固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的研究進(jìn)展

王振剛，袁沛梅，馮康，王婷，薛瑞璇，張笑然

（延安大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西延安 716000）

固態(tài)發(fā)酵是一種利用固態(tài)基質(zhì)作為發(fā)酵原料，基質(zhì)中不含或極少含有液態(tài)游離水的微生物發(fā)酵形式。作為發(fā)酵工程的傳統(tǒng)形式，自古埃及人制作面包起，傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵已擁有4 000余年歷史，其產(chǎn)品以食品類為主[1]。20世紀(jì)以來，傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)酵逐步融入現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，目前已應(yīng)用于酶制劑、有機(jī)酸、抗生素、維生素以及生物殺蟲劑等多種產(chǎn)品[2-7]。固態(tài)發(fā)酵目前是部分傳統(tǒng)食品、調(diào)味品、白酒、部分飼用酶制劑和多種真菌孢子殺蟲劑的必要生產(chǎn)方式。同時，固態(tài)生物反應(yīng)器作為固態(tài)發(fā)酵過程規(guī)?；?、工業(yè)化的基礎(chǔ)，也由傳統(tǒng)的簡單容器逐步向機(jī)械化、自動化方向發(fā)展，不斷融入過程工程領(lǐng)域的新技術(shù)、新裝備和新理念，成為發(fā)酵工程專業(yè)領(lǐng)域的一個重要關(guān)注點[2,8-9]。

1 固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的工作原理

固態(tài)發(fā)酵過程的本質(zhì)既包括微生物胞內(nèi)、外生化反應(yīng)，以及其他生理學(xué)、遺傳學(xué)過程，也包括固體物料、液態(tài)水膜、空氣相和微生物相內(nèi)部及相互之間的熱量傳遞，水分、營養(yǎng)物質(zhì)、代謝產(chǎn)物與氧的質(zhì)量傳遞，以及通風(fēng)與動態(tài)混合過程中的動量傳遞[9-10]。上述“三傳一反”過程的實現(xiàn)都需要以生物反應(yīng)器的相應(yīng)結(jié)構(gòu)和功能為基礎(chǔ)。然而，由于含水固態(tài)物料的傳熱和傳質(zhì)阻力，使得發(fā)酵料床的溫度、水分含量、營養(yǎng)物與代謝物濃度的時空分布都嚴(yán)重不均，且此類分布不均現(xiàn)象隨反應(yīng)器的體積增大而趨于嚴(yán)重，這就對固態(tài)生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和功能提出了較高的要求，也成為制約固態(tài)發(fā)酵規(guī)模放大的重要因素[2,11]。

固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器種類繁多，但其強(qiáng)化“三傳”過程的常規(guī)方式可歸納為以下4方面。（1）通過強(qiáng)化通風(fēng)傳遞生物反應(yīng)過程產(chǎn)生的代謝熱，同時通過對流入空氣加濕或直接對固態(tài)物料加濕，達(dá)到保持物料水分含量的目的[12-13]。但以調(diào)整空氣流的方式強(qiáng)化傳熱和傳質(zhì)的技術(shù)路線，仍然無法根治過程參數(shù)分布不均的問題，且對于不實施通風(fēng)的厭氧固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器并不適用。（2）通過攪拌實現(xiàn)物料在空間上的均勻分布，同時使結(jié)塊的物料破碎，從而強(qiáng)化物料的分散混合。具體方式包括在固定的反應(yīng)容器內(nèi)使用攪拌機(jī)構(gòu)，或者驅(qū)動反應(yīng)容器整體回轉(zhuǎn)[14-15]。然而，對絲狀真菌而言，混合過程的機(jī)械力容易使其菌絲體受損。（3）減小單個料堆的空間尺度，尤其是料層的厚度，從而緩解過程參數(shù)分布不均的問題[16]。此方法在固態(tài)發(fā)酵領(lǐng)域使用較多，例如常見的多層淺盤固態(tài)發(fā)酵，但在減小料層厚度的同時也會降低固態(tài)發(fā)酵容器的空間利用率。（4）利用循環(huán)水，以間壁式換熱控制料床溫度。除上述常規(guī)方法之外，20世紀(jì)90年代以來，出現(xiàn)了一些特殊的新型強(qiáng)化方式，例如中國科學(xué)院過程工程研究所研發(fā)的氣相雙動態(tài)固態(tài)生物反應(yīng)器，利用周期性壓力脈沖強(qiáng)化固態(tài)發(fā)酵過程，提高了“三傳”效率，在酶制劑、生物農(nóng)藥等多種產(chǎn)品的固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)中獲得了良好的工藝效果，并已成功放大到工業(yè)規(guī)模[10]。

2 固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的類別與特征

2.1 靜態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器

靜態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器在固態(tài)發(fā)酵中的應(yīng)用歷史較久，技術(shù)成熟，尤其在傳統(tǒng)食品、調(diào)味品固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)中較為常用。其特征是固態(tài)物料在發(fā)酵過程中不發(fā)生運動，具體形式又分為淺盤固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器和強(qiáng)制通風(fēng)的填充床固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器兩類。

2.1.1 淺盤固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器

淺盤固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器一般為面積較大的盤狀容器，在工業(yè)生產(chǎn)中可采取單層或多層設(shè)計，置于可控制溫度和濕度的箱體或培養(yǎng)室中。淺盤底部可開孔或不開孔，但培養(yǎng)空間內(nèi)部的空氣在風(fēng)機(jī)的驅(qū)動下，只在淺盤和料層的表面流動，不形成強(qiáng)制穿透料床的連續(xù)氣流。此類反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、易制作，培養(yǎng)空間和容器往往采用化學(xué)消毒和紫外線消毒，一般用于真菌孢子殺蟲劑培養(yǎng)等半無菌固態(tài)發(fā)酵場合[16]。由于沒有穿透料床的強(qiáng)制通風(fēng)和機(jī)械攪拌翻料，為緩解溫度、含水率分布不均問題并保證深層物料的供氧，此類反應(yīng)器的料床厚度通常較低，因此設(shè)備產(chǎn)能受到一定限制[16-17]。例如DA CUNHA等[16]將長40 cm，寬29 cm，深12 cm的淺盤反應(yīng)器培養(yǎng)用作真菌殺蟲劑的金龜子綠僵菌孢子，通風(fēng)氣流方向平行于料床表面，料床厚度在2～6 cm，其中4 cm厚度料床獲得了相對最高的產(chǎn)孢率。ZHANG等[6]研制的新型多層固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，用柔性透氣膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)淺盤反應(yīng)器的剛性金屬壁，設(shè)置頂部透氣膜以防止雜菌污染，結(jié)果成功用于粉紅粘帚菌的固態(tài)發(fā)酵。

2.1.2 強(qiáng)制通風(fēng)的填充床固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器

強(qiáng)制通風(fēng)的填充床固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器不配備機(jī)械攪拌或翻料裝置，料床底部懸空，由孔板、篩板或篩網(wǎng)構(gòu)成，以便在發(fā)酵過程中使用風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)等設(shè)備輸送新鮮濕空氣以穿流的形式透過料床，從而帶走料床中產(chǎn)生的代謝熱。由于強(qiáng)制通風(fēng)的作用，料床厚度相對于淺盤反應(yīng)器而言可以適度提高，但一般仍在20～30 cm[1,18]。為提高設(shè)備產(chǎn)能，在工業(yè)生產(chǎn)中，此類反應(yīng)器多為底面積較大的盤狀、扁平箱狀或配有透氣假底的框狀，且為了節(jié)約占地面積，其發(fā)展趨勢為多層布置，例如王法利等[19]于2020年報道的多層組合式麩曲培曲中試裝置。強(qiáng)制通風(fēng)的填充床固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器除箱式外，還包括在發(fā)酵規(guī)模較小的實驗室研究中常用的柱式填充床固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器。此類反應(yīng)器一般為細(xì)長的立式柱狀結(jié)構(gòu)，底部有棉花、篩網(wǎng)、玻璃珠等透氣介質(zhì)支撐固態(tài)物料，使用加濕的無菌空氣自下而上實施強(qiáng)制通風(fēng)，還可利用水浴或夾套輔助控溫，反應(yīng)器容積從一升以下到幾十升不等[12-13,20-21]。小型柱式填充床反應(yīng)器經(jīng)常多臺平行使用，用于優(yōu)化固態(tài)發(fā)酵條件和培養(yǎng)基成分，而較大的實驗室柱式填充床反應(yīng)器常用于研究固態(tài)發(fā)酵料床的數(shù)學(xué)模型，例如ZOLFAGHARI-ESMAEELABADI等[22]于2015年報道了基于一個1 L容積的填充床反應(yīng)器構(gòu)建的宏觀和微觀傳遞過程模型；CASCIATORI等[13]于2016年報道了基于一臺長度1 m，直徑7.62 cm的填充床反應(yīng)器構(gòu)建的強(qiáng)制通風(fēng)固態(tài)發(fā)酵宏觀雙相二維模型；JIN等[23]于2019年利用低場核磁共振技術(shù)檢測和表征了一個0.8 L容積的填充床反應(yīng)器在米曲霉固態(tài)發(fā)酵過程中的水分場的時空分布，并建立了數(shù)學(xué)模型。上述數(shù)學(xué)模型普遍顯示，在實施連續(xù)的強(qiáng)制通風(fēng)條件下，柱狀固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器仍會呈現(xiàn)出明顯的溫度梯度，一般料床頂部中心位置溫度較高，而料床底部篩板附近的物料溫度較低。使用恒溫水的換熱夾套能對料床起到一定的控溫作用，但有效范圍僅在貼近換熱壁面的料層范圍內(nèi)。此外，由于微生物對固體營養(yǎng)物的不斷消耗以及發(fā)酵過程失水，此類反應(yīng)器的料床易發(fā)生收縮板結(jié)，大塊物料內(nèi)部因熱量難以發(fā)散造成升溫?zé)?，而板結(jié)形成的縫隙又會使強(qiáng)制通風(fēng)的氣流發(fā)生短路，進(jìn)一步加劇溫度和水分分布的不均勻性[10,24]。為緩解這一問題，研究人員研制了“Zymotis”反應(yīng)器，設(shè)置了垂直插入料床的多塊平行換熱板，利用基于循環(huán)水的間壁換熱改善料床的溫控精度[25]；PEREZ等[26]則在軸向強(qiáng)制通風(fēng)的多層填充床反應(yīng)器中通過中心風(fēng)管和外周間隙層引入徑向氣流，改善了料床溫度分布的均勻性?？梢姡捎诓痪邆錂C(jī)械攪拌或翻料功能，靜態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器難以在厚料層的條件下實現(xiàn)溫度場和水分場控制的均勻性，一般用于菌絲體、分生孢子頭等生理結(jié)構(gòu)易受外界機(jī)械力破壞的絲狀真菌發(fā)酵過程，或者菌體對溫度、含水率控制偏差不敏感的應(yīng)用場合，反應(yīng)器的放大也受到一定的制約。

2.2 動態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器

動態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器運行過程中，在特定機(jī)械裝置的作用下，固體物料在反應(yīng)容器內(nèi)發(fā)生間歇或持續(xù)運動。動態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的容器形式和攪拌裝置運動方式種類很多，包括轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器、轉(zhuǎn)軸式反應(yīng)器、攪拌式反應(yīng)器和旋轉(zhuǎn)圓盤式反應(yīng)器等主要類別，以及流化床反應(yīng)器、連續(xù)反應(yīng)器等特殊類型。

2.2.1 轉(zhuǎn)鼓式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器

轉(zhuǎn)鼓式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器一般為臥式圓筒形反應(yīng)容器，內(nèi)部可以設(shè)置刮板，通過筒體的整體回轉(zhuǎn)驅(qū)動固態(tài)物料的翻騰混合，從而提高其均勻度，回轉(zhuǎn)方式多為間歇式；反應(yīng)器內(nèi)部的通風(fēng)大多通過軸向的中心管引入[1,9,24]。轉(zhuǎn)鼓反應(yīng)器應(yīng)用廣泛，可用于發(fā)酵生產(chǎn)酶制劑[27-28]、有機(jī)酸[29]等產(chǎn)品。用于實驗室的小型轉(zhuǎn)鼓反應(yīng)器一般繞水平的旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，而在規(guī)?；陌l(fā)酵工廠中，此類反應(yīng)器往往借鑒回轉(zhuǎn)窯和轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計成用托輪支撐并提供回轉(zhuǎn)動力的滾筒式反應(yīng)器，可用于堆肥[30]。除常規(guī)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)鼓反應(yīng)器外，PESSOA等[31]研制了一種特殊轉(zhuǎn)鼓反應(yīng)器并用于黑曲霉發(fā)酵產(chǎn)果膠酶。該反應(yīng)器是在圓柱形轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部設(shè)置一個矩形料斗，其底部篩板可供強(qiáng)制通風(fēng)氣流自下而上流過料床，矩形料斗在正常發(fā)酵過程中處于轉(zhuǎn)鼓下部，以類似強(qiáng)制通風(fēng)的填充床反應(yīng)器的模式運行，同時可通過整體回轉(zhuǎn)實現(xiàn)物料的混合。該反應(yīng)器是填充床反應(yīng)器和轉(zhuǎn)鼓反應(yīng)器的融合，改善了填充床反應(yīng)器因不具備混合功能而造成的溫度、水分分布不均問題。此外，該團(tuán)隊還對此反應(yīng)器料床內(nèi)的空氣流動狀態(tài)進(jìn)行了計算流體力學(xué)模擬。此外，DU等[32]報道了一種內(nèi)部設(shè)置布料板的轉(zhuǎn)鼓式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，總?cè)莘e達(dá)550 m3，用于甜高粱原料固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。

2.2.2 轉(zhuǎn)軸式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器

轉(zhuǎn)軸式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器也稱攪拌鼓式（Stirred drum）反應(yīng)器，一般為固定的臥式罐體，內(nèi)部設(shè)置水平旋轉(zhuǎn)軸和上下旋轉(zhuǎn)的攪拌葉，以起到打散結(jié)塊的物料、強(qiáng)化傳遞的作用[9]。目前市售的多數(shù)實驗室小型固態(tài)發(fā)酵罐產(chǎn)品采用了此類設(shè)計。RAZALI等[33]報道了使用一臺2.3 L容積的轉(zhuǎn)軸式反應(yīng)器發(fā)酵產(chǎn)紅曲色素，采用每天4～8次的間歇式混合方式，獲得了6.09 AU/g干物質(zhì)的色素產(chǎn)量。

2.2.3 曲箱和旋轉(zhuǎn)圓盤式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器

在酒類或發(fā)酵調(diào)味品制曲的實際應(yīng)用中，為緩解溫度、水分不均以及物料結(jié)塊問題，一般會在淺盤反應(yīng)器的基礎(chǔ)上采用人工翻料，或增加機(jī)械翻料裝置[34]。二十世紀(jì)六七十年代的白酒與醬油行業(yè)常采用曲箱制備固體曲[18,35]。此類裝置一般屬于具備強(qiáng)制通風(fēng)功能的填充床類反應(yīng)器，但為提高物料的均勻度，往往采取間歇式的人工翻料操作，或使用機(jī)械翻料。目前，自動化程度更高的圓盤制曲機(jī)已成為白酒生產(chǎn)企業(yè)機(jī)械化制曲的常用機(jī)型，其發(fā)酵過程的工作原理是以帶有強(qiáng)制通風(fēng)功能的水平圓盤為反應(yīng)容器，徑向水平布置耕刀式翻料裝置，以及徑向的螺旋式混料裝置，同時圓盤容器一般可旋轉(zhuǎn)。這類反應(yīng)器集培養(yǎng)（發(fā)酵）和烘干兩大功能為一體，具備自動化的滅菌、進(jìn)出料、控溫控濕等功能，較傳統(tǒng)裝備大幅節(jié)約了人力[34]。

2.2.4 攪拌式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器

攪拌式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器仍以強(qiáng)制通風(fēng)的填充床反應(yīng)器為基礎(chǔ)，增加中心旋轉(zhuǎn)軸、水平懸臂梁，在懸臂梁上豎直安裝可插入料床的多個相互平行的螺帶攪拌槳。運行時，攪拌槳既可以通過自轉(zhuǎn)對原位物料實施攪拌，也可以在中心旋轉(zhuǎn)軸和懸臂梁的帶動下圍繞整個圓柱形罐體公轉(zhuǎn)，使攪拌范圍擴(kuò)大到整個料床[36]。此外，丹麥諾維信公司ANDERSEN等[37]發(fā)明了一種新型模塊化固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，其主體結(jié)構(gòu)為內(nèi)部帶有水平篩板以及通風(fēng)功能的模塊化小型箱體，箱內(nèi)篩板上方的料床內(nèi)部可安裝水平攪拌槳。多個反應(yīng)器箱體可集中在發(fā)酵站中實施發(fā)酵過程調(diào)控，其進(jìn)出料和搬運等操作可由機(jī)械裝置完成，以替代高強(qiáng)度的人工操作。該發(fā)明適于自動化操作，便于維持發(fā)酵過程的無菌環(huán)境，具有良好的應(yīng)用前景。

2.2.5 壓力脈動式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器

中國科學(xué)院過程工程研究所研發(fā)的氣相雙動態(tài)固態(tài)生物反應(yīng)器的工作原理是利用周期性變化的罐體內(nèi)壓，強(qiáng)化料床及物料顆粒內(nèi)外的物質(zhì)與能量傳遞。這種控制方式與傳統(tǒng)的機(jī)械攪拌、翻料和強(qiáng)制通風(fēng)在原理上有本質(zhì)區(qū)別，不僅傳遞效率高，還因為不需要攪拌裝置和動密封，使得此型反應(yīng)器的密閉性更強(qiáng)，更適合純種固態(tài)發(fā)酵應(yīng)用[10,38]。

2.2.6 連續(xù)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器

過程的連續(xù)化是固態(tài)發(fā)酵發(fā)展的趨勢之一。WANG等[39]報道了一種半連續(xù)操作的反應(yīng)器，該反應(yīng)器外形為水平圓管狀，內(nèi)部以螺旋輸送機(jī)構(gòu)為動力，使發(fā)酵物料形成活塞流式的連續(xù)運動，可用于固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)面包。

總之，動態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的物料運動方式靈活多樣，主要包括利用內(nèi)置的攪拌和翻料機(jī)構(gòu)混合，反應(yīng)容器整體回轉(zhuǎn)混合，以及利用壓力脈動促使料床松動等主要方式。此外，流化床反應(yīng)器在固態(tài)發(fā)酵中也有應(yīng)用[1]。攪拌和翻料的方式通常適用于細(xì)菌、酵母菌等對機(jī)械破壞具有一定適應(yīng)性的微生物，在放線菌、絲狀真菌的固態(tài)發(fā)酵中則需要嚴(yán)格限制混合強(qiáng)度，以減輕對菌絲的損傷；整體回轉(zhuǎn)對菌絲的機(jī)械損傷相對較小，可采用連續(xù)低速回轉(zhuǎn)或間歇回轉(zhuǎn)的方式，但采取間歇回轉(zhuǎn)時，需注意靜止的周期過長可能造成部分板結(jié)的固態(tài)物料團(tuán)塊無法在回轉(zhuǎn)中破碎。壓力脈動式反應(yīng)器用周期性壓力變化替代傳統(tǒng)的機(jī)械驅(qū)動的混合，可以在強(qiáng)化發(fā)酵物料傳質(zhì)、傳熱的前提下避免對菌絲體的機(jī)械損傷，較好地解決了機(jī)械混合強(qiáng)化傳遞與菌絲體保護(hù)之間的矛盾。

3 結(jié)語

固態(tài)發(fā)酵在節(jié)能、節(jié)水等方面具有潛在優(yōu)勢，是部分傳統(tǒng)酒類、調(diào)味品以及真菌孢子殺蟲劑等特殊產(chǎn)品的必要生產(chǎn)方式，因此固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的創(chuàng)新得到了產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的持續(xù)關(guān)注。固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的發(fā)展趨勢包括：（1）機(jī)械化、自動化水平不斷提高，逐步走向智能化，可以有效降低人工勞動強(qiáng)度，提高過程操控的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性；（2）過程在線檢測和取樣裝置需要進(jìn)一步發(fā)展，以適應(yīng)自動化、智能化的發(fā)展趨勢；（3）小型化的平行固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器需要進(jìn)一步發(fā)展，以適應(yīng)固態(tài)發(fā)酵領(lǐng)域的微生物菌種篩選需求；（4）料床溫度和水分的時空分布梯度仍然普遍存在，需要進(jìn)一步通過數(shù)學(xué)模型和現(xiàn)代在線檢測技術(shù)等工具更深入理解其形成規(guī)律，并通過新的反應(yīng)器設(shè)計理念使其得到緩解。