固態(tài)發(fā)酵技術(shù)設(shè)備及在飼料工業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

■沈桂宇

（遼寧省農(nóng)牧業(yè)機(jī)械研究所有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110036）

固態(tài)發(fā)酵是發(fā)酵工藝中重要的一類(lèi)，起源于中國(guó)，具有幾千年的歷史。近年來(lái)，由于固態(tài)發(fā)酵利用的是具有一定濕度的水不溶性固體培養(yǎng)基，具有節(jié)水、節(jié)能的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，屬于清潔生產(chǎn)技術(shù)逐步得到世界各國(guó)的重視而成為研究的熱點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)廢棄物的利用和低值原料高值化方面均得到了較大的應(yīng)用，特別是土壤修復(fù)、生物燃料、生物飼料、生物解毒等領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。研究表明，固態(tài)發(fā)酵與其他培養(yǎng)方式相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。首先是培養(yǎng)基簡(jiǎn)單而且來(lái)源廣泛，目前選用的多為便宜的天然基質(zhì)或者工業(yè)生產(chǎn)后的副產(chǎn)物，而且培養(yǎng)基的含水量低，可以大大減少生物反應(yīng)器的體積和對(duì)廠房的要求，發(fā)酵過(guò)程中或者后期不需要額外的廢水處理，減少了環(huán)境污染。其次固態(tài)發(fā)酵投資少，能耗低，產(chǎn)物的產(chǎn)率較高，后續(xù)處理較簡(jiǎn)單，發(fā)酵前期和過(guò)程中一般不需要非常嚴(yán)格的無(wú)菌操作。此外，固態(tài)發(fā)酵在技術(shù)要求上相對(duì)寬泛，如通氣不需要連續(xù)進(jìn)行，一般可由氣體擴(kuò)散或者間歇通風(fēng)完成，而且不需要嚴(yán)格的無(wú)菌空氣或者單一氣體。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)和檢測(cè)手段的應(yīng)用，固態(tài)發(fā)酵在技術(shù)、設(shè)備等方面都得到了進(jìn)一步發(fā)展，為飼料工業(yè)等提供了新的思路和方法，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值。

1 固態(tài)發(fā)酵技術(shù)研究進(jìn)展

與液態(tài)發(fā)酵不同，固態(tài)發(fā)酵是一種接近自然狀態(tài)的發(fā)酵，水分活度低而且發(fā)酵不均勻，這使得發(fā)酵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)固態(tài)發(fā)酵的自動(dòng)化控制和在線監(jiān)測(cè)非常困難，雖然目前有一些關(guān)于固態(tài)發(fā)酵的動(dòng)力學(xué)研究和模型構(gòu)建，但是仍然缺少完善和通用的數(shù)學(xué)模型，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)仍然不可或缺。影響固態(tài)發(fā)酵的因素很多，除了基質(zhì)類(lèi)型和微生物的選擇外，還包括相應(yīng)的發(fā)酵技術(shù)和工藝。當(dāng)然，這些影響因素并不是獨(dú)立存在的，彼此之間也存在著緊密的聯(lián)系，甚至在特定的固態(tài)發(fā)酵中，技術(shù)或者工藝層面高低的差異可以直接決定著發(fā)酵產(chǎn)物的優(yōu)劣，因此對(duì)于固態(tài)發(fā)酵而言，設(shè)備以外的溫度、水活度、粒徑、氣體等各個(gè)主要因素的控制技術(shù)分析和互作研究就顯得尤為重要。

研究表明，微生物在生長(zhǎng)和代謝過(guò)程中需要釋放大量的熱量，特別是在生長(zhǎng)初期尤為明顯，因此溫度是影響微生物生長(zhǎng)的重要因素,可以直接關(guān)系到發(fā)酵過(guò)程的正常進(jìn)行和最終產(chǎn)品的生成。同時(shí)又由于溫度是一個(gè)重要的可以調(diào)節(jié)的參數(shù)，所以在溫度控制技術(shù)上完全可以利用這一特點(diǎn)，根據(jù)不同微生物在固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中溫度的變化規(guī)律，結(jié)合加熱、通風(fēng)、噴淋等方法調(diào)節(jié)溫度，尤其是在南方夏季氣溫較高的時(shí)間，既要保障微生物的快速生長(zhǎng)代謝，又避免出現(xiàn)熱量過(guò)高引起的微生物菌體生長(zhǎng)抑制甚至大量死亡。

盡管固態(tài)發(fā)酵中的微生物是生長(zhǎng)在缺乏或幾乎缺乏不可見(jiàn)液體水的顆粒之間，僅從濕的基質(zhì)顆粒中獲得所需的水分，但是研究發(fā)現(xiàn)底物含水量的變化對(duì)微生物的生長(zhǎng)及代謝能力有重要的影響，而且不同的微生物對(duì)水分的要求也不盡相同。過(guò)低的水分將降低微生物菌體酶的活性和穩(wěn)定性，影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和菌體生長(zhǎng)；過(guò)高的水分很容易導(dǎo)致物料結(jié)塊和污染雜菌，因此水分控制技術(shù)對(duì)于固態(tài)發(fā)酵而言也是很重要的因素。現(xiàn)代研究表明，微生物能否在底物上生長(zhǎng)取決于該基質(zhì)的水分活度。水分活度是基質(zhì)中水分存在的狀態(tài)，即水分與基質(zhì)結(jié)合程度，水分活度值越高，結(jié)合程度越低；水分活度值越低，結(jié)合程度就越高。只有水分活度大于某一臨界值時(shí)，特定的微生物才能生長(zhǎng)。固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中，隨著環(huán)境的變化基質(zhì)水分活度將降低，所以對(duì)同一種發(fā)酵微生物而言，發(fā)酵中后期可以通過(guò)增加水分來(lái)提高水分活度，以保證菌體的正常生長(zhǎng)。

固態(tài)發(fā)酵一般利用農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物，因此原料的預(yù)處理和基質(zhì)粒徑的控制技術(shù)同樣非常重要，研究發(fā)現(xiàn)粒徑可以影響微生物固態(tài)發(fā)酵的效率，因此可以通過(guò)物理、化學(xué)等手段和方法控制單位基質(zhì)體積顆粒所能提供的反應(yīng)表面積的大小，旨在為微生物的生長(zhǎng)提供充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氣體。但是粒徑也并不是越小越好，過(guò)小的粒徑會(huì)影響到傳質(zhì)傳熱的效率，進(jìn)而影響微生物的生長(zhǎng)和代謝，因此適宜的粒徑控制技術(shù)尤為重要。此外，氣體的控制技術(shù)有助于固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中氧氣、二氧化碳以及揮發(fā)性代謝物和反應(yīng)熱等的交換，結(jié)合溫度等其他重要工藝參數(shù)，為微生物的生長(zhǎng)繁殖提供必要的條件。

2 固態(tài)發(fā)酵設(shè)備研究進(jìn)展

固態(tài)發(fā)酵中反應(yīng)基質(zhì)以固態(tài)形式存在，與深層液態(tài)發(fā)酵有著顯著區(qū)別，反應(yīng)體系內(nèi)的傳遞過(guò)程也極其復(fù)雜，包括氣-固、氣-液、液-固等多種形式。因此固態(tài)發(fā)酵的主要生產(chǎn)設(shè)備即生物反應(yīng)器與液體發(fā)酵反應(yīng)器有著較大的差異，實(shí)際上這已經(jīng)成為固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)在現(xiàn)代生物反應(yīng)工程上應(yīng)用的關(guān)鍵。剖析國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，包括淺盤(pán)發(fā)酵器、轉(zhuǎn)鼓式發(fā)酵器、旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)式發(fā)酵機(jī)、攪拌式發(fā)酵反應(yīng)器、壓力脈沖固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器、滾筒式固體發(fā)酵機(jī)以及臥式固態(tài)物料發(fā)酵罐等。近年來(lái)固態(tài)發(fā)酵過(guò)程模型的不斷建立和相關(guān)理論的不斷完善，為固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器等關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，保障了固態(tài)發(fā)酵技術(shù)工藝的實(shí)現(xiàn)，促進(jìn)了大規(guī)模工業(yè)化、現(xiàn)代化和自動(dòng)化生產(chǎn)應(yīng)用。

在各種固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器中，目前常用的是盤(pán)式、轉(zhuǎn)鼓式和攪拌式反應(yīng)器。其中盤(pán)式反應(yīng)器又屬于靜態(tài)反應(yīng)器，由一個(gè)密室和許多可以移動(dòng)的托盤(pán)組成，是最簡(jiǎn)單、最普遍的固態(tài)發(fā)酵設(shè)備，應(yīng)用規(guī)模化生產(chǎn)可通過(guò)增加或減少托盤(pán)數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)物料的多少。盤(pán)式發(fā)酵中存在占用面積大、散熱效果不理想、耗費(fèi)勞動(dòng)力大等問(wèn)題。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，一般包括基質(zhì)床層、氣相流動(dòng)空間和轉(zhuǎn)鼓壁等組成的多相反應(yīng)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器不同的是轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器基質(zhì)床層并不是鋪成平面，而是由處于滾動(dòng)狀態(tài)的固體培養(yǎng)基顆粒構(gòu)成。這一類(lèi)反應(yīng)器在生產(chǎn)和應(yīng)用過(guò)程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象，而且轉(zhuǎn)動(dòng)速率偏大時(shí)還存在剪切力對(duì)微生物菌絲體生長(zhǎng)的影響。攪拌式反應(yīng)器利用機(jī)械攪拌器的作用，使空氣和發(fā)酵基質(zhì)充分混合，促進(jìn)氧的溶解，以保證供給微生物生長(zhǎng)繁殖和代謝所需的溶解氧，是一種封閉式的發(fā)酵模式，一般有立式和臥式之分。由于固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)特有的性質(zhì)，因此對(duì)于攪拌器的要求較高，有設(shè)計(jì)是通過(guò)冷卻液在箱體上流動(dòng)，通過(guò)薄壁吸收發(fā)酵箱內(nèi)的熱量，同時(shí)攪拌器的不斷攪拌和內(nèi)部通風(fēng)讓固態(tài)物混合均勻、散熱均勻，并且通過(guò)空氣來(lái)控制發(fā)酵箱內(nèi)部的濕度等參數(shù)。

綜上所述，在研制新型固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器時(shí)，通風(fēng)和溫控，物料狀態(tài)，機(jī)械化程度，操作清洗等仍然是需要考慮的關(guān)鍵方面，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和相關(guān)發(fā)酵工程理論基礎(chǔ)研究的發(fā)展，不斷探究和揭示固態(tài)發(fā)酵過(guò)程的變化規(guī)律，加以系統(tǒng)控制技術(shù)的完善，固態(tài)發(fā)酵設(shè)備的設(shè)計(jì)也將會(huì)更加科學(xué)合理。

3 固態(tài)發(fā)酵在飼料工業(yè)中的應(yīng)用

飼料工業(yè)是畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的基礎(chǔ)，要發(fā)展現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)，首先要發(fā)展飼料工業(yè)，要發(fā)展飼料工業(yè)，就要重視飼料資源的開(kāi)發(fā)與利用，其中蛋白質(zhì)飼料資源作為飼料非常重要的組分極其重要。應(yīng)用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)蛋白飼料、單細(xì)胞蛋白和菌體蛋白，不僅可以提供大量?jī)?yōu)質(zhì)的飼料蛋白源，而且還能提供具有特殊生理作用的生長(zhǎng)因子、益生菌、益生素等功能性物質(zhì)。特別是針對(duì)目前飼料蛋白質(zhì)資源嚴(yán)重短缺的現(xiàn)狀，使得固態(tài)發(fā)酵在飼料工業(yè)中的應(yīng)用前景更加廣闊。

固態(tài)發(fā)酵技術(shù)和設(shè)備在飼料工業(yè)中應(yīng)用的主要工藝流程涉及菌種擴(kuò)大培養(yǎng)、原料預(yù)處理、接種發(fā)酵、干燥包裝等，不同基質(zhì)和發(fā)酵微生物分別對(duì)應(yīng)各自合適的溫度、濕度、通風(fēng)等外界條件，并可以通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。作為固態(tài)發(fā)酵高蛋白飼料，優(yōu)良的菌種是關(guān)鍵，常用的菌種包括釀酒酵母、產(chǎn)朊假絲酵母、熱帶假絲酵母、米曲霉、黑曲霉以及芽孢桿菌、乳酸菌等，隨著生物技術(shù)和現(xiàn)代微生物理論的發(fā)展，目前多采用多菌種混合發(fā)酵，通過(guò)利用不同菌株之間的特色和優(yōu)勢(shì)，既可以擴(kuò)大對(duì)原料底物的適應(yīng)性，又可以利用菌株之間的協(xié)同作用提高最終產(chǎn)物的蛋白質(zhì)含量和效價(jià)。應(yīng)用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)蛋白飼料的原料廣泛，如谷物的糠麩、餅粕類(lèi)加工副產(chǎn)物以及含有淀粉的工業(yè)廢渣等，因此固態(tài)發(fā)酵前首先進(jìn)行原料的粉碎等預(yù)處理，粉碎的好壞也是影響發(fā)酵過(guò)程工藝和蛋白飼料產(chǎn)率的重要因素。原料粉碎細(xì)致，可以增加原料的利用率，但是過(guò)于細(xì)致又會(huì)影響氣體等在原料內(nèi)的傳遞，因此，一般可以通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定原料的粉碎程度。