■沈桂宇

（遼寧省農(nóng)牧業(yè)機械研究所有限公司，遼寧沈陽 110036）

固態(tài)發(fā)酵是發(fā)酵工藝中重要的一類，起源于中國，具有幾千年的歷史。近年來，由于固態(tài)發(fā)酵利用的是具有一定濕度的水不溶性固體培養(yǎng)基，具有節(jié)水、節(jié)能的獨特優(yōu)勢，屬于清潔生產(chǎn)技術(shù)逐步得到世界各國的重視而成為研究的熱點，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)廢棄物的利用和低值原料高值化方面均得到了較大的應(yīng)用，特別是土壤修復(fù)、生物燃料、生物飼料、生物解毒等領(lǐng)域取得了顯著進展。研究表明，固態(tài)發(fā)酵與其他培養(yǎng)方式相比具有明顯優(yōu)勢。首先是培養(yǎng)基簡單而且來源廣泛，目前選用的多為便宜的天然基質(zhì)或者工業(yè)生產(chǎn)后的副產(chǎn)物，而且培養(yǎng)基的含水量低，可以大大減少生物反應(yīng)器的體積和對廠房的要求，發(fā)酵過程中或者后期不需要額外的廢水處理，減少了環(huán)境污染。其次固態(tài)發(fā)酵投資少，能耗低，產(chǎn)物的產(chǎn)率較高，后續(xù)處理較簡單，發(fā)酵前期和過程中一般不需要非常嚴(yán)格的無菌操作。此外，固態(tài)發(fā)酵在技術(shù)要求上相對寬泛，如通氣不需要連續(xù)進行，一般可由氣體擴散或者間歇通風(fēng)完成，而且不需要嚴(yán)格的無菌空氣或者單一氣體。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)和檢測手段的應(yīng)用，固態(tài)發(fā)酵在技術(shù)、設(shè)備等方面都得到了進一步發(fā)展，為飼料工業(yè)等提供了新的思路和方法，具有重要的現(xiàn)實意義和理論價值。

1 固態(tài)發(fā)酵技術(shù)研究進展

與液態(tài)發(fā)酵不同，固態(tài)發(fā)酵是一種接近自然狀態(tài)的發(fā)酵，水分活度低而且發(fā)酵不均勻，這使得發(fā)酵技術(shù)上實現(xiàn)固態(tài)發(fā)酵的自動化控制和在線監(jiān)測非常困難，雖然目前有一些關(guān)于固態(tài)發(fā)酵的動力學(xué)研究和模型構(gòu)建，但是仍然缺少完善和通用的數(shù)學(xué)模型，實際生產(chǎn)過程中的經(jīng)驗指導(dǎo)仍然不可或缺。影響固態(tài)發(fā)酵的因素很多，除了基質(zhì)類型和微生物的選擇外，還包括相應(yīng)的發(fā)酵技術(shù)和工藝。當(dāng)然，這些影響因素并不是獨立存在的，彼此之間也存在著緊密的聯(lián)系，甚至在特定的固態(tài)發(fā)酵中，技術(shù)或者工藝層面高低的差異可以直接決定著發(fā)酵產(chǎn)物的優(yōu)劣，因此對于固態(tài)發(fā)酵而言，設(shè)備以外的溫度、水活度、粒徑、氣體等各個主要因素的控制技術(shù)分析和互作研究就顯得尤為重要。

研究表明，微生物在生長和代謝過程中需要釋放大量的熱量，特別是在生長初期尤為明顯，因此溫度是影響微生物生長的重要因素,可以直接關(guān)系到發(fā)酵過程的正常進行和最終產(chǎn)品的生成。同時又由于溫度是一個重要的可以調(diào)節(jié)的參數(shù)，所以在溫度控制技術(shù)上完全可以利用這一特點，根據(jù)不同微生物在固態(tài)發(fā)酵過程中溫度的變化規(guī)律，結(jié)合加熱、通風(fēng)、噴淋等方法調(diào)節(jié)溫度，尤其是在南方夏季氣溫較高的時間，既要保障微生物的快速生長代謝，又避免出現(xiàn)熱量過高引起的微生物菌體生長抑制甚至大量死亡。

盡管固態(tài)發(fā)酵中的微生物是生長在缺乏或幾乎缺乏不可見液體水的顆粒之間，僅從濕的基質(zhì)顆粒中獲得所需的水分，但是研究發(fā)現(xiàn)底物含水量的變化對微生物的生長及代謝能力有重要的影響，而且不同的微生物對水分的要求也不盡相同。過低的水分將降低微生物菌體酶的活性和穩(wěn)定性，影響營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和菌體生長；過高的水分很容易導(dǎo)致物料結(jié)塊和污染雜菌，因此水分控制技術(shù)對于固態(tài)發(fā)酵而言也是很重要的因素。現(xiàn)代研究表明，微生物能否在底物上生長取決于該基質(zhì)的水分活度。水分活度是基質(zhì)中水分存在的狀態(tài)，即水分與基質(zhì)結(jié)合程度，水分活度值越高，結(jié)合程度越低；水分活度值越低，結(jié)合程度就越高。只有水分活度大于某一臨界值時，特定的微生物才能生長。固態(tài)發(fā)酵過程中，隨著環(huán)境的變化基質(zhì)水分活度將降低，所以對同一種發(fā)酵微生物而言，發(fā)酵中后期可以通過增加水分來提高水分活度，以保證菌體的正常生長。

固態(tài)發(fā)酵一般利用農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物，因此原料的預(yù)處理和基質(zhì)粒徑的控制技術(shù)同樣非常重要，研究發(fā)現(xiàn)粒徑可以影響微生物固態(tài)發(fā)酵的效率，因此可以通過物理、化學(xué)等手段和方法控制單位基質(zhì)體積顆粒所能提供的反應(yīng)表面積的大小，旨在為微生物的生長提供充足的營養(yǎng)物質(zhì)和氣體。但是粒徑也并不是越小越好，過小的粒徑會影響到傳質(zhì)傳熱的效率，進而影響微生物的生長和代謝，因此適宜的粒徑控制技術(shù)尤為重要。此外，氣體的控制技術(shù)有助于固態(tài)發(fā)酵過程中氧氣、二氧化碳以及揮發(fā)性代謝物和反應(yīng)熱等的交換，結(jié)合溫度等其他重要工藝參數(shù)，為微生物的生長繁殖提供必要的條件。

2 固態(tài)發(fā)酵設(shè)備研究進展

固態(tài)發(fā)酵中反應(yīng)基質(zhì)以固態(tài)形式存在，與深層液態(tài)發(fā)酵有著顯著區(qū)別，反應(yīng)體系內(nèi)的傳遞過程也極其復(fù)雜，包括氣-固、氣-液、液-固等多種形式。因此固態(tài)發(fā)酵的主要生產(chǎn)設(shè)備即生物反應(yīng)器與液體發(fā)酵反應(yīng)器有著較大的差異，實際上這已經(jīng)成為固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)在現(xiàn)代生物反應(yīng)工程上應(yīng)用的關(guān)鍵。剖析國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，包括淺盤發(fā)酵器、轉(zhuǎn)鼓式發(fā)酵器、旋轉(zhuǎn)圓盤式發(fā)酵機、攪拌式發(fā)酵反應(yīng)器、壓力脈沖固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器、滾筒式固體發(fā)酵機以及臥式固態(tài)物料發(fā)酵罐等。近年來固態(tài)發(fā)酵過程模型的不斷建立和相關(guān)理論的不斷完善，為固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器等關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計和研發(fā)提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，保障了固態(tài)發(fā)酵技術(shù)工藝的實現(xiàn)，促進了大規(guī)模工業(yè)化、現(xiàn)代化和自動化生產(chǎn)應(yīng)用。

在各種固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器中，目前常用的是盤式、轉(zhuǎn)鼓式和攪拌式反應(yīng)器。其中盤式反應(yīng)器又屬于靜態(tài)反應(yīng)器，由一個密室和許多可以移動的托盤組成，是最簡單、最普遍的固態(tài)發(fā)酵設(shè)備，應(yīng)用規(guī)?；a(chǎn)可通過增加或減少托盤數(shù)量來調(diào)節(jié)物料的多少。盤式發(fā)酵中存在占用面積大、散熱效果不理想、耗費勞動力大等問題。轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器適合固態(tài)發(fā)酵的特點，可滿足充足的通風(fēng)和溫度控制，一般包括基質(zhì)床層、氣相流動空間和轉(zhuǎn)鼓壁等組成的多相反應(yīng)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器不同的是轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器基質(zhì)床層并不是鋪成平面，而是由處于滾動狀態(tài)的固體培養(yǎng)基顆粒構(gòu)成。這一類反應(yīng)器在生產(chǎn)和應(yīng)用過程中，有時會出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象，而且轉(zhuǎn)動速率偏大時還存在剪切力對微生物菌絲體生長的影響。攪拌式反應(yīng)器利用機械攪拌器的作用，使空氣和發(fā)酵基質(zhì)充分混合，促進氧的溶解，以保證供給微生物生長繁殖和代謝所需的溶解氧，是一種封閉式的發(fā)酵模式，一般有立式和臥式之分。由于固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)特有的性質(zhì)，因此對于攪拌器的要求較高，有設(shè)計是通過冷卻液在箱體上流動，通過薄壁吸收發(fā)酵箱內(nèi)的熱量，同時攪拌器的不斷攪拌和內(nèi)部通風(fēng)讓固態(tài)物混合均勻、散熱均勻，并且通過空氣來控制發(fā)酵箱內(nèi)部的濕度等參數(shù)。

綜上所述，在研制新型固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器時，通風(fēng)和溫控，物料狀態(tài)，機械化程度，操作清洗等仍然是需要考慮的關(guān)鍵方面，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進步和相關(guān)發(fā)酵工程理論基礎(chǔ)研究的發(fā)展，不斷探究和揭示固態(tài)發(fā)酵過程的變化規(guī)律，加以系統(tǒng)控制技術(shù)的完善，固態(tài)發(fā)酵設(shè)備的設(shè)計也將會更加科學(xué)合理。

3 固態(tài)發(fā)酵在飼料工業(yè)中的應(yīng)用

飼料工業(yè)是畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的基礎(chǔ)，要發(fā)展現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)，首先要發(fā)展飼料工業(yè)，要發(fā)展飼料工業(yè)，就要重視飼料資源的開發(fā)與利用，其中蛋白質(zhì)飼料資源作為飼料非常重要的組分極其重要。應(yīng)用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)蛋白飼料、單細(xì)胞蛋白和菌體蛋白，不僅可以提供大量優(yōu)質(zhì)的飼料蛋白源，而且還能提供具有特殊生理作用的生長因子、益生菌、益生素等功能性物質(zhì)。特別是針對目前飼料蛋白質(zhì)資源嚴(yán)重短缺的現(xiàn)狀，使得固態(tài)發(fā)酵在飼料工業(yè)中的應(yīng)用前景更加廣闊。

固態(tài)發(fā)酵技術(shù)和設(shè)備在飼料工業(yè)中應(yīng)用的主要工藝流程涉及菌種擴大培養(yǎng)、原料預(yù)處理、接種發(fā)酵、干燥包裝等，不同基質(zhì)和發(fā)酵微生物分別對應(yīng)各自合適的溫度、濕度、通風(fēng)等外界條件，并可以通過優(yōu)化實驗來確定。作為固態(tài)發(fā)酵高蛋白飼料，優(yōu)良的菌種是關(guān)鍵，常用的菌種包括釀酒酵母、產(chǎn)朊假絲酵母、熱帶假絲酵母、米曲霉、黑曲霉以及芽孢桿菌、乳酸菌等，隨著生物技術(shù)和現(xiàn)代微生物理論的發(fā)展，目前多采用多菌種混合發(fā)酵，通過利用不同菌株之間的特色和優(yōu)勢，既可以擴大對原料底物的適應(yīng)性，又可以利用菌株之間的協(xié)同作用提高最終產(chǎn)物的蛋白質(zhì)含量和效價。應(yīng)用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)蛋白飼料的原料廣泛，如谷物的糠麩、餅粕類加工副產(chǎn)物以及含有淀粉的工業(yè)廢渣等，因此固態(tài)發(fā)酵前首先進行原料的粉碎等預(yù)處理，粉碎的好壞也是影響發(fā)酵過程工藝和蛋白飼料產(chǎn)率的重要因素。原料粉碎細(xì)致，可以增加原料的利用率，但是過于細(xì)致又會影響氣體等在原料內(nèi)的傳遞，因此，一般可以通過預(yù)實驗來確定原料的粉碎程度。