新型固態(tài)發(fā)酵設(shè)備的種類及用途

1、新型固態(tài)發(fā)酵設(shè)備的種類及用途 摘要: 本文介紹了現(xiàn)代新型固態(tài)發(fā)酵設(shè)備的特點(diǎn)及其優(yōu)越性，同時(shí)綜述了國(guó)內(nèi)外固態(tài)發(fā)酵設(shè)備的開發(fā)現(xiàn)狀及最新研究動(dòng)態(tài)，為開發(fā)研制新型固態(tài)發(fā)酵設(shè)備提供參考。關(guān)鍵詞固態(tài)發(fā)酵,固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器1.淺盤發(fā)酵器這是比較常用的一種固態(tài)發(fā)酵設(shè)備,對(duì)傳統(tǒng)的淺盤發(fā)酵進(jìn)行了簡(jiǎn)單的改進(jìn),培養(yǎng)基經(jīng)滅菌冷卻裝入淺盤,通過空氣增濕器調(diào)節(jié)空間的溫濕度,可通入經(jīng)過濾的無菌空氣,滿足菌體生長(zhǎng)對(duì)氧的需求淺盤發(fā)酵中由于存在對(duì)流空氣,散熱效果不理想,發(fā)酵物料的厚度有一定限制;另外,淺盤發(fā)酵中還涉及到氧氣消耗問題,因而對(duì)此類生物反應(yīng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮強(qiáng)制通風(fēng),避免這類問題的產(chǎn)生。雖然淺盤反應(yīng)器操作簡(jiǎn)便,產(chǎn)率較高,產(chǎn)

2、品均勻,但因體積過大,耗費(fèi)勞動(dòng)力大,無法進(jìn)行機(jī)械化操作,不適宜在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。2.轉(zhuǎn)鼓式發(fā)酵器轉(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,因而對(duì)它的研究也較多.Hardrin (2000) 等根據(jù)微生物生長(zhǎng)產(chǎn)熱量最高峰時(shí)的熱量產(chǎn)生與去除效果的比率,利用無因次設(shè)計(jì)因數(shù)(DDF) 來研究設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)鼓式發(fā)酵器(RDB) ,它能夠預(yù)測(cè)給定條件下反應(yīng)床中能達(dá)到的最大溫度值,得出發(fā)酵期間最大耐受溫度,并結(jié)合操作變數(shù)作出相應(yīng)的控制措施,該方法提出了利用幾何相似性原則進(jìn)行反應(yīng)器設(shè)計(jì),放大時(shí)考慮的3個(gè)策略:第1 維持通過RDB 的空氣表面流速恒定;第2 維持反應(yīng)器單位體積內(nèi)空氣體積比率恒定;第3

3、反應(yīng)器放大時(shí)調(diào)節(jié)空氣氣流速度以維持期間反應(yīng)床中到達(dá)的最高溫度恒定。另外,運(yùn)用DDF 方法進(jìn)行反應(yīng)器放大設(shè)計(jì)也可適用于其他固態(tài)發(fā)酵生物反應(yīng)器,如淺盤式發(fā)酵器,流動(dòng)床反應(yīng)器及填充床反應(yīng)器等,或通過構(gòu)建系統(tǒng)熱量除方法用于其他特殊類型的生物反應(yīng)器放大設(shè)計(jì)。Han (1999) 等設(shè)計(jì)的該反應(yīng)器配有攪拌軸,料氣進(jìn)出口及接種口等,培養(yǎng)基滅菌、接種、通氣培養(yǎng)和干燥可在發(fā)酵器內(nèi)進(jìn)行,可有效防止雜菌污染,恒溫水浴控制溫度,恒溫冷水噴霧冷卻旋轉(zhuǎn)鼓,發(fā)酵時(shí)溫度波動(dòng)小,機(jī)械化程度高。通過實(shí)驗(yàn)比較了靜置式與攪拌式對(duì)大豆根霉發(fā)酵效果的影響,結(jié)果表明,該發(fā)酵反應(yīng)器操作隔離性能好,通過傳感器對(duì)操作參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制,滾軸旋轉(zhuǎn)

4、速度在11540 r/ min , 空氣進(jìn)入管中流速為210 L/min ,但反應(yīng)器體積放大有一定的局限性。因其影響到反應(yīng)器的熱量擴(kuò)散和培養(yǎng)基的滅菌效果,此外,前期過多拌料等因素對(duì)一些菌屬的生長(zhǎng)有較大的影響; Han (1999) 等利用RDB 根霉發(fā)酵大豆生產(chǎn)新型的固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)品,可作為粉狀食品的配料。目前,RDB 被應(yīng)用于酒精、酶、制曲、植物細(xì)胞培養(yǎng)、根霉發(fā)酵大豆及丹貝等生產(chǎn)中。3.旋轉(zhuǎn)圓盤式發(fā)酵機(jī)旋轉(zhuǎn)圓盤式發(fā)酵機(jī)是目前國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)的新型固態(tài)發(fā)酵設(shè)備。密封效果好,不僅杜絕了雜菌污染,更能有效地保持溫、濕度,并能方便地進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)溫、控溫、控濕,為微生物生長(zhǎng)繁殖提供了有利條件。料床為圓盤動(dòng)力旋

5、轉(zhuǎn)式,既可以消除發(fā)酵“死角”,又得以與入料、翻料、攤平、出料等機(jī)構(gòu)有機(jī)地配合,實(shí)現(xiàn)出入料、攤平、翻料機(jī)械化,大大地方便了生產(chǎn),從而可與前后工序的設(shè)備配套,形成自動(dòng)化程度較高的生產(chǎn)線,該機(jī)適用于發(fā)酵周期短的產(chǎn)品生產(chǎn)。4.攪拌式發(fā)酵反應(yīng)器攪拌式發(fā)酵反應(yīng)器和液態(tài)反應(yīng)器類似,有立式和臥式之分,臥式反應(yīng)器根據(jù)攪拌方式又可分為轉(zhuǎn)軸式和轉(zhuǎn)筒式。但由于固態(tài)基質(zhì)的攪拌特性,對(duì)攪拌漿的設(shè)計(jì)有特殊要求。此類攪拌器在食品工業(yè)早已應(yīng)用,日本生產(chǎn)的小型帶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的專門用于纖維素物質(zhì)固態(tài)發(fā)酵的攪拌式小型反應(yīng)器,可供鄉(xiāng)村家庭使用,其發(fā)酵產(chǎn)物可直接用作飼料。江蘇大學(xué)生物工程研究所從20 世紀(jì)90 年代末就致力于開發(fā)固態(tài)物料發(fā)

6、酵系統(tǒng),研制出的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器將物料的混合、滅菌、冷卻、接種、發(fā)酵幾個(gè)工藝過程,集中在一個(gè)工位完成,避免了物料的搬動(dòng),保證微生物生長(zhǎng)所需的環(huán)境條件,防止了雜菌的污染,在技術(shù)上有了新的突破。5.壓力脈動(dòng)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器壓力脈動(dòng)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器設(shè)計(jì)主要是以流體靜力學(xué)理論為基礎(chǔ)(固相培養(yǎng)基靜態(tài)) ,以法向作用力為動(dòng)力源(氣相動(dòng)態(tài)周期作用力) ,強(qiáng)調(diào)生物反應(yīng)器是一個(gè)非線性活細(xì)胞代謝與周圍環(huán)境進(jìn)行質(zhì)量、熱量、能量、信息交換的生態(tài)系統(tǒng),是由生命系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)組成的特定空間,而不是單一的裝置。用無菌空氣對(duì)密閉低壓容器的氣相壓力施以周期性脈動(dòng)。罐體氣相壓力通過無菌空氣進(jìn)行充壓與泄壓。峰壓值一般為1501350 M

7、Pa ,谷壓一般為1103 MPa 。峰壓時(shí)間與谷壓時(shí)間由人為設(shè)定控制,并隨發(fā)酵時(shí)間而變化,一般在對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期變化頻率高,延遲期與穩(wěn)定期頻率小。周期一般為25215 h , 隨需要而定?！皦毫γ}動(dòng)”對(duì)固體培養(yǎng)基是靜態(tài),但對(duì)氣相則是動(dòng)態(tài)。其發(fā)酵設(shè)備的成果處于國(guó)際領(lǐng)先水平。目前,壓力脈動(dòng)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器已成功地從實(shí)驗(yàn)室的2 、50 、800 L 放大到25 m3 、50m3 、70 m3 的工業(yè)級(jí)生產(chǎn)規(guī)模。并對(duì)裝料方式等進(jìn)行了改進(jìn)。應(yīng)用范圍涉及到抗生素、酶制劑、有機(jī)酸、食品添加劑、生物農(nóng)藥和生物肥料等。6.滾筒式固體式發(fā)酵機(jī)一種多功能固態(tài)發(fā)酵設(shè)備，可應(yīng)用于制曲、酶制劑固態(tài)發(fā)酵工程、生物農(nóng)藥固態(tài)發(fā)酵工程

8、、生物色素固態(tài)發(fā)酵工程、工農(nóng)業(yè)廢渣固態(tài)發(fā)酵飼料蛋白工程等場(chǎng)合；集配料、混合、滅菌、冷卻、接種、發(fā)酵于一身，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制通風(fēng)，無菌發(fā)酵操作，溫度自控；整機(jī)低速旋轉(zhuǎn)使發(fā)酵物得到均勻混合，從而有很好的傳熱、傳質(zhì)性能，由于剪切力較低，不會(huì)對(duì)菌絲的正常生長(zhǎng)造成傷害。滾筒容積：6m3、發(fā)酵能力：1噸/批（干基）、功率：3kw、轉(zhuǎn)速：03rpm、電源：220V，50Hz；其它規(guī)格可根據(jù)工程實(shí)際規(guī)模設(shè)計(jì)制造。另外，可提供轉(zhuǎn)盤式固態(tài)發(fā)酵機(jī)、填料床式固態(tài)發(fā)酵池等固態(tài)發(fā)酵技術(shù)及設(shè)備配套；通風(fēng)填料床容量11.5噸干料，不銹鋼篩板床面，消除死角，通風(fēng)均勻，清洗容易，運(yùn)轉(zhuǎn)良好，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的良好控制，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本。

9、 7.臥式固態(tài)物料發(fā)酵罐一種新型可適用絲狀真菌的固態(tài)物料發(fā)酵罐。物料在同一設(shè)備里完成混合、滅菌、接種、培養(yǎng)、出料等整個(gè)過程; 性價(jià)比要高, 有推廣應(yīng)用價(jià)值。本固態(tài)物料發(fā)酵罐為固定臥式罐體, 兩端封頭用法蘭與罐體聯(lián)接, 接有溫、濕度監(jiān)測(cè)儀及排氣孔, 罐體上接有蒸汽及滅菌空氣進(jìn)口, 攪拌葉片呈一定角度排列裝于攪拌軸上, 罐體上裝有進(jìn)料口和出料口, 罐體外有夾套, 夾套外有保溫層。本設(shè)備凡與物料接觸部分均采用不銹鋼制作, 減速機(jī)選用雙級(jí)型擺線針輪減速機(jī), 轉(zhuǎn)速為23r/min。該固態(tài)物料發(fā)酵罐與現(xiàn)有設(shè)備相比, 有以下優(yōu)點(diǎn): 物料直接在罐內(nèi)滅菌、冷卻, 從而避免了物料的二次污染; 在滅菌和發(fā)酵的過程中

10、, 物料通過葉片的正、反轉(zhuǎn), 保證物料的疏松、均勻, 提高了發(fā)酵的均勻性, 縮短了發(fā)酵周期, 提高了生產(chǎn)率; 由于通入無菌空氣, 大大降低了雜菌污染率, 提高了產(chǎn)品的得率和質(zhì)量; 可適用于絲狀菌體的工業(yè)化生產(chǎn)。上述各種固態(tài)反應(yīng)器中,在工業(yè)上已得到應(yīng)用的還是盤式、轉(zhuǎn)鼓式及攪拌式反應(yīng)器,國(guó)內(nèi)對(duì)各種性能固態(tài)反應(yīng)器的研制還剛剛開始。在考慮研制新型固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器時(shí),強(qiáng)制通風(fēng)、溫控,物料不宜長(zhǎng)時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài),能增溫,機(jī)械化程度高,易于操作,便于清洗消毒,投資少等因素是關(guān)鍵。隨著人們對(duì)固態(tài)發(fā)酵過程動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的不斷研究和發(fā)展,不斷揭示固態(tài)發(fā)酵過程的變化規(guī)律,加之系統(tǒng)控制技術(shù)的完善,固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的設(shè)計(jì)會(huì)更加科學(xué)合理,從而使固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)工藝參數(shù)控制達(dá)到最優(yōu)化。參考文獻(xiàn)1李道棠1 生命科學(xué),1992 ,4 (5) :33342