵反应器研究如下。

1.由敞口式发酵到封闭式发酵

传统的固态发酵由于需要在发酵过程中自然接种，因此，传统的大多是敞口式发酵。这样，虽然投资少，操作方便，但会出现大规模生产散热困难，易污染，产品中杂菌多等问题。我国广东省机械化研究所研制了一种可装料达一吨的封闭式通风发酵机，在酱油制曲和饲料酵母生产中取得了良好的效果。日本现已将固态通风发酵池封闭起来，采用循环式通风。这类封闭式发酵器可以彻底灭菌，便于控制发酵器中的温度，所制产品无杂菌。

2.从浅盘发酵到机械化罐发酵

从自然堆积发酵到浅盘发酵是微生物发酵从单纯凭经验发酵发展到纯种培养。我国现在酿造业的固体曲基本用通风池发酵，而有些地方的饲料酵母仍采用浅盘或帘子培养，这些发酵形式占地面积大，劳动强度高。苏联研制出密闭的柱形固态发酵罐，已完全机械化操作，发酵物料达1 t。

浅盘发酵器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，发酵物料的厚度有定限制。另外，浅盘发酵中还涉及氧气消耗问题，因而此类生物反应器在设计时应考虑强制通风避免这类问题的产生。虽然浅盘反应器操作简便，产率较高，产品均匀，但因占体积过大，耗费劳动力，无法机械化操作等缺点，不适宜在工业生产中应用。

机械化罐有立式和卧式之分，卧式反应器根据搅拌方式又可分为转轴式和转筒式。但由于固态基质搅拌特性，对搅拌浆的设计有特殊要求。此类搅拌器在食品工业中早已应用，日本生产出小型的带柴油发动机的专门用于纤维素物质固态发酵的搅拌式小型反应器，供乡村家庭使用，其发酵产物可直接用作饲料。江苏大学生物工程研究所从20世纪90年代末就致力于开发该型式固态物料发酵系统，研制出的固态发酵反应器将物料的混合、灭菌、冷却、接种、发酵几个工艺过程集中在一个工位完成，避免了物料的搬动，保证微生物生长所需的环境条件，防止了杂菌的污染，在技术上有了新的突破。

3.从堆积发酵到流化床发酵

虽然固态发酵反应器由简单浅盘发展到机械化发酵罐，但它们还都是堆积发酵。在堆积发酵中，由于基质和微生物的相对不动性，物质传递是限制微生物生长和产物形成的主要因素。而且微生物在生长过程中，所产生的有害物质不能及时排除，所需的营养也不能及时补充以至于固态发酵周期较长。现日本已兴起流化床固态培养。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。这类反应器适应固态发酵的特点，研究也较多，它可满足充足的通风和温度控制。(www.xing528.com)

4.从经验发酵到控制发酵

液态发酵现可实现电子计算机控制，对发酵过程中的参数实现监测。由于固态发酵的不均一性和不溶性基质存在，较难准确地测定发酵过程的参数，但近年参数监测在固态发酵中也取得了一定进展。

在流化床反应器中，培养基的含水量通过流化床内的电极和塔壁间静电容量值，从喷嘴喷出无菌水雾加以控制。在厚层通风池中，其培养料温度可通过继电器控制通风量以达到池内温度保持在30℃左右。在固态发酵中，真菌的菌丝穿插于基质中，多数常规方法都无法使用。虽然pH也是影响菌体生长代谢的关键因素之一，但固态发酵的某些基质具有优良缓冲性能减少pH的控制影响。

压力脉动固态发酵反应器设计主要是以流体静力学理论为基础（固相培养基静态），以法向作用力为动力源（气相动态周期作用力），强调生物反应器是个非线性的活细胞代谢与周围环境进行质量、热量、能量、信息交换的生态系统，是由生命系统和环境系统组成的特定空间，而不是单一的装置。具体的主要操作是用无菌空气对密闭低压容器的气相压力施以周期性脉动。罐体气相压力通过无菌空气的充压与泄压，峰压值般为150350 kPa，谷压一般为1030 kPa。峰压时间与谷压时间由人为设定控制，并随发酵时间而变化，一般在对数增长期变化频率高，延迟期与稳定期频率低。周期一般为15～150 min，随需要而定。“压力脉动”对固体培养基是静态，但对气相则是动态。其发酵设备的成果处于国际领先水平。

目前，压力脉动固态发酵反应器已成功地从实验室的2L、50L、800L放大到25m3、50 m3、70 m3的工业级生产规模，并对装料方式等进行了改进。应用范围涉及抗生素、酶制剂、有机酸、食品添加剂、生物农药和生物肥料等。

总之，上述各种固态反应器中，在工业上已得到应用的还是盘式、转鼓式及搅拌式反应器，国内对各性能固态反应器的研制才刚刚开始。由于必须解决反应器的过程放大，防止发酵过程污染，及过程监控等一系列问题，到目前为止尚未见到有关工业化规模固态反应器的专文报道。因此在考虑研制新型固态发酵反位器时，强制通风、温控，物料不宜长时处于静止状态，使增温机械化程度高，易于操作，便于清洗消毒，投资少等因素是关键。

随着固态发酵过程动力学数学模型的不断研究和发展，不断揭示固态发酵过程的变化规律，加以系统控制技术的完善，固态发酵反应器的设计会更加科学合理，使固态发酵系统工艺参数控制达到最优化。