轉(zhuǎn)鼓式固態(tài)生物反應(yīng)器的研究進(jìn)展

楊聞 劉會鵬 邰燕翔 洪厚勝

摘要：固態(tài)發(fā)酵是指微生物在含水量極低的固體物料上進(jìn)行生長、代謝，以獲得初生代謝產(chǎn)物和次生代謝產(chǎn)物。固態(tài)反應(yīng)器因其各種工藝參數(shù)的在線監(jiān)測與自動控制，在食品發(fā)酵、生物制藥、飼料生產(chǎn)等領(lǐng)域有著越來越廣泛的用途。根據(jù)罐溫、溶氧、pH等工藝參數(shù)而采用不同的控制模式。在固態(tài)發(fā)酵過程中，由于微生物生長環(huán)境、物料、傳質(zhì)等諸多因素的差異，設(shè)計反應(yīng)器并實現(xiàn)智能化、程序化是有待解決的關(guān)鍵性共同問題。主要對轉(zhuǎn)鼓式生物固態(tài)反應(yīng)器的應(yīng)用、特征進(jìn)行分析并對一些目前存在的弊端提出疑問。

關(guān)鍵詞：固態(tài)發(fā)酵；代謝產(chǎn)物；轉(zhuǎn)鼓式固態(tài)反應(yīng)器；在線監(jiān)測；工藝參數(shù)；智能化

中圖分類號：TS201.3 ?????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ????文章編號：1000-9973（2024）04-0192-04

Research Progress of Rotating Drum Solid-State Bioreactors

YANG Wen1， LIU Hui-peng2， TAI Yan-xiang1， HONG Hou-sheng1，3*

（1.College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering， Nanjing Tech University， Nanjing

211816， China; 2.College of Chemistry and Molecular Engineering， Nanjing Tech University，

Nanjing 211816， China; 3.Nanjing Highke Bioengineering Equipment Co.， Ltd.，

Nanjing 210009， China）

Abstract： Solid-state fermentation refers to the growth and metabolism of microorganisms on solid materials with extremely low water content to obtain the primary and secondary metabolites. Solid-state reactors are increasingly widely used in the fields such as food fermentation， biopharmaceuticals and feed production due to their online monitoring and automatic control of various process parameters. Different control modes are adopted according to the process parameters such as tank temperature， dissolved oxygen and pH. In the solid-state fermentation process， due to the differences in the growth environment of microorganisms， materials， mass transfer and many other factors， designing reactors and achieving intelligence and programming are the key common issues that need to be solved. In this paper， the application and characteristics of rotating drum solid-state bioreactors are mainly analyzed， and the questions about some drawbacks at present are raised.

Key words： solid-state fermentation; metabolites; rotating drum solid-state reactor; online monitoring; process parameters; intelligence

收稿日期：2023-09-17

基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目（2012AA021201）

作者簡介：楊聞（1999—），男，碩士研究生，研究方向：生化工程與反應(yīng)器。

*通信作者：洪厚勝（1965—），男，教授，博士，研究方向：生物反應(yīng)工程及生化反應(yīng)器。

固態(tài)發(fā)酵利用固體物作為發(fā)酵原料，固體物中含有少量游離水，微生物以此作為發(fā)酵環(huán)境[1]。作為發(fā)酵工程的傳統(tǒng)形式，從中國人制作山西陳醋起，傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵已有3 000多年的歷史，主要用于食品和調(diào)味品中[2]。相較于液態(tài)發(fā)酵，沒有液相和含水量低的固態(tài)發(fā)酵可以使用更小的發(fā)酵罐，在代謝產(chǎn)物回收過程中節(jié)省試劑、減少細(xì)菌污染以及在某些情況下對無菌要求不是很高[3]，所以20世紀(jì)以后，傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵逐漸與現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)融合。為了提高產(chǎn)品的產(chǎn)量與穩(wěn)定性，以規(guī)?；?、工業(yè)化為基礎(chǔ)的固態(tài)反應(yīng)器應(yīng)運而生，目前固態(tài)反應(yīng)器由傳統(tǒng)的簡單容器正逐漸朝著機械化、自動化、程序化的方向發(fā)展，不斷融入計算機科學(xué)領(lǐng)域的新科技與新理念，實現(xiàn)工藝參數(shù)的監(jiān)測與精準(zhǔn)控制[4]。目前在酶制劑、有機酸、抗生素、維生素、食品等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。

1 固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的原理

固態(tài)發(fā)酵的本質(zhì)是將微生物培養(yǎng)在固體表面，利用微生物代謝產(chǎn)生的酶分解代謝底物，再經(jīng)過微生物本身的代謝途徑分泌出人們所需要的初生代謝產(chǎn)物或次生代謝產(chǎn)物。這個過程包括固（固體物料）、液（液態(tài)水膜）、氣（空氣）三相和微生物相內(nèi)部及相互之間的熱量傳遞，營養(yǎng)、水分、代謝產(chǎn)物和氧的質(zhì)量傳遞，以及動態(tài)混合過程中的能量傳遞[5-6]。

上述“三傳一反”需要反應(yīng)器有著相應(yīng)的結(jié)構(gòu)及功能。然而，由于含水固體物料的傳質(zhì)、傳熱阻力難以控制，反應(yīng)器中溫度、固體物料含水量、養(yǎng)料、代謝物濃度分布不均，對發(fā)酵效率產(chǎn)生影響，這對固態(tài)生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和功能提出了較高的要求，也是固態(tài)發(fā)酵罐大量投入使用道路上的一大阻礙[7-8]。但固態(tài)反應(yīng)器的開發(fā)是一項非常有意義的研究，在生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量、勞動資源等方面都比傳統(tǒng)液態(tài)或發(fā)酵池固態(tài)發(fā)酵更優(yōu)越。

2 常見的固態(tài)生物反應(yīng)器

目前常見的固態(tài)反應(yīng)器分為兩類：靜態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器和動態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器。淺盤固態(tài)反應(yīng)器是最典型的靜態(tài)反應(yīng)器；動態(tài)反應(yīng)器除了最常用的轉(zhuǎn)鼓式固態(tài)反應(yīng)器外還有4種，分別是攪拌式水平鼓反應(yīng)器、搖鼓式反應(yīng)器、填充床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器。這些反應(yīng)器著重考慮的依然是“三傳一反”，其中攪拌與通風(fēng)的方式及強度是兩個重要的方面。為了散熱，通常會增加通風(fēng)量，但這會使培養(yǎng)物表面水分流失嚴(yán)重，而通入潮濕的空氣再配合一定量的攪拌可以使培養(yǎng)物內(nèi)部更易散熱并保留更多的水分[9-11]。

3 轉(zhuǎn)鼓式生物反應(yīng)器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 傳統(tǒng)食醋發(fā)酵的變革

傳統(tǒng)食醋發(fā)酵主要由蒸、酵、淋3種工藝構(gòu)成。近30年來，大部分醋廠以池代缸，在發(fā)酵階段的主要生產(chǎn)設(shè)備為發(fā)酵池（防腐、防漏水泥池），池長10 m、寬1.5 m、高0.8 m。將物料放入發(fā)酵池中，發(fā)酵期間需要不停進(jìn)行人工翻醅，保證發(fā)酵池中的物料能夠與空氣充分接觸并控制發(fā)酵溫度。發(fā)酵結(jié)束后用吊車抓斗高壓蒸汽熏醅[12]。相較于目前先進(jìn)的轉(zhuǎn)鼓式固態(tài)反應(yīng)器，傳統(tǒng)釀造工藝不僅耗費大量的人力及空間資源，而且會因衛(wèi)生條件簡陋而導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低、產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊[13]。

轉(zhuǎn)鼓式固態(tài)反應(yīng)器是一種臥式圓筒型反應(yīng)容器，內(nèi)部設(shè)有數(shù)個折流板，通過圓筒整體的轉(zhuǎn)動帶動里面的醋醅，使粘連在一起的醋醅被刮板打散，更好地與空氣結(jié)合，省去人工攪拌。在出料時，成熟的醋醅直接從出料口排出。反應(yīng)器可以通過控制空氣流速來控制內(nèi)部溫度。余永建等[14]參考臥式轉(zhuǎn)筒反應(yīng)器和立式回流反應(yīng)器的優(yōu)缺點，將食醋發(fā)酵與淋醋工藝整合到一個反應(yīng)器中，設(shè)計出了食醋固態(tài)釀造一體機。其結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的臥式罐體，在罐內(nèi)設(shè)有螺旋翻料葉片，通過罐體自身旋轉(zhuǎn)和翻料葉片進(jìn)行散熱。在罐體內(nèi)醋醅上方設(shè)置噴淋裝置，用于淋醋使用。在罐體內(nèi)側(cè)底部上方安置濾板，濾板與罐底之間形成空腔，用于收集醋鹵或淋醋醋液，可以縮短發(fā)酵周期并保證產(chǎn)出食醋具有良好的風(fēng)味。

3.2 特殊轉(zhuǎn)鼓式生物反應(yīng)器的開發(fā)及應(yīng)用

Nagel等[15]研制了一種特殊轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器并將其用于米曲霉發(fā)酵產(chǎn)果膠酶，見圖1。

該反應(yīng)器是在原本的圓柱形轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部設(shè)置一個矩形槳葉，高壓空氣穿過槳葉末端的孔使床層通風(fēng)。在連續(xù)發(fā)酵過程中，米曲霉在熟小麥上生長，可將溫度控制在35 ℃。該反應(yīng)器是填充床反應(yīng)器和轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器的融合，相較于原本的填充床反應(yīng)器，改善了其物料厚度、傳熱性不同等導(dǎo)致的空氣通入后其內(nèi)部熱量質(zhì)量不均勻以及水分分布不均勻的缺點。20世紀(jì)40年代早期，一家生產(chǎn)盤尼西林的工廠制造了40臺直徑1.22 m、長11.28 m，即每臺反應(yīng)器容量為13 m3的轉(zhuǎn)鼓式生物反應(yīng)器，見圖2[16]。

該套反應(yīng)器已集接種與發(fā)酵為一體。此外，Du等[17]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 ，用于高粱原料固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)乙醇。

4 轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器中的攪拌和傳遞現(xiàn)象

4.1 物料攪拌與傳遞現(xiàn)象

轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器的性能主要由床層與頂空氣體之間的水、能量交換效率決定。轉(zhuǎn)鼓有兩種不同的設(shè)計，分別為無折流板轉(zhuǎn)鼓與帶4塊直折流板的轉(zhuǎn)鼓。無折流板轉(zhuǎn)鼓主要用于非固態(tài)發(fā)酵。該流型取決于轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速和填充率。將流型與臨界轉(zhuǎn)速（NC）聯(lián)系起來，NC定義為由于離心作用使顆粒保持與轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁接觸時的轉(zhuǎn)速[18]。對于水平放置的轉(zhuǎn)鼓，NC與直徑的關(guān)系式為：

NC=42.3 D。

式中：NC為轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速，r/min；D為直徑，m。

靜止轉(zhuǎn)鼓和處于臨界狀態(tài)下的轉(zhuǎn)鼓，床內(nèi)都沒有產(chǎn)生混合。當(dāng)?shù)陀谂R界速度10%時，流型為滑移和坍塌，固體顆?；菊w移動，床層內(nèi)的固體顆粒幾乎未混合。轉(zhuǎn)速增加至臨界速度的10%～60%時，床層先出現(xiàn)滾翻，以平滑表面為特征，然后是溢流，以曲面為特征。在兩種流型中床層自身內(nèi)有顆粒的流動，但也有可能存在死區(qū)。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于臨界速度的60%或低于臨界速度時，則會出現(xiàn)瀑泄流，物料被甩入空中[19]，各狀態(tài)見圖3。由于帶直折流板的轉(zhuǎn)鼓增加了固體顆粒在軸向上的混合，大多數(shù)轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器都是在形成塌陷的條件下進(jìn)行操作，所以為了增強效果，通常在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面設(shè)置折流板，相較于無折流板轉(zhuǎn)鼓高速下運行才能使得固體顆?；旌希砑诱哿靼迥軌虼蠓葴p少能耗。

Schutyser等[20]模擬了折流板對混合的影響。在一個直徑為30 cm的轉(zhuǎn)鼓中分別安裝了4塊5 cm和10 cm寬的直折流板進(jìn)行比較。得出盡管在低轉(zhuǎn)速下它們也有助于防止坍塌流動，但較小的折流板對增強翻滾狀態(tài)時的混合效果不大。隨后Schutyser等又對轉(zhuǎn)鼓中心軸線進(jìn)行傾斜，使其呈現(xiàn)20°～35°的傾斜角。進(jìn)一步實驗發(fā)現(xiàn)，固體顆粒的動態(tài)休止角是轉(zhuǎn)鼓中心軸傾斜角的上限，見圖4。在水平轉(zhuǎn)動一段時間后進(jìn)行傾斜能夠更加充分地對物料進(jìn)行混合，且傾斜時物料會坍塌，以更好地對其內(nèi)部散熱。

4.2 轉(zhuǎn)鼓頂空的空氣流型對通風(fēng)的影響

在轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器中，頂空流型對散熱效果的影響很重要，頂空對流散熱計算公式為：

Rconv=hA（T床層-T頂空）。

式中：Rconv為對流散熱，W;h為傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；A為床層與頂空的接觸面積，m2；T床層為床層溫度，℃；T頂空為頂空溫度，℃。

如果頂空氣體混合均勻，則傳熱推動力保持不變，床層表面各處的傳熱速率都相同。但如果頂空的流型為栓塞流，則傳熱推動力會減小。這種情況下，轉(zhuǎn)鼓入口端附近的床層與頂空的熱交換速率大于出口端，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)鼓尾部溫度過高，影響產(chǎn)品質(zhì)量。Hardin等[21]用CO作為示蹤劑，研究了200 L轉(zhuǎn)鼓中的流型，發(fā)現(xiàn)中心栓塞流區(qū)被死區(qū)包圍，見圖5。死區(qū)包括一部分頂空氣體和床層顆粒間隙中的所有氣體，死區(qū)在徑向上有良好的混合效果，但在軸向上無運輸。折流板的有無影響著死區(qū)所占轉(zhuǎn)鼓的體積分?jǐn)?shù)以及栓塞流與死區(qū)間的傳遞速率。與無折流板相比，帶折流板時栓塞流與死區(qū)間的交換更多，意味著死區(qū)在轉(zhuǎn)鼓中占據(jù)的體積更小。

5 反應(yīng)器工藝參數(shù)的監(jiān)控

由于在發(fā)酵過程中需要及時高溫滅菌以及對密封性的要求，所以對傳感器有特殊要求：耐高溫，耐腐蝕，在結(jié)構(gòu)上防止雜菌進(jìn)入以及避免死角，能經(jīng)受各種惡劣環(huán)境[22]。

5.1 轉(zhuǎn)鼓內(nèi)溫度自控原理

轉(zhuǎn)鼓內(nèi)溫度的測量，選用不銹鋼套管封裝的pt100溫度傳感器探頭，從轉(zhuǎn)鼓側(cè)面開口處斜插入罐內(nèi)。pt100溫度傳感器直接與執(zhí)行器連接，執(zhí)行器產(chǎn)生的控制信號經(jīng)電氣閥門傳遞給冷卻盤上的氣動調(diào)節(jié)閥門，從而形成一個閉合回路。通過調(diào)節(jié)冷卻水的流量來控制罐內(nèi)溫度；溫度升高，冷卻盤上的閥門開口增大，冷卻液流量增多，從而達(dá)成降溫的效果；溫度下降則反之。

5.2 轉(zhuǎn)鼓內(nèi)溫度自控模式及特點

由于對轉(zhuǎn)鼓內(nèi)溫度監(jiān)測具有一定的滯后和時變，當(dāng)滯后時間較長時，PID控制會引起系統(tǒng)的響應(yīng)發(fā)生振蕩，所以可以采用模糊控制的方法，雖然傳統(tǒng)的控制理論對于明確系統(tǒng)有著強有力的控制能力，但對于復(fù)雜或者變幻莫測的系統(tǒng)則顯得無能為力，所以采用模糊數(shù)學(xué)來處理這些系統(tǒng)[23]。模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖6，由模糊化、模糊推理、知識庫、清晰化這四部分組成。模糊化模塊中僅包含模糊化方法的確定；知識庫分為數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫；數(shù)據(jù)庫包括設(shè)計輸入輸出變量的尺度參數(shù)；清晰化模塊指清晰化方法的確定[24]。

模糊控制工作流程：首先通過溫度傳感器將被監(jiān)測的物理量轉(zhuǎn)換成電量，再通過A/D轉(zhuǎn)換器將電量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并與給定值進(jìn)行比較，得到一個精確量的偏差e作為模擬控制器的輸入；其次經(jīng)過輸入量尺度變換和模糊化處理，得到模糊量E，模糊量E與模糊關(guān)系R合成，得到模糊推理的結(jié)果C；最后模糊量C經(jīng)清晰化處理得到清晰度c，并由A/D轉(zhuǎn)換及輸出尺度變換后送到執(zhí)行器進(jìn)行控制。模糊控制結(jié)構(gòu)圖見圖6[25]。

6 結(jié)果與展望

轉(zhuǎn)鼓式固態(tài)反應(yīng)器因其獨特的結(jié)構(gòu)在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的用途。隨著轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與功能的進(jìn)一步完善，其逐步替代傳統(tǒng)的發(fā)酵設(shè)備。轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器增加了反應(yīng)時的表面積，使反應(yīng)物更充分地接觸并發(fā)生反應(yīng)，從而提高了反應(yīng)效率，這意味著更高的產(chǎn)量和更低的廢料生成量。對發(fā)酵過程進(jìn)行自動控溫，對固體物料的含氧量進(jìn)行監(jiān)測和控制，大大改善了勞動環(huán)境，穩(wěn)定了產(chǎn)物質(zhì)量，縮短了發(fā)酵周期，節(jié)省了勞動成本。但目前轉(zhuǎn)鼓式固態(tài)反應(yīng)器自動化程度不夠，對易揮發(fā)產(chǎn)品尾氣回收效率過低，甚至有時無法達(dá)到預(yù)期的轉(zhuǎn)換率，延長了發(fā)酵周期，給工業(yè)生產(chǎn)帶來損失。新型轉(zhuǎn)鼓式固態(tài)反應(yīng)器的功能結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一項長期工作，我們要在今后的學(xué)習(xí)中進(jìn)一步提升反應(yīng)器的智能化、程序化[26-28]。

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