工業(yè)化固態(tài)發(fā)酵設(shè)備研究進(jìn)展

謝 慧，張 雷，曹勝炎，王風(fēng)芹，楊 森，張軍峰，宋安東

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)微生物酶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450002；2.河南雙成生物科技有限公司，河南漯河463900)

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工業(yè)化固態(tài)發(fā)酵設(shè)備研究進(jìn)展

謝 慧1，張 雷1，曹勝炎2，王風(fēng)芹1，楊 森1，張軍峰2，宋安東1

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)微生物酶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450002；2.河南雙成生物科技有限公司，河南漯河463900)

固態(tài)發(fā)酵技術(shù)是處理農(nóng)業(yè)廢棄物最常用的技術(shù)之一。該技術(shù)可以根據(jù)不同的農(nóng)業(yè)廢棄物物理化學(xué)成分的差異，合理處理廢棄物并且獲得高產(chǎn)值產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)酵技術(shù)相比，現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)結(jié)合了現(xiàn)代發(fā)酵理論與機(jī)械自動(dòng)化等多種學(xué)科的特點(diǎn)。多樣的新型固態(tài)發(fā)酵設(shè)備已用于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中，但是滿足工業(yè)化需求的大型固態(tài)發(fā)酵設(shè)備仍在少數(shù)。近幾年來(lái)，隨著社會(huì)和政府對(duì)環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越多的重視，固態(tài)發(fā)酵技術(shù)得到極大的發(fā)展。本文中，筆者重點(diǎn)介紹2010年以來(lái)報(bào)道的噸級(jí)固態(tài)發(fā)酵設(shè)備及工藝。

固態(tài)發(fā)酵；工業(yè)化；生物反應(yīng)器；厭氧發(fā)酵設(shè)備；農(nóng)業(yè)廢棄物

中國(guó)是世界上農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)出量最大的國(guó)家，畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈、蔬菜廢棄物等廢棄物總量超過(guò)50億t[1]。近年來(lái)，農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用向能源化、基質(zhì)化、飼料化和材料化利用等幾個(gè)方面迅速發(fā)展[2]，而固態(tài)發(fā)酵技術(shù)憑借其適用范圍廣泛、處理量大、產(chǎn)品價(jià)值高等特點(diǎn)，受到很多企業(yè)的青睞。

固態(tài)發(fā)酵技術(shù)(solid state fermentation，SSF)是基于一種由高含量的固體、低含水量的液體及適當(dāng)濃度的氣體組成的三相環(huán)境，在該環(huán)境下，微生物可以正常繁殖并利用周圍的固體基質(zhì)作為營(yíng)養(yǎng)或填充物，改善固體基質(zhì)特性，提高固體基質(zhì)利用價(jià)值，生產(chǎn)高值產(chǎn)品[3]。早在幾千年前，中國(guó)人就已經(jīng)利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)酒、醋等產(chǎn)品[4-5]。隨著人們對(duì)SSF研究的深入以及生物質(zhì)資源的開(kāi)發(fā)與利用，促使了SSF在多個(gè)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，尤其是食品、酶制劑、環(huán)境、制藥及生物能源等領(lǐng)域[6-10]。

21世紀(jì)以來(lái)，環(huán)境問(wèn)題尤為突出，因此，SSF等綠色環(huán)保型技術(shù)得到極大的發(fā)展。SSF以工農(nóng)業(yè)廢棄物為原料，在生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品的同時(shí)亦能緩解環(huán)境壓力[11]。Zhang等[12]從動(dòng)力學(xué)的角度比較了紫紅曲霉在固態(tài)發(fā)酵和液態(tài)發(fā)酵條件下發(fā)酵甘油的能力，從而肯定了SSF的優(yōu)越性。

微生物的品種決定了固態(tài)發(fā)酵的最終產(chǎn)品類型[13-15]。固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中，pH、含水量、溫度和氣態(tài)環(huán)境等因素構(gòu)成微生物的生長(zhǎng)環(huán)境，繼而影響最終的發(fā)酵結(jié)果[16-19]，而不同基質(zhì)的底物則具有不同的特性，也會(huì)影響發(fā)酵結(jié)果[20-21]。

傳質(zhì)和傳熱是SSF工程化過(guò)程中的兩大核心問(wèn)題[22]。Mao等[23]對(duì)甜高粱秸稈固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇過(guò)程中的傳質(zhì)進(jìn)行了深入的研究。Chen等[24]研究了氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中質(zhì)的轉(zhuǎn)變過(guò)程。Casciatori等[25]建立了填充床固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中的水與熱轉(zhuǎn)變模型。Foong等[26]研究了流化床發(fā)酵棕仁餅過(guò)程中熱與質(zhì)的轉(zhuǎn)移特性。

以上所有因素都是固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)所需要考慮的。除此以外，SSF所使用的菌種對(duì)設(shè)備的要求(是否存在菌絲、是否耐受攪拌、是否需要無(wú)菌環(huán)境)也會(huì)影響到反應(yīng)器的設(shè)計(jì)[27]。傳統(tǒng)的SSF有托盤反應(yīng)器(未曝氣-未攪拌式)、填充床反應(yīng)器(曝氣-未攪拌式)、轉(zhuǎn)筒反應(yīng)器(未曝氣-攪拌式)、氣固流化床反應(yīng)器(曝氣-攪拌式)等[28]。許多新型的SSF反應(yīng)器僅限于實(shí)驗(yàn)室使用，還無(wú)法投入工業(yè)生產(chǎn)中[29-33]，傳統(tǒng)的工業(yè)化固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器技術(shù)相對(duì)落后，不能滿足現(xiàn)代化的生產(chǎn)需求。

隨著機(jī)械化水平和數(shù)控技術(shù)的提升以及SSF理論的完善，更多新型的工業(yè)化固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器被開(kāi)發(fā)出來(lái)，并且投入生產(chǎn)。本文中，筆者將綜述固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器工業(yè)放大的難題，并重點(diǎn)介紹2010年來(lái)投入到工業(yè)生產(chǎn)中的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器及其配套的生產(chǎn)設(shè)備。

1 固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與放大

現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)分為上游工程、中游工程、下游工程和輔助工程四個(gè)部分。上游工程包括菌種選育和培養(yǎng)、培養(yǎng)基的選擇與預(yù)處理；中游工程包括設(shè)備的選擇、發(fā)酵過(guò)程工藝；下游工程包括提取、純化；輔助工程包括氣流滅菌及控制、水源處理及控制、溫度控制等[34]。

反應(yīng)器是整個(gè)SSF的核心，如何最大化獲得產(chǎn)品的關(guān)鍵在于反應(yīng)器的設(shè)計(jì)。成功的反應(yīng)器應(yīng)具備如下特點(diǎn)：①反應(yīng)器必須具備抗腐蝕能力，而且不能對(duì)微生物有毒害作用；②嚴(yán)格阻止外界微生物進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)部，并且反應(yīng)器內(nèi)部的微生物也不會(huì)飄散到外界；③有效控制曝氣、攪拌和溫度；④通過(guò)特殊方式使得反應(yīng)過(guò)程中熱質(zhì)均勻；⑤具備底物滅菌、接種和產(chǎn)品回收等功能[27]。在放大過(guò)程中需要考慮如下參數(shù)：①攪拌；②通氣與氧傳遞；③溫度；④水分；⑤濕度；⑥pH。不同微生物對(duì)發(fā)酵環(huán)境中的需氧要求也不同，厭氧微生物不需要O2，而需氧微生物由于在固體基質(zhì)表面生長(zhǎng)并使基質(zhì)變黏，易造成局部缺氧，從而影響到微生物生長(zhǎng)。通氣與攪拌是常用的增加氧傳遞的方法，同時(shí)能增加熱交換效率。不同的攪拌方式對(duì)微生物的剪切力不同，而不同微生物對(duì)剪切力的承受能力也不同。微生物的生長(zhǎng)受多種酶促反應(yīng)的調(diào)節(jié)，故而溫度及pH的控制對(duì)發(fā)酵影響很大。水的含量能夠影響基質(zhì)的氣體交換以及膨松程度，從而影響微生物的生長(zhǎng)環(huán)境。發(fā)酵后期，溫度、通風(fēng)以及微生物的呼吸均會(huì)降低基質(zhì)中的水分。蘇東海等[16]利用50 L固態(tài)發(fā)酵罐研究了底物濕度對(duì)康氏木霉和耐高溫釀酒酵母兩種微生物利用秸稈發(fā)酵乙醇的影響。

放大過(guò)程中最艱巨的任務(wù)就是為微生物營(yíng)造適宜于發(fā)酵過(guò)程的環(huán)境[18]。而固態(tài)原料及微生物的多樣性增加了反應(yīng)器控制發(fā)酵過(guò)程的難度，所以反應(yīng)器的設(shè)計(jì)必須建立在動(dòng)力學(xué)和化學(xué)計(jì)量學(xué)的基礎(chǔ)上[3]。此外，還需要根據(jù)微生物的習(xí)性設(shè)計(jì)是否需要攪拌或是曝氣功能。也正是由于過(guò)程的復(fù)雜性，導(dǎo)致了一些工程學(xué)問(wèn)題，例如過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化困難、再現(xiàn)性差[7]，而這正是固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器工業(yè)放大的限制因素。

2 固態(tài)發(fā)酵工業(yè)化設(shè)備

2.1 攪拌式固態(tài)反應(yīng)器

鄭好軫等[35]設(shè)計(jì)一種攪拌式固態(tài)反應(yīng)器，并用此設(shè)備生產(chǎn)紅曲。該固態(tài)發(fā)酵設(shè)備包括發(fā)酵罐、供給管、供給泵、攪拌葉片、驅(qū)動(dòng)裝置、熱交換器、收集桶及支架，結(jié)構(gòu)如圖1所示。攪拌裝置安裝在供給管上，并與發(fā)酵罐內(nèi)的驅(qū)動(dòng)裝置連接。除此以外，發(fā)酵罐上還有溫度、濕度和壓力檢測(cè)器。發(fā)酵罐與周邊設(shè)備均與中央電子控制板連接。

1—發(fā)酵罐；2—供給管；3—供給泵；4—收集桶；5—渦輪減速器；6—電動(dòng)機(jī)；6-1—逆變調(diào)速器；7—支架；8—閥門；8-1—手機(jī)閥；9—平衡板；10—空氣流量計(jì)；11—開(kāi)口部；12—測(cè)量器；13—觀察窗；14—排列盤；15—攪拌葉片；16—供給口；16-1—流出口；17—隔離壁；18—灑水管；19—熱交換器；20—中央電子控制器；21—空壓機(jī)；21-1—空氣過(guò)濾器；22—蒸汽鍋爐；23—微生物種子罐圖1 攪拌式固態(tài)反應(yīng)器[35]Fig.1 Mixing type solid state fermentation reactor[35]

生產(chǎn)紅曲的過(guò)程：預(yù)先加入1.1 t的谷物(大米、大麥、小麥和玉米等)和1.1 t無(wú)菌水，浸泡、清洗。清洗結(jié)束后，排水。通入水蒸氣滅菌后，接種紅曲110 kg，按1 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌15 d，發(fā)酵結(jié)束后再通入高壓蒸汽滅菌，經(jīng)熱風(fēng)干燥后即可獲得莫納克林K含量5 mg/g以上及桔霉素含量0.01 mg/kg以下的紅曲1 t。

攪拌式固態(tài)反應(yīng)器是一種相對(duì)傳統(tǒng)的固態(tài)反應(yīng)器。早在20世紀(jì)90年代，集合了混合、滅菌、冷卻、接種和發(fā)酵于一身的反應(yīng)器就已經(jīng)成型。該設(shè)備專用于藥用紅曲的生產(chǎn)，在密封性上有所加強(qiáng)，能有效地防止雜菌污染及霉菌毒素產(chǎn)生。此外，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期對(duì)發(fā)酵罐的旋轉(zhuǎn)速度、方向、溫度、濕度、壓力及空氣流速的測(cè)試，能達(dá)到全自動(dòng)化生產(chǎn)要求，從而生產(chǎn)同批同質(zhì)的產(chǎn)品。發(fā)酵產(chǎn)生的紅曲在功能性和安全性上均超過(guò)了韓國(guó)功能性紅曲的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 彈簧式固態(tài)厭氧反應(yīng)器

陳洪章等[36]設(shè)計(jì)了一種彈簧式固態(tài)厭氧反應(yīng)器，用于甜高粱生產(chǎn)乙醇、丁醇。反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，反應(yīng)器內(nèi)部安裝豎排彈簧鋼管，在外部電機(jī)控制的曲軸連桿的帶動(dòng)下進(jìn)行周期性伸縮運(yùn)動(dòng)。

1—反應(yīng)器罐體；2—進(jìn)料口；3—出料口；4—彈簧鋼管；5—外部電機(jī)；6—曲軸連桿；7—外部夾套圖2 固態(tài)厭氧發(fā)酵反應(yīng)器[36]Fig.2 Solid anaerobic fermentation reactor[36]

該反應(yīng)器體積為5 m3，裝料系數(shù)0.6。裝料前調(diào)節(jié)加熱套中的水溫，然后從進(jìn)料口加入已滅菌的新鮮甜高粱莖干，并接入種子液。打開(kāi)電機(jī)使曲軸連桿帶動(dòng)彈簧伸縮運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)周期為10～200 min/次。用該設(shè)備分別進(jìn)行甜高粱乙醇、丁醇發(fā)酵，最終物料中所含乙醇和丁醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%和8%。

彈簧式固態(tài)厭氧發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)部采用多個(gè)豎排彈簧伸縮運(yùn)動(dòng)，物料在此過(guò)程中受到擠壓和釋放，從而強(qiáng)化了物料的傳質(zhì)傳熱。利用伸縮過(guò)程替代攪拌等行為，避免了剪切力對(duì)微生物的傷害。彈簧的運(yùn)動(dòng)周期和強(qiáng)度可根據(jù)微生物實(shí)際生長(zhǎng)情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。在乙醇、丁醇生產(chǎn)試驗(yàn)中，差異性外源周期作用可以誘導(dǎo)合成特異性蛋白，從而提高發(fā)酵效果。該設(shè)備主體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有利于規(guī)?；a(chǎn)。

2.3 呼吸式固態(tài)反應(yīng)器

陳洪章等[37]設(shè)計(jì)了一種呼吸式固態(tài)反應(yīng)器，并用于生產(chǎn)纖維素酶、黃原膠和克拉霉素，結(jié)果如圖3所示。該反應(yīng)器結(jié)構(gòu)由可承壓的雙罐體、呼吸式充排氣系統(tǒng)和液體循環(huán)系統(tǒng)組成。發(fā)酵罐的基本結(jié)構(gòu)為一個(gè)圓柱體，高徑比為(1∶ 0.5)～(1∶ 10)，采用不銹鋼和碳鋼加工制成。圓柱內(nèi)安裝多層惰性載體。罐蓋上有溫度、濕度、壓力檢測(cè)器及放氣閥，而罐內(nèi)放有多層物料托盤。關(guān)閉罐蓋后通入飽和蒸汽實(shí)現(xiàn)滅菌。

1—罐壁；2—料盤；3—培養(yǎng)基；4—往復(fù)泵；5—控流電磁閥；6—控流電磁閥；7—控流電磁閥；8—控流電磁閥；9—進(jìn)液閥；10—放氣閥；11—壓力傳感器；12—軸封；13—布流器；14—蠕動(dòng)泵；15—進(jìn)氣閥；16—過(guò)濾器；17—排污閥；18—A罐蒸汽閥；19—B罐蒸汽閥；20—蒸汽管；21—發(fā)酵液或無(wú)菌水；22—O型圈；23—凹槽；24—料盤底；25—十字架；26—網(wǎng)眼；27—罐蓋圖3 呼吸式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器[37]Fig.3 Self-breathing solid state fermentation reactor[37]

生產(chǎn)黃原膠所用的罐體，直徑2 m，罐體圓柱體高2 m，體積為6.28 m3，罐底部圓錐錐形角度為120°，錐形體積為0.524 m3。從發(fā)酵罐上層添加培養(yǎng)液和種子液，經(jīng)托盤惰性載體吸收，多余液體順著空隙進(jìn)入下一層惰性載體中。通過(guò)控制兩罐之間的壓力，來(lái)實(shí)現(xiàn)氣流一“吸”一“呼”的流動(dòng)。發(fā)酵結(jié)束后，回收惰性載體及管底發(fā)酵液，提取和純化產(chǎn)品。

該反應(yīng)器在發(fā)酵過(guò)程中通過(guò)呼吸式充排氣系統(tǒng)，將一個(gè)罐體內(nèi)的空氣部分交替抽出，充入另一個(gè)罐體中，然后抽氣的發(fā)酵罐吸入新鮮的空氣，充氣的罐體迅速排氣，兩罐交替充排。利用此方法，可排出發(fā)酵廢氣，并沖入新鮮空氣。此外，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)酵氣體中O2與CO2的濃度，刺激微生物的生長(zhǎng)及發(fā)酵。反應(yīng)器內(nèi)部周期性的壓力變化對(duì)微生物形成周期刺激，有利于促進(jìn)微生物生長(zhǎng)。該反應(yīng)器既能適應(yīng)于普通的固態(tài)發(fā)酵，又能用于惰性載體固態(tài)發(fā)酵。該設(shè)備內(nèi)部不存在機(jī)械部件，更加增加了設(shè)備的可信度。此外，該設(shè)備在傳統(tǒng)淺盤反應(yīng)器的基礎(chǔ)上，引入了周期性外源壓力刺激，并且在過(guò)程控制上要遠(yuǎn)高于淺盤反應(yīng)器。但是，仍然未能避免淺盤反應(yīng)器無(wú)法進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)的弊端，目前也僅限于酶制劑和功能性物質(zhì)的生產(chǎn)。

2.4 臥式厭氧發(fā)酵反應(yīng)器

嚴(yán)玉平等[38]設(shè)計(jì)一種臥式厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，并用于有機(jī)廢棄物沼氣發(fā)酵。該反應(yīng)器由發(fā)酵罐罐體和基座組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。在罐體下方有取樣口、排沙口和進(jìn)料口。在罐體上方安裝有溫度計(jì)、壓力表、排氣口、出料口和觀察口。發(fā)酵罐一端封閉，另一端由電機(jī)與內(nèi)部攪拌軸相連，攪拌軸上有攪拌槳。罐體內(nèi)前1/3區(qū)域有加熱盤管，分別有加熱管入口及出口。罐體中軸線與水平線夾角為4°～8°，罐內(nèi)溫度控制在30～40 ℃。罐體長(zhǎng)度7.8 m，直徑1.5 m，管壁厚度1 cm。攪拌漿長(zhǎng)度為1.5 m，攪拌槳體側(cè)中線與攪拌軸中線呈85°傾斜，并且要使攪拌軸軸向螺旋分布，兩相鄰的攪拌槳體中心線間夾角取30°。

1—驅(qū)動(dòng)電機(jī)；2—前封蓋；3—臥式發(fā)酵罐體；4—后封蓋；5—加熱管入口；6—加熱管盤；7—加熱管出口；8—攪拌軸；9—攪拌槳體；10—進(jìn)料口；11—出料/排氣口；12—溫度計(jì)；13—壓力表；14—觀察口；15—取樣口；16—排沙口；17—基座；18—出料口底座圖4 臥式厭氧發(fā)酵反應(yīng)器[38]Fig.4 Horizontal type anaerobic fermentation reactor[38]

該類型的反應(yīng)器適用于農(nóng)業(yè)廢棄物的能源化利用。

此反應(yīng)器采用水平推流工藝可實(shí)現(xiàn)高濃混合厭氧發(fā)酵和高物料轉(zhuǎn)化率，并且能將沼液回流，達(dá)到二次利用。此外，根據(jù)發(fā)酵底物的分布，合理分配了攪拌槳的數(shù)量及加熱管的位置。內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，使得設(shè)備熱損失和攪拌能耗低，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。此反應(yīng)器最大的特點(diǎn)在于采用低轉(zhuǎn)速的螺旋式攪拌方式，實(shí)現(xiàn)高濃度條件下(含水率在82%～88%)的厭氧混合發(fā)酵，同時(shí)，物料轉(zhuǎn)化率達(dá)到50%～65%。此外，該設(shè)備可以與全混式厭氧反應(yīng)器結(jié)合，提升沼氣工程的運(yùn)行效率。

2.5 秸稈沼氣預(yù)處理發(fā)酵自動(dòng)破殼一體化反應(yīng)器

張博等[39]設(shè)計(jì)一種秸稈沼氣預(yù)處理發(fā)酵自動(dòng)破殼一體化反應(yīng)器。該反應(yīng)器具有連續(xù)進(jìn)出料運(yùn)行能力，實(shí)現(xiàn)秸稈預(yù)處理、自動(dòng)破殼及兩相一體化厭氧發(fā)酵沼氣。反應(yīng)器主要由自動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng)、預(yù)處理區(qū)、固相發(fā)酵區(qū)和液相發(fā)酵區(qū)組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1—出料池；2—固相出料閥；3—液相閥；4—固相發(fā)酵區(qū)；5—導(dǎo)氣管；6—刀片；7—進(jìn)料裝置；8—傳送帶；9—進(jìn)料斗；10—出氣閥；11—雙膜氣柜；12—管路；13—預(yù)處理池；14—液相發(fā)酵區(qū)；15—沼液循環(huán)泵圖5 秸稈沼氣預(yù)處理發(fā)酵自動(dòng)破殼一體化反應(yīng)器[39]Fig.5 Straw biogas fermentation integral reactor[39]

該設(shè)計(jì)中，每日進(jìn)料量為1 m3，預(yù)處理單元體積為3 m3，循環(huán)沼液體積為1 m3，儲(chǔ)氣區(qū)容積為2.4 m3，固相區(qū)高度1.1 m；液相區(qū)高度2.5 m，發(fā)酵罐總高度為5.2 m，徑高比為0.68，固相區(qū)有效容積為16.34 m3，液相區(qū)有效容積為24.04 m3。

夜雨觀瀾：改革開(kāi)放40年，中國(guó)之所以取得巨大的成就，真的就是因?yàn)橛^念的改變。今天我們面對(duì)新的形勢(shì)，新的問(wèn)題，依然需要不斷改革與創(chuàng)新，與時(shí)俱進(jìn)。當(dāng)然，一個(gè)國(guó)家有了企業(yè)家才能構(gòu)成創(chuàng)新的社會(huì)這個(gè)要素，同時(shí)管理這個(gè)國(guó)家的行政機(jī)構(gòu)也需要?jiǎng)?chuàng)新，這樣才能真正形成創(chuàng)新的社會(huì)。

在該反應(yīng)器中，通過(guò)將溢流的沼液回流到固相，并對(duì)發(fā)酵原料產(chǎn)生沖擊攪拌作用，實(shí)現(xiàn)液力攪拌功能。同時(shí)利用液位升降和十字形的螺旋刀片對(duì)發(fā)酵秸稈產(chǎn)生的剪切力進(jìn)行切割，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)破殼。此反應(yīng)器解決了目前秸稈沼氣發(fā)酵過(guò)程中存在的秸稈親水性差、易結(jié)殼及進(jìn)出料難等問(wèn)題。利用兩相發(fā)酵，極大地提升了沼氣的產(chǎn)量，并降低了排污負(fù)荷。此外，該一體化反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便以及節(jié)省運(yùn)行動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)。

2.6 轉(zhuǎn)筒式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器

Wang等[40]報(bào)道了一種轉(zhuǎn)筒式厭氧固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，并用于甜高粱生產(chǎn)乙醇。

轉(zhuǎn)筒式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器外形為圓柱形，不銹鋼材質(zhì)，直徑1 m，長(zhǎng)5 m，體積達(dá)5 m3。結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示，反應(yīng)器內(nèi)部由固體發(fā)酵床和頂空氣體組成，被反應(yīng)器外殼和隔絕層包裹著。轉(zhuǎn)盤構(gòu)造如圖6(b)所示，第二部分(中段)正常固定，但第一部分(前段)和第三部分(后段)向反應(yīng)器外殼傾斜固定。整個(gè)轉(zhuǎn)盤水平傾斜5°。

1—皮帶輸送機(jī)；2—粉碎機(jī)；3—種子罐；4—滾筒生物反應(yīng)器；5—?dú)怏w出口；6—蒸汽罐；7—蒸汽；8—熱交換器；9—乙醇混合液脫水裝置；10—固體廢渣下游處理工藝圖6 轉(zhuǎn)筒固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器及其中試系統(tǒng)[40]Fig.6 Rotary drum bioreactor and pilot system[40]

Wang等[40]利用酵母菌TSH-SC-1發(fā)酵甜高粱秸稈進(jìn)行中試生產(chǎn)乙醇。中試過(guò)程如圖6(c)所示，包括皮帶輸送機(jī)、粉碎機(jī)、種子罐、轉(zhuǎn)筒生物反應(yīng)器、氣體出口、蒸汽罐、熱交換器、乙醇混合液脫水裝置和固體廢渣下游處理工藝。發(fā)酵結(jié)束后，固體基質(zhì)轉(zhuǎn)移到蒸汽罐內(nèi)，并通入低壓蒸汽，粗制乙醇液從蒸汽罐上出口進(jìn)入下游熱交換器中濃縮，而固體廢渣則進(jìn)行下一步處理。Wang等[40]成功建立了5 m3轉(zhuǎn)筒式固態(tài)發(fā)酵罐的菌種生長(zhǎng)、糖消耗及乙醇發(fā)酵模型。該模型可以指導(dǎo)更大規(guī)模的轉(zhuǎn)筒式固態(tài)發(fā)酵罐研制和生產(chǎn)。

2.7 車廂式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器

Qian等[41]報(bào)道了一種車廂式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，并構(gòu)建了城市垃圾生產(chǎn)生物氣體平臺(tái)。該平臺(tái)包括兩條處理線，每個(gè)處理線有6個(gè)400 m3的車廂式厭氧反應(yīng)器(長(zhǎng)24 m，寬4 m，高2.4 m)，結(jié)構(gòu)如圖7所示。每條處理線配備一個(gè)600 m3的滲透液儲(chǔ)存塔(長(zhǎng)24 m，寬4 m，高6.2 m)。每日處理垃圾量100 t，生產(chǎn)8 000 m3的氣體。車廂式厭氧反應(yīng)器主要用于垃圾處理，單批次處理能力大，且設(shè)備要求簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。厭氧發(fā)酵過(guò)程中滲出液流入儲(chǔ)存塔內(nèi)并循環(huán)噴灑在廢物上，而儲(chǔ)存塔內(nèi)又可以進(jìn)行長(zhǎng)期液態(tài)發(fā)酵。滲出液得到合理利用，提高了廢棄物的處理能力，并且降低了廢水處理成本。

Li等[42]報(bào)道了一種連續(xù)固態(tài)發(fā)酵罐，長(zhǎng)55 m，直徑3.6 m，并以此裝備為核心，設(shè)計(jì)了酵母菌TSH1發(fā)酵甜高粱生產(chǎn)乙醇的生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線包括：原料粉碎、酵母接種、連續(xù)固態(tài)發(fā)酵、連續(xù)固態(tài)蒸餾、乙醇濃縮和酒糟處理，結(jié)構(gòu)如圖8所示。連續(xù)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)部為波紋螺旋結(jié)構(gòu)，一邊將物料從入口推送到出口，一邊攪拌。秸稈從入口到出口的時(shí)間，即為發(fā)酵周期。發(fā)酵時(shí)間受轉(zhuǎn)速控制，而反應(yīng)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為0.02～0.25 r/min。

16 t甜高粱乙醇發(fā)酵過(guò)程如下：經(jīng)粉碎后的甜高粱秸稈用皮帶輸送機(jī)運(yùn)送到發(fā)酵罐中，運(yùn)送過(guò)程中將其提前預(yù)熱至28 ℃。固體裝填量為68%，含水量在70%左右，接菌量為1 g甜高粱秸稈接種1～2 mg細(xì)胞，發(fā)酵時(shí)間為24 h。最終生產(chǎn)出6.62 t粗乙醇(包含1 t 99.5%的乙醇)以及16.42 t的酒糟。

連續(xù)轉(zhuǎn)筒固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器最大的特點(diǎn)在于可連續(xù)生產(chǎn)。連續(xù)的低速旋轉(zhuǎn)，能有效地混合固相。在發(fā)酵過(guò)程中，菌體無(wú)法靜置在某一區(qū)域生長(zhǎng)，從而達(dá)到量均勻的效果。并且，連續(xù)旋轉(zhuǎn)也使得熱量無(wú)法堆積，從而獲得穩(wěn)定的發(fā)酵環(huán)境。

圖7 車廂式厭氧發(fā)酵反應(yīng)器[41]Fig.7 Garage-type dry fermentation reactor[41]

圖8 甜高粱秸稈生產(chǎn)乙醇固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)流程圖[42]Fig.8 Process diagram of advanced solid state fermentation[42]

2.9 多層翻板式固態(tài)發(fā)酵床

筆者曾報(bào)道一種多層翻板式固態(tài)發(fā)酵床[43]，并成功用于豆粕發(fā)酵。該裝置具有微生物固態(tài)物料的水平培養(yǎng)床、翻板式物料攪拌器、自動(dòng)控制溫度濕度、自動(dòng)傳感器和無(wú)菌空氣供應(yīng)等集成系統(tǒng)，并以該固態(tài)發(fā)酵床建立了一條全自動(dòng)豆粕發(fā)酵生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線中包括原料處理裝置、原料配料混合裝置、發(fā)酵裝置和干燥包裝裝置，結(jié)構(gòu)如圖9所示。

此裝置由自下而上橫向設(shè)置的塔形發(fā)酵室、刮板布料器、緩沖出料斗和出料刮板輸送機(jī)組成，該固態(tài)發(fā)酵裝置分10層(頂層為1個(gè)布料層、底層為1個(gè)出料層和中間8個(gè)發(fā)酵層)，長(zhǎng)30 m，寬1.5 m，高21 m，占地面積為50 m2，結(jié)構(gòu)如圖10所示。

10 t豆粕發(fā)酵試驗(yàn)過(guò)程如下：豆粕經(jīng)輸送帶輸送至配料系統(tǒng)中，接菌攪拌均勻后，由提升機(jī)輸送到布料層。布料層布滿后，開(kāi)啟下層翻板，豆粕受重力作用落入第一層發(fā)酵室，翻板關(guān)閉。布料層清空后繼續(xù)裝料。當(dāng)再次布滿時(shí)，第一層發(fā)酵室下方翻板打開(kāi)，使得第一層物料落入第二層發(fā)酵室中。第一層發(fā)酵室清空，翻板關(guān)閉，而布料層的翻板打開(kāi)，布料層物料進(jìn)入第一層發(fā)酵室。布料層清空，翻板關(guān)閉，接續(xù)布料。運(yùn)行過(guò)程，依次類推，直至發(fā)酵物料落入最下層出料層。發(fā)酵結(jié)束后的物料經(jīng)輸送帶輸送到干燥機(jī)內(nèi)，干燥結(jié)束后，輸送至粉碎機(jī)，粉碎后直接包裝。成品豆粕水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤9%，粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥47%，酸溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥7%，KOH溶解度≥75%。

1—工控機(jī)；2—原料處理系統(tǒng)；3—配料混合系統(tǒng)；4—發(fā)酵系統(tǒng)；5—刮板布料器；6—緩沖出料斗；7—出料刮板輸送機(jī)；8—擺式布料器；9—第二斗式提升機(jī)；10—發(fā)酵室箱體；11—進(jìn)風(fēng)口通道；12—排風(fēng)口通道；13—溫濕度傳感器；14—投料斗；15—螺旋輸送機(jī)；16—汽爆機(jī)；17—第一斗式提升機(jī)；18—圓筒篩分機(jī)；19—旋轉(zhuǎn)分配機(jī)；20—配料倉(cāng)；21—配料秤斗；22—混合機(jī)；23—緩沖斗；24—輸送機(jī)；25—菌液添加裝置；26—出料刮板輸送機(jī)；27—物料干燥系統(tǒng)；28—脈沖除塵機(jī)；29—進(jìn)風(fēng)電動(dòng)閥；30—排風(fēng)電動(dòng)閥；31—鼓風(fēng)機(jī)；32—抽風(fēng)機(jī)圖9 組合式固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)[43]Fig.9 Combined-type solid state fermentation system[43]

1—刮板布料器；2—擺式布料器；3—提升機(jī)；4—緩沖出料口；5—出料刮板輸送機(jī)；6—發(fā)酵床；7—溫濕度傳感器；8—料位檢測(cè)器；9—進(jìn)風(fēng)口通道；10—排風(fēng)口通道；11—溫濕度調(diào)節(jié)裝置圖10 自動(dòng)化多層翻板式水平發(fā)酵床結(jié)構(gòu)圖[43]Fig.10 Structure diagram of automatic multi-layer fermentation[43]

該類型的反應(yīng)器占地面積小，能合理利用空間布局進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。單批和連續(xù)生產(chǎn)能力強(qiáng)，適合農(nóng)業(yè)廢棄物的固態(tài)發(fā)酵。依靠物料自身重力作用能有效釋放內(nèi)部的熱量，降低成本。但是，該反應(yīng)器適用于短時(shí)間的固態(tài)發(fā)酵，發(fā)酵時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，仍會(huì)堆積熱量。

3 工業(yè)化固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器功能和特點(diǎn)比較

固態(tài)發(fā)酵技術(shù)在工業(yè)化生物制品加工和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上有著十分光明的前景。當(dāng)前工業(yè)化固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器功能和特點(diǎn)比較見(jiàn)表1。這9種工業(yè)化固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器中，除第一種以淀粉質(zhì)材料作為原料，其他的反應(yīng)器均可以以農(nóng)業(yè)廢棄物(秸稈、有機(jī)廢棄物、固體垃圾等)作為原料。其中6種反應(yīng)器用于生產(chǎn)沼氣、乙醇等新型生物能源，1種反應(yīng)器用于生物飼料生產(chǎn)。上述7種均為大規(guī)模處理農(nóng)業(yè)廢棄物的反應(yīng)器，剩余2種反應(yīng)器，用于生產(chǎn)高附加值的產(chǎn)品。

受到國(guó)內(nèi)環(huán)境、農(nóng)業(yè)、能源等問(wèn)題及發(fā)酵產(chǎn)品市場(chǎng)需求的影響，國(guó)內(nèi)固態(tài)發(fā)酵設(shè)備的研制也得到很大的進(jìn)步。目前，國(guó)內(nèi)使用的固態(tài)發(fā)酵設(shè)備大部分已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化生產(chǎn)，完全脫離人工操作尚有一定距離。農(nóng)業(yè)廢棄物處理仍是固態(tài)發(fā)酵發(fā)展的主流方向。從固態(tài)發(fā)酵設(shè)備的應(yīng)用方向來(lái)看，主要體現(xiàn)在利用生物質(zhì)材料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇、丁醇等物質(zhì)，提高生物質(zhì)材料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值以及利用廢棄物生產(chǎn)沼氣三個(gè)方面。功能性產(chǎn)品市場(chǎng)廣闊，需求量大，但產(chǎn)品品質(zhì)要求高。擴(kuò)大處理量、優(yōu)化發(fā)酵過(guò)程控制以及提高產(chǎn)品質(zhì)量依然是固態(tài)發(fā)酵設(shè)備設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題。上述的反應(yīng)器中嘗試了多種方案去降低質(zhì)、熱不均的影響，并為后續(xù)固態(tài)發(fā)酵設(shè)備提供了思路和經(jīng)驗(yàn)，但傳質(zhì)傳熱問(wèn)題，仍是固態(tài)發(fā)酵設(shè)備研制的一個(gè)重大問(wèn)題。

表1 工業(yè)化固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器功能和特點(diǎn)

4 結(jié)語(yǔ)

利用農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)生物能源是中國(guó)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展方向之一。在農(nóng)業(yè)廢棄物的生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中，所使用的生物反應(yīng)器規(guī)模遠(yuǎn)高于生產(chǎn)高附加值的反應(yīng)器。高附加值的生物產(chǎn)品要求更好的發(fā)酵過(guò)程控制，這對(duì)更大規(guī)模的固態(tài)發(fā)酵來(lái)說(shuō)是新的挑戰(zhàn)。即便固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器均具備機(jī)械自動(dòng)化、智能化、實(shí)時(shí)檢測(cè)等特征，極大地降低了操作員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了發(fā)酵過(guò)程的傳質(zhì)傳熱，但是底物的利用率及產(chǎn)品的質(zhì)量仍是工業(yè)化固態(tài)發(fā)酵的難題。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的日益提高，廢棄物的數(shù)量會(huì)不斷地增長(zhǎng)。固態(tài)發(fā)酵技術(shù)作為廢棄物處理最為有效的方式之一，其規(guī)模必然需要擴(kuò)大，這主要包括固態(tài)發(fā)酵企業(yè)的增多、應(yīng)用領(lǐng)域的增加，更主要的是固態(tài)發(fā)酵設(shè)備生產(chǎn)能力的提高。而生產(chǎn)能力的提高則需要更大型固態(tài)發(fā)酵設(shè)備以及控制能力更強(qiáng)的系統(tǒng)。

在傳統(tǒng)的托盤式、填充床式、滾筒式及流化床式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的基礎(chǔ)上，固態(tài)發(fā)酵設(shè)備的研制走向多樣化。近些年來(lái)，多種不同形態(tài)及功能的固態(tài)發(fā)酵設(shè)備應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)或小試生產(chǎn)。2000—2009年申報(bào)的固態(tài)發(fā)酵專利數(shù)量為57項(xiàng)，年均專利數(shù)5.7項(xiàng)，其中設(shè)備類專利為16項(xiàng)，年均專利數(shù)1.6項(xiàng)，占固態(tài)發(fā)酵專利28%的份額；2010—2015年申報(bào)的固態(tài)發(fā)酵相關(guān)的專利達(dá)到220項(xiàng)，年均專利數(shù)36.7，是過(guò)去10年年均專利數(shù)的6.4倍，其中，設(shè)備類專利達(dá)到85項(xiàng)，年均專利數(shù)達(dá)到14.2，是過(guò)去10年年均專利數(shù)的8.8倍，設(shè)備類專利占固態(tài)發(fā)酵專利的38%；2016年固態(tài)發(fā)酵相關(guān)專利達(dá)到71項(xiàng)，是2010—2015年年均專利數(shù)量的1.93倍，其中設(shè)備類專利44項(xiàng)，是2010—2015年年均專利數(shù)量的3.1倍。到2016年為止，固態(tài)發(fā)酵及其設(shè)備的專利數(shù)量上升迅速，并且比重增長(zhǎng)明顯。長(zhǎng)久的基礎(chǔ)研究為固態(tài)發(fā)酵設(shè)備的設(shè)計(jì)、研制、控制及生產(chǎn)提供了寶貴的理論知識(shí)。隨著環(huán)保意識(shí)的提高，固態(tài)發(fā)酵技術(shù)得到社會(huì)的認(rèn)可，工業(yè)化進(jìn)程加快，推動(dòng)了固態(tài)發(fā)酵設(shè)備的研制與開(kāi)發(fā)。2016年，在申請(qǐng)的固態(tài)發(fā)酵相關(guān)專利中，設(shè)備類專利已經(jīng)達(dá)到61.9%，這意味著更多的企業(yè)具備了獨(dú)立設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)備的能力，同時(shí)也意味著企業(yè)更加注重具有自主產(chǎn)權(quán)的設(shè)備。

自動(dòng)化是工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，它可以替代人工完成所有的生產(chǎn)工序，并且及時(shí)反饋發(fā)酵過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)，通過(guò)建立模型預(yù)測(cè)并控制著產(chǎn)品的質(zhì)量。目前，尚未有全自動(dòng)化的生產(chǎn)線，并且在參數(shù)檢測(cè)上仍然采用探測(cè)頭檢測(cè)，相對(duì)來(lái)說(shuō)探測(cè)范圍狹窄，并且需要通過(guò)及時(shí)抽樣檢測(cè)才能判斷產(chǎn)品質(zhì)量，存在滯后性。固態(tài)發(fā)酵設(shè)備的自動(dòng)化程度仍需進(jìn)一步提高。

近幾年，固態(tài)發(fā)酵工業(yè)化設(shè)備的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用蒸蒸日上，尤其在中國(guó)，多種自動(dòng)化、機(jī)械化和大型化的發(fā)酵設(shè)備已經(jīng)投入生產(chǎn)，促進(jìn)了我國(guó)生物發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展。但是如何克服傳質(zhì)和傳熱的問(wèn)題，最終生產(chǎn)出質(zhì)量均一且優(yōu)秀的產(chǎn)品，仍然是固態(tài)發(fā)酵的一大難題。隨著國(guó)家對(duì)制造工業(yè)的重視以及固態(tài)發(fā)酵理論的延伸，越來(lái)越多的固態(tài)發(fā)酵工業(yè)化設(shè)備將會(huì)從實(shí)驗(yàn)室投入到社會(huì)生產(chǎn)中，推動(dòng)發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展。

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(責(zé)任編輯 管珺)

Advance of industrialized solid-state fermentators

XIE Hui1,ZHANG Lei1,CAO Shengyan2,WANG Fengqin1,YANG Sen1,ZHANG Junfeng2,SONG Andong1

(1. Key Laboratory of Enzyme Engineering of Agricultural Microbiology,Ministry of Agriculture,College of Life Science,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China; 2. Henan Successing Biotechnology Co.,Ltd., Luohe 463900,China)

Solid-state fermentation can be widely used in food, environment, pharmacy, feed and other fields. Low energy requirement, less wastewater, cheap substrates and simple process control are the advantages. Along with the development of solid-state fermentation, solid-state fermentors also need to develop. Challenges in design and operate of solid-state fermenters are emerging. In recent decades, mechanical engineering and on-line automation played the guiding roles in designing of solid-state fermentors. Here, we review the advances in solid-state fermenters that are developed since 2010s.

solid state fermentation; industrialization; bioreactor; anaerobic fermentation reactor; agricultural waste

10.3969/j.issn.1672-3678.2017.03.008

2016-09-12

河南省科技創(chuàng)新人才計(jì)劃(164100510016)；河南省科技開(kāi)發(fā)合作項(xiàng)目(162106000014)；河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)(15IRTSTHN014)

謝 慧(1979—)女，河南焦作人，講師，研究方向：農(nóng)業(yè)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化；宋安東(聯(lián)系人)，教授， E-mail:song1666@126.com

TQ920.5

A

1672-3678(2017)03-0042-11