固態(tài)發(fā)酵技術(shù)研究分析及應(yīng)用

唐 堂， 王 琪， 周衛(wèi)強， 湯維濤， 陳 博， 盧宗梅， 李 義,4， 王曉健， 彭 超*， 佟 毅,4*

1.中糧營養(yǎng)健康研究院有限公司，北京 102209；2.營養(yǎng)健康與食品安全北京市重點實驗室，北京 102209； 3.中糧生物科技股份有限公司，安徽 蚌埠 233010；4.玉米深加工國家工程研究中心，吉林 長春 130033

固態(tài)發(fā)酵(Solid-state fermentation, SSF)是一種應(yīng)用早但研究較晚的生物發(fā)酵技術(shù)。早在數(shù)千年前，世界各地的酒類、乳制品等制作工藝中可以見其端倪。近代，人們開始系統(tǒng)研究固態(tài)發(fā)酵也要追溯到20世紀(jì)70年代中期。近年來，成規(guī)模的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器研發(fā)有了十分顯著的進(jìn)展[1]，其在提升固體原料利用價值、生產(chǎn)高值產(chǎn)品[2]方面有著突出的貢獻(xiàn)。

固態(tài)發(fā)酵主要指微生物在濕潤固體表面或顆粒間隙中生長，同時伴有少量水和一定量的通氣。顆粒間的水主要附著在其表面，顆粒間隙被菌絲體、水和氣體所填滿，這些氣體既有為了保證發(fā)酵進(jìn)行而通入的空氣，也有菌體生長產(chǎn)生的廢氣。正是由于缺少流動的水，因此固態(tài)發(fā)酵與深層液體發(fā)酵相比，其對反應(yīng)體系的均一性要求也就尤為迫切。如何讓反應(yīng)體系均勻地動起來，也是固態(tài)發(fā)酵研究和反應(yīng)器研發(fā)時所要面臨的主要問題。影響固態(tài)發(fā)酵的因素較多，一方面取決于微生物類型的選取和規(guī)模，此外溫度、水活度、基粒攪拌等因素對其也有很大影響。固態(tài)發(fā)酵應(yīng)用廣泛，在食品生產(chǎn)、飼料加工、生物能源、酒業(yè)釀造和生物防治等領(lǐng)域均有涉獵。近年來隨著固態(tài)發(fā)酵的新設(shè)備及工藝不斷研發(fā)，固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)能大幅提高，酒業(yè)巨頭五糧液集團(tuán)計劃在2020年新增12萬噸純能固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)能，總產(chǎn)能將達(dá)到22萬噸。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)和檢測手段的不斷進(jìn)步，固態(tài)發(fā)酵在技術(shù)應(yīng)用和設(shè)備等方面都得到了進(jìn)一步發(fā)展，固態(tài)發(fā)酵常見設(shè)備類型及其優(yōu)缺點如表1所示。

1 影響固態(tài)發(fā)酵的因素

固態(tài)發(fā)酵一般會受到溫度、通風(fēng)、攪拌等多種因素影響[3]。這些影響因素相互關(guān)聯(lián)，但又相互制約。例如一味地追求充分?jǐn)嚢钑谝欢ǔ潭壬暇徑馔獠蛔愫蛡髻|(zhì)不均的問題，但是對于一些真菌發(fā)酵來說，高頻攪拌會導(dǎo)致顆粒間的菌絲斷裂，影響發(fā)酵水平。本文列舉了幾個在固態(tài)發(fā)酵過程中較為重要的影響因素，以期研究人員對固態(tài)發(fā)酵有更好的理解和認(rèn)識。

表1 固態(tài)發(fā)酵的設(shè)備及其優(yōu)缺點

1.1 固態(tài)發(fā)酵的能量交換

大多數(shù)固態(tài)發(fā)酵案例都是在有氧條件下進(jìn)行，而氧氣主要來源于連續(xù)的氣相，能耗較低[4]。實驗室和工業(yè)生產(chǎn)一般都使用潔凈空氣作為氧源。菌體消耗氧氣并產(chǎn)生CO2等尾氣，所通入的空氣穿過基質(zhì)后減少了氧氣，增加了廢氣，同時帶走了基質(zhì)中的水汽和熱量。一般而言，在尾氣口排出的氣體溫度會比進(jìn)入時高，并且尾氣口處受溫差影響也會有較多的冷凝水。

氣體通過基質(zhì)時受到基質(zhì)內(nèi)部熱量的影響，會形成一定流速的熱風(fēng)。這些熱風(fēng)會使基質(zhì)中的水分慢慢蒸干，導(dǎo)致水活度降低。發(fā)酵床層含水量過大，芽孢、晶體游離晚，極易限制營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，還會影響通風(fēng)效果，導(dǎo)致發(fā)酵周期延長；如果含水量過低，則會影響培養(yǎng)基中各種營養(yǎng)和水分的吸收利用，會使發(fā)酵受抑制[5]。在固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器設(shè)計的時候，需要考慮補水和有效的熱交換。固態(tài)發(fā)酵底物基質(zhì)顆粒中的水平衡機理如圖1所示。底物水解所需的水量、代謝水的產(chǎn)生量、微生物的吸水量和水分蒸發(fā)的損失量四者共同維持內(nèi)部水的動態(tài)平衡[6]。蒸發(fā)到菌體外的水分需要得到補充，補水一般可以使用噴淋無菌水或提高通氣的濕度來進(jìn)行，而溫度的調(diào)節(jié)一般通過反應(yīng)器壁面與環(huán)境之間進(jìn)行交換，如果反應(yīng)器外壁直接與空氣接觸，則依靠自由對流的方式進(jìn)行熱交換；如果有夾套，那么反應(yīng)器內(nèi)的熱量會通過夾套水或氣體的強制對流帶走。值得注意的是，蒸發(fā)冷卻也會產(chǎn)生水分的損失，在控溫的同時也需要時刻關(guān)注水分補充[7]。

圖1 生物反應(yīng)器中底物顆粒固態(tài)發(fā)酵過程中有助于水平衡的不同機理示意圖

1.2 固態(tài)發(fā)酵的攪拌類型

攪拌是調(diào)節(jié)基質(zhì)溫度、濕度和氧含量的重要措施之一。固態(tài)發(fā)酵中有連續(xù)攪拌和間歇式攪拌，選取何種攪拌類型取決于菌體對發(fā)酵環(huán)境的要求。固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)一般會持續(xù)放熱，過高的溫度會嚴(yán)重影響菌體的生長速率。為了解決熱交換的問題，在均勻混合型的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器中配有矩形攪拌環(huán)式攪拌槳。通過夾套水和攪拌槳的攪拌使床層溫度與外界進(jìn)行交換從而達(dá)到控溫的效果。但是在實際生產(chǎn)中，基質(zhì)會附著在反應(yīng)器內(nèi)壁而很難被攪拌帶動，而這些靜止的顆粒層會過度的冷卻形成絕緣層。因此，均勻混合型固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器如何克服此類問題，將會是發(fā)酵成功的關(guān)鍵。

為了克服攪拌不均的情況，轉(zhuǎn)鼓生物反應(yīng)器應(yīng)運而生，罐體沿軸線轉(zhuǎn)動，罐內(nèi)設(shè)有擋板以促進(jìn)軸向混合。目前，很多轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器都把通風(fēng)與攪拌進(jìn)行耦合[8]，空氣主要存在于床層上方至轉(zhuǎn)鼓頂部這一空間。在翻轉(zhuǎn)床層的過程中空氣會帶走熱量，不同部位的床層和罐壁接觸也可以進(jìn)行熱交換。為了克服水分蒸發(fā)，罐內(nèi)會設(shè)有噴淋裝置。但是，該類反應(yīng)器在大規(guī)模生產(chǎn)時由于轉(zhuǎn)鼓表面積和床層體積比的減小，會導(dǎo)致散熱效果變差。因此，該類反應(yīng)器在設(shè)計時需要根據(jù)實際生產(chǎn)需求來控制長徑比，以獲取更好的發(fā)酵結(jié)果。

1.3 固態(tài)發(fā)酵中的基質(zhì)

基質(zhì)是菌體附著的部分，也是提供營養(yǎng)成分的場所[9]。我們可以將基質(zhì)中的每一個顆粒作為一個獨立模型來研究。菌絲由顆粒表面向內(nèi)部延伸，菌體對顆粒深層營養(yǎng)的利用程度受到顆粒尺寸的限制，一般來說菌體能夠越多接觸基質(zhì)表面，其對基質(zhì)的降解利用也就越充分，整體發(fā)酵效率就會更高[10]。因此，在發(fā)酵時選擇最為合適的粒徑是尤為重要的。傳統(tǒng)填充床式生物反應(yīng)器發(fā)酵原理見圖2，顆粒大小也會影響床層的填充效果，進(jìn)而影響通風(fēng)效果，對同一種基質(zhì)而言，顆粒越小的床層通氣效果越差。

圖2 傳統(tǒng)填充床生物反應(yīng)器的示意圖

反應(yīng)器中，床層填充的質(zhì)量和體積決定了床層的密度。不同原料和菌體對床層密度有各不相同的影響和需求，因此針對每種類型的基質(zhì)和菌種都要測試其最佳的床層密度。但是在反應(yīng)過程中，菌體、水分、溫度都會對基質(zhì)中顆粒的形態(tài)產(chǎn)生影響，有的可能會收縮也有的會膨脹。因此，可以肯定的是床層密度在整體發(fā)酵過程中是一個動態(tài)的變化，這也極大地阻礙了固態(tài)發(fā)酵理論研究模型的建立。在研究相關(guān)問題時，更多的研究工作是借助公式并結(jié)合實際發(fā)酵結(jié)果來分析、篩選出最優(yōu)的顆粒大小和裝料量。

2 固態(tài)發(fā)酵專業(yè)化設(shè)備

固態(tài)發(fā)酵不僅常用于酒類及傳統(tǒng)食品的釀造，在生物轉(zhuǎn)化、生物燃料及生物防治等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。近年來，隨著對固態(tài)發(fā)酵相關(guān)理論認(rèn)識的不斷深入及發(fā)酵模型不斷建立，一大批能夠應(yīng)用于生物化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域，具有較高生產(chǎn)水平的專業(yè)化新型固態(tài)發(fā)酵設(shè)備被研發(fā)出來(見表2)。

2.1 酒類固態(tài)發(fā)酵設(shè)備示例

鄭國祥等[11]在調(diào)研了現(xiàn)有酒精發(fā)酵工藝后，發(fā)現(xiàn)CO2這一資源沒有被充分的利用，為此其團(tuán)隊研發(fā)出一種依靠CO2氣體“呼吸”作用帶動攪拌的新型釀酒固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器。這種反應(yīng)器將物料置于密封箱內(nèi)的支架上，其內(nèi)部配有經(jīng)由螺旋角大于55°的螺紋連接驅(qū)動軸的攪拌槳。密封箱置于水槽中并帶有夾層，可以將發(fā)酵產(chǎn)生的CO2引入夾層中。隨著CO2的增加密封箱隨之膨脹，體積增大。依靠浮力密封箱被提升，當(dāng)氣體壓力增大到到一定數(shù)值后，將自動打開泄壓閥釋放氣體，密封箱體積減小，浮力隨之減小而下沉。氣壓降低到一定限度泄壓閥關(guān)閉并再次充氣，由此往復(fù)進(jìn)行充放氣過程。密封箱的沉浮帶動攪拌槳轉(zhuǎn)動達(dá)到了攪拌的作用，排出的CO2和其攜帶的酒精氣體則溶于水中。此釀酒固態(tài)發(fā)酵裝置在保證固態(tài)發(fā)酵效果的基礎(chǔ)上，相比傳統(tǒng)發(fā)酵裝置更加高效的利用CO2，解決了CO2過度排放的問題。此外，利用產(chǎn)生的氣壓來帶動攪拌也大大節(jié)約了生產(chǎn)成本，為實現(xiàn)酒精的機械化生產(chǎn)提供了新的思路。

表2 應(yīng)用于孢子，抗生素，化學(xué)藥品，乙醇和色素生產(chǎn)的固態(tài)發(fā)酵生物反應(yīng)器的最新實例

2.2 生物飼料固態(tài)發(fā)酵設(shè)備示例

劉曉燕等[12]為了克服原料體積較大不易攪拌均勻等問題，設(shè)計了一款集原料粉碎、微生物發(fā)酵和制劑于一體的固態(tài)發(fā)酵設(shè)備。該設(shè)備為垂直設(shè)計，頂部為進(jìn)料口，原料掉入特別設(shè)計的彈板上因震動均勻攤開，經(jīng)由垂直于攪拌軸水平旋轉(zhuǎn)的粉碎系統(tǒng)磨碎。研磨部分配有氣體吹掃功能，一方面依靠空氣擠壓研磨齒輪增加研磨力度，另一方面吹掃附著在研磨齒輪上殘留的原料，使其充分進(jìn)入罐內(nèi)增加物料利用率。罐內(nèi)設(shè)有上、中、下三部分?jǐn)嚢璋?，其中最下層攪拌板開設(shè)曝氣孔，使氧氣更均勻地分布在溶液中。在上、中、下三部分?jǐn)嚢璋鍏f(xié)同作用下，使原料與罐內(nèi)發(fā)酵液充分均勻混合，加快發(fā)酵速度，防止物料沉淀和消除攪拌死角。除了攪拌板外，在罐內(nèi)還配備了攪拌環(huán)在靠近罐體內(nèi)壁處平行于軸向攪拌，加強了內(nèi)部基質(zhì)的運動。同時，攪拌環(huán)間歇性的和通氣口相連，使氧氣間斷地通入罐內(nèi)，為發(fā)酵提供適宜的環(huán)境。

此設(shè)計工藝是對飼料類固態(tài)發(fā)酵設(shè)備的改良，大大克服了因物料體積過大造成的攪拌不均勻問題。此外，由于氣吹掃功能和攪拌板的特殊設(shè)計，很大程度上減小了攪拌死角和物料沉淀。因此提高了物料利用率，為工業(yè)大規(guī)模批量生產(chǎn)節(jié)約了成本。

2.3 連續(xù)固態(tài)發(fā)酵設(shè)備示例

徐親民等[13]研發(fā)了一款可以連續(xù)發(fā)酵并滅菌的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器。該反應(yīng)器為圓形長柱狀，每一套反應(yīng)器外表面包裹水冷夾套控制溫度，內(nèi)有螺桿作為攪拌和推進(jìn)器，螺桿軸上設(shè)有出風(fēng)孔和彎曲的進(jìn)風(fēng)管，可以通入空氣或者蒸汽提供適宜的發(fā)酵環(huán)境并進(jìn)行高溫滅菌，通風(fēng)彎管亦可以輔助攪拌。如果作為連續(xù)滅菌和發(fā)酵的反應(yīng)器來使用，初始原料進(jìn)入罐體，由螺桿推進(jìn)填滿空間，通入蒸汽滅菌后接種攪拌，此時該反應(yīng)器下游還可以連接另一相同反應(yīng)器來提供充足的發(fā)酵反應(yīng)時間和空間。當(dāng)攪拌均勻的基質(zhì)完全離開前一反應(yīng)器后，該反應(yīng)器可以再次進(jìn)料、滅菌、接種，已達(dá)到連續(xù)滅菌和發(fā)酵的效果。如果直接填入已滅菌并混合好菌體的原料，則可以直接利用反應(yīng)器可相互連接的特點，控制不同發(fā)酵時間和過程，使發(fā)酵在適宜環(huán)境中充分進(jìn)行直至達(dá)到要求后卸料。

此設(shè)計實現(xiàn)了固態(tài)發(fā)酵的連續(xù)生產(chǎn)，保證了發(fā)酵過程的密封和無菌，很大程度上降低了系統(tǒng)的能耗，此外可以隨意連接額外的反應(yīng)器且可以無縫對接發(fā)酵產(chǎn)物的下游處理環(huán)節(jié)，不但節(jié)約了時間，同時提升了發(fā)酵過程的可操控性。

3 對固態(tài)發(fā)酵的展望

近幾年，固態(tài)發(fā)酵越來越多的受到關(guān)注，其理論研究也隨之深入，開辟了固態(tài)發(fā)酵領(lǐng)域新的篇章。在未來的固態(tài)發(fā)酵領(lǐng)域，優(yōu)化反應(yīng)器內(nèi)部基質(zhì)的傳質(zhì)過程仍然是提升發(fā)酵品質(zhì)的關(guān)鍵，設(shè)計出合理高效的反應(yīng)器也會是固態(tài)發(fā)酵研究的主要方向。但是，隨著數(shù)學(xué)模型的不斷建立與完善，固態(tài)發(fā)酵的研究將會更為便利。許多以前只能依靠實際經(jīng)驗，用一批批發(fā)酵獲得的研究結(jié)果，現(xiàn)在可以很方便的利用數(shù)學(xué)建模在電腦上進(jìn)行多次相關(guān)測試。因此，數(shù)學(xué)建模會在該研究領(lǐng)域扮演越來越重要的角色。

固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用有著淵源的歷史，而且相對于深層液體發(fā)酵來說，目前的固態(tài)發(fā)酵成本十分低廉、原料簡單易取，極少有廢水排放，起到了指導(dǎo)和帶動相關(guān)發(fā)酵工業(yè)清潔生產(chǎn)的作用[14]。只要研究人員不斷地探索和揭示固態(tài)發(fā)酵的規(guī)律，不斷完善固態(tài)發(fā)酵技術(shù)，固態(tài)發(fā)酵就一定會有更為廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。