謝 慧，張 雷，曹勝炎，王風芹，楊 森，張軍峰，宋安東

(1.河南農業(yè)大學生命科學學院農業(yè)部農業(yè)微生物酶工程重點實驗室，河南鄭州450002；2.河南雙成生物科技有限公司，河南漯河463900)

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工業(yè)化固態(tài)發(fā)酵設備研究進展

謝 慧1，張 雷1，曹勝炎2，王風芹1，楊 森1，張軍峰2，宋安東1

(1.河南農業(yè)大學生命科學學院農業(yè)部農業(yè)微生物酶工程重點實驗室，河南鄭州450002；2.河南雙成生物科技有限公司，河南漯河463900)

固態(tài)發(fā)酵技術是處理農業(yè)廢棄物最常用的技術之一。該技術可以根據(jù)不同的農業(yè)廢棄物物理化學成分的差異，合理處理廢棄物并且獲得高產值產品。與傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)酵技術相比，現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術結合了現(xiàn)代發(fā)酵理論與機械自動化等多種學科的特點。多樣的新型固態(tài)發(fā)酵設備已用于實驗室試驗中，但是滿足工業(yè)化需求的大型固態(tài)發(fā)酵設備仍在少數(shù)。近幾年來，隨著社會和政府對環(huán)境問題越來越多的重視，固態(tài)發(fā)酵技術得到極大的發(fā)展。本文中，筆者重點介紹2010年以來報道的噸級固態(tài)發(fā)酵設備及工藝。

固態(tài)發(fā)酵；工業(yè)化；生物反應器；厭氧發(fā)酵設備；農業(yè)廢棄物

中國是世界上農業(yè)廢棄物產出量最大的國家，畜禽糞便、農作物秸稈、蔬菜廢棄物等廢棄物總量超過50億t[1]。近年來，農業(yè)廢棄物的資源化利用向能源化、基質化、飼料化和材料化利用等幾個方面迅速發(fā)展[2]，而固態(tài)發(fā)酵技術憑借其適用范圍廣泛、處理量大、產品價值高等特點，受到很多企業(yè)的青睞。

固態(tài)發(fā)酵技術(solid state fermentation，SSF)是基于一種由高含量的固體、低含水量的液體及適當濃度的氣體組成的三相環(huán)境，在該環(huán)境下，微生物可以正常繁殖并利用周圍的固體基質作為營養(yǎng)或填充物，改善固體基質特性，提高固體基質利用價值，生產高值產品[3]。早在幾千年前，中國人就已經利用固態(tài)發(fā)酵技術生產酒、醋等產品[4-5]。隨著人們對SSF研究的深入以及生物質資源的開發(fā)與利用，促使了SSF在多個領域蓬勃發(fā)展，尤其是食品、酶制劑、環(huán)境、制藥及生物能源等領域[6-10]。

21世紀以來，環(huán)境問題尤為突出，因此，SSF等綠色環(huán)保型技術得到極大的發(fā)展。SSF以工農業(yè)廢棄物為原料，在生產高附加值產品的同時亦能緩解環(huán)境壓力[11]。Zhang等[12]從動力學的角度比較了紫紅曲霉在固態(tài)發(fā)酵和液態(tài)發(fā)酵條件下發(fā)酵甘油的能力，從而肯定了SSF的優(yōu)越性。

微生物的品種決定了固態(tài)發(fā)酵的最終產品類型[13-15]。固態(tài)發(fā)酵過程中，pH、含水量、溫度和氣態(tài)環(huán)境等因素構成微生物的生長環(huán)境，繼而影響最終的發(fā)酵結果[16-19]，而不同基質的底物則具有不同的特性，也會影響發(fā)酵結果[20-21]。

傳質和傳熱是SSF工程化過程中的兩大核心問題[22]。Mao等[23]對甜高粱秸稈固態(tài)發(fā)酵生產乙醇過程中的傳質進行了深入的研究。Chen等[24]研究了氣相雙動態(tài)固態(tài)發(fā)酵過程中質的轉變過程。Casciatori等[25]建立了填充床固態(tài)發(fā)酵過程中的水與熱轉變模型。Foong等[26]研究了流化床發(fā)酵棕仁餅過程中熱與質的轉移特性。

以上所有因素都是固態(tài)發(fā)酵反應器設計時所需要考慮的。除此以外，SSF所使用的菌種對設備的要求(是否存在菌絲、是否耐受攪拌、是否需要無菌環(huán)境)也會影響到反應器的設計[27]。傳統(tǒng)的SSF有托盤反應器(未曝氣-未攪拌式)、填充床反應器(曝氣-未攪拌式)、轉筒反應器(未曝氣-攪拌式)、氣固流化床反應器(曝氣-攪拌式)等[28]。許多新型的SSF反應器僅限于實驗室使用，還無法投入工業(yè)生產中[29-33]，傳統(tǒng)的工業(yè)化固態(tài)發(fā)酵反應器技術相對落后，不能滿足現(xiàn)代化的生產需求。

隨著機械化水平和數(shù)控技術的提升以及SSF理論的完善，更多新型的工業(yè)化固態(tài)發(fā)酵反應器被開發(fā)出來，并且投入生產。本文中，筆者將綜述固態(tài)發(fā)酵反應器工業(yè)放大的難題，并重點介紹2010年來投入到工業(yè)生產中的固態(tài)發(fā)酵反應器及其配套的生產設備。

1 固態(tài)發(fā)酵反應器的設計與放大

現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術分為上游工程、中游工程、下游工程和輔助工程四個部分。上游工程包括菌種選育和培養(yǎng)、培養(yǎng)基的選擇與預處理；中游工程包括設備的選擇、發(fā)酵過程工藝；下游工程包括提取、純化；輔助工程包括氣流滅菌及控制、水源處理及控制、溫度控制等[34]。

反應器是整個SSF的核心，如何最大化獲得產品的關鍵在于反應器的設計。成功的反應器應具備如下特點：①反應器必須具備抗腐蝕能力，而且不能對微生物有毒害作用；②嚴格阻止外界微生物進入反應器內部，并且反應器內部的微生物也不會飄散到外界；③有效控制曝氣、攪拌和溫度；④通過特殊方式使得反應過程中熱質均勻；⑤具備底物滅菌、接種和產品回收等功能[27]。在放大過程中需要考慮如下參數(shù)：①攪拌；②通氣與氧傳遞；③溫度；④水分；⑤濕度；⑥pH。不同微生物對發(fā)酵環(huán)境中的需氧要求也不同，厭氧微生物不需要O2，而需氧微生物由于在固體基質表面生長并使基質變黏，易造成局部缺氧，從而影響到微生物生長。通氣與攪拌是常用的增加氧傳遞的方法，同時能增加熱交換效率。不同的攪拌方式對微生物的剪切力不同，而不同微生物對剪切力的承受能力也不同。微生物的生長受多種酶促反應的調節(jié)，故而溫度及pH的控制對發(fā)酵影響很大。水的含量能夠影響基質的氣體交換以及膨松程度，從而影響微生物的生長環(huán)境。發(fā)酵后期，溫度、通風以及微生物的呼吸均會降低基質中的水分。蘇東海等[16]利用50 L固態(tài)發(fā)酵罐研究了底物濕度對康氏木霉和耐高溫釀酒酵母兩種微生物利用秸稈發(fā)酵乙醇的影響。

放大過程中最艱巨的任務就是為微生物營造適宜于發(fā)酵過程的環(huán)境[18]。而固態(tài)原料及微生物的多樣性增加了反應器控制發(fā)酵過程的難度，所以反應器的設計必須建立在動力學和化學計量學的基礎上[3]。此外，還需要根據(jù)微生物的習性設計是否需要攪拌或是曝氣功能。也正是由于過程的復雜性，導致了一些工程學問題，例如過程標準化困難、再現(xiàn)性差[7]，而這正是固態(tài)發(fā)酵反應器工業(yè)放大的限制因素。

2 固態(tài)發(fā)酵工業(yè)化設備

2.1 攪拌式固態(tài)反應器

鄭好軫等[35]設計一種攪拌式固態(tài)反應器，并用此設備生產紅曲。該固態(tài)發(fā)酵設備包括發(fā)酵罐、供給管、供給泵、攪拌葉片、驅動裝置、熱交換器、收集桶及支架，結構如圖1所示。攪拌裝置安裝在供給管上，并與發(fā)酵罐內的驅動裝置連接。除此以外，發(fā)酵罐上還有溫度、濕度和壓力檢測器。發(fā)酵罐與周邊設備均與中央電子控制板連接。

1—發(fā)酵罐；2—供給管；3—供給泵；4—收集桶；5—渦輪減速器；6—電動機；6-1—逆變調速器；7—支架；8—閥門；8-1—手機閥；9—平衡板；10—空氣流量計；11—開口部；12—測量器；13—觀察窗；14—排列盤；15—攪拌葉片；16—供給口；16-1—流出口；17—隔離壁；18—灑水管；19—熱交換器；20—中央電子控制器；21—空壓機；21-1—空氣過濾器；22—蒸汽鍋爐；23—微生物種子罐圖1 攪拌式固態(tài)反應器[35]Fig.1 Mixing type solid state fermentation reactor[35]

生產紅曲的過程：預先加入1.1 t的谷物(大米、大麥、小麥和玉米等)和1.1 t無菌水，浸泡、清洗。清洗結束后，排水。通入水蒸氣滅菌后，接種紅曲110 kg，按1 r/min的轉速攪拌15 d，發(fā)酵結束后再通入高壓蒸汽滅菌，經熱風干燥后即可獲得莫納克林K含量5 mg/g以上及桔霉素含量0.01 mg/kg以下的紅曲1 t。

攪拌式固態(tài)反應器是一種相對傳統(tǒng)的固態(tài)反應器。早在20世紀90年代，集合了混合、滅菌、冷卻、接種和發(fā)酵于一身的反應器就已經成型。該設備專用于藥用紅曲的生產，在密封性上有所加強，能有效地防止雜菌污染及霉菌毒素產生。此外，經過長期對發(fā)酵罐的旋轉速度、方向、溫度、濕度、壓力及空氣流速的測試，能達到全自動化生產要求，從而生產同批同質的產品。發(fā)酵產生的紅曲在功能性和安全性上均超過了韓國功能性紅曲的國家標準。

2.2 彈簧式固態(tài)厭氧反應器

陳洪章等[36]設計了一種彈簧式固態(tài)厭氧反應器，用于甜高粱生產乙醇、丁醇。反應器的結構如圖2所示，反應器內部安裝豎排彈簧鋼管，在外部電機控制的曲軸連桿的帶動下進行周期性伸縮運動。

1—反應器罐體；2—進料口；3—出料口；4—彈簧鋼管；5—外部電機；6—曲軸連桿；7—外部夾套圖2 固態(tài)厭氧發(fā)酵反應器[36]Fig.2 Solid anaerobic fermentation reactor[36]

該反應器體積為5 m3，裝料系數(shù)0.6。裝料前調節(jié)加熱套中的水溫，然后從進料口加入已滅菌的新鮮甜高粱莖干，并接入種子液。打開電機使曲軸連桿帶動彈簧伸縮運動，運動周期為10～200 min/次。用該設備分別進行甜高粱乙醇、丁醇發(fā)酵，最終物料中所含乙醇和丁醇的質量分數(shù)為12%和8%。

彈簧式固態(tài)厭氧發(fā)酵反應器內部采用多個豎排彈簧伸縮運動，物料在此過程中受到擠壓和釋放，從而強化了物料的傳質傳熱。利用伸縮過程替代攪拌等行為，避免了剪切力對微生物的傷害。彈簧的運動周期和強度可根據(jù)微生物實際生長情況進行調節(jié)。在乙醇、丁醇生產試驗中，差異性外源周期作用可以誘導合成特異性蛋白，從而提高發(fā)酵效果。該設備主體結構簡單，有利于規(guī)?；a。

2.3 呼吸式固態(tài)反應器

陳洪章等[37]設計了一種呼吸式固態(tài)反應器，并用于生產纖維素酶、黃原膠和克拉霉素，結果如圖3所示。該反應器結構由可承壓的雙罐體、呼吸式充排氣系統(tǒng)和液體循環(huán)系統(tǒng)組成。發(fā)酵罐的基本結構為一個圓柱體，高徑比為(1∶ 0.5)～(1∶ 10)，采用不銹鋼和碳鋼加工制成。圓柱內安裝多層惰性載體。罐蓋上有溫度、濕度、壓力檢測器及放氣閥，而罐內放有多層物料托盤。關閉罐蓋后通入飽和蒸汽實現(xiàn)滅菌。

1—罐壁；2—料盤；3—培養(yǎng)基；4—往復泵；5—控流電磁閥；6—控流電磁閥；7—控流電磁閥；8—控流電磁閥；9—進液閥；10—放氣閥；11—壓力傳感器；12—軸封；13—布流器；14—蠕動泵；15—進氣閥；16—過濾器；17—排污閥；18—A罐蒸汽閥；19—B罐蒸汽閥；20—蒸汽管；21—發(fā)酵液或無菌水；22—O型圈；23—凹槽；24—料盤底；25—十字架；26—網眼；27—罐蓋圖3 呼吸式固態(tài)發(fā)酵反應器[37]Fig.3 Self-breathing solid state fermentation reactor[37]

生產黃原膠所用的罐體，直徑2 m，罐體圓柱體高2 m，體積為6.28 m3，罐底部圓錐錐形角度為120°，錐形體積為0.524 m3。從發(fā)酵罐上層添加培養(yǎng)液和種子液，經托盤惰性載體吸收，多余液體順著空隙進入下一層惰性載體中。通過控制兩罐之間的壓力，來實現(xiàn)氣流一“吸”一“呼”的流動。發(fā)酵結束后，回收惰性載體及管底發(fā)酵液，提取和純化產品。

該反應器在發(fā)酵過程中通過呼吸式充排氣系統(tǒng)，將一個罐體內的空氣部分交替抽出，充入另一個罐體中，然后抽氣的發(fā)酵罐吸入新鮮的空氣，充氣的罐體迅速排氣，兩罐交替充排。利用此方法，可排出發(fā)酵廢氣，并沖入新鮮空氣。此外，通過調節(jié)發(fā)酵氣體中O2與CO2的濃度，刺激微生物的生長及發(fā)酵。反應器內部周期性的壓力變化對微生物形成周期刺激，有利于促進微生物生長。該反應器既能適應于普通的固態(tài)發(fā)酵，又能用于惰性載體固態(tài)發(fā)酵。該設備內部不存在機械部件，更加增加了設備的可信度。此外，該設備在傳統(tǒng)淺盤反應器的基礎上，引入了周期性外源壓力刺激，并且在過程控制上要遠高于淺盤反應器。但是，仍然未能避免淺盤反應器無法進行規(guī)模化生產的弊端，目前也僅限于酶制劑和功能性物質的生產。

2.4 臥式厭氧發(fā)酵反應器

嚴玉平等[38]設計一種臥式厭氧發(fā)酵反應器，并用于有機廢棄物沼氣發(fā)酵。該反應器由發(fā)酵罐罐體和基座組成，結構如圖4所示。在罐體下方有取樣口、排沙口和進料口。在罐體上方安裝有溫度計、壓力表、排氣口、出料口和觀察口。發(fā)酵罐一端封閉，另一端由電機與內部攪拌軸相連，攪拌軸上有攪拌槳。罐體內前1/3區(qū)域有加熱盤管，分別有加熱管入口及出口。罐體中軸線與水平線夾角為4°～8°，罐內溫度控制在30～40 ℃。罐體長度7.8 m，直徑1.5 m，管壁厚度1 cm。攪拌漿長度為1.5 m，攪拌槳體側中線與攪拌軸中線呈85°傾斜，并且要使攪拌軸軸向螺旋分布，兩相鄰的攪拌槳體中心線間夾角取30°。

1—驅動電機；2—前封蓋；3—臥式發(fā)酵罐體；4—后封蓋；5—加熱管入口；6—加熱管盤；7—加熱管出口；8—攪拌軸；9—攪拌槳體；10—進料口；11—出料/排氣口；12—溫度計；13—壓力表；14—觀察口；15—取樣口；16—排沙口；17—基座；18—出料口底座圖4 臥式厭氧發(fā)酵反應器[38]Fig.4 Horizontal type anaerobic fermentation reactor[38]

該類型的反應器適用于農業(yè)廢棄物的能源化利用。

此反應器采用水平推流工藝可實現(xiàn)高濃混合厭氧發(fā)酵和高物料轉化率，并且能將沼液回流，達到二次利用。此外，根據(jù)發(fā)酵底物的分布，合理分配了攪拌槳的數(shù)量及加熱管的位置。內部結構緊湊，使得設備熱損失和攪拌能耗低，具有較好的經濟性。此反應器最大的特點在于采用低轉速的螺旋式攪拌方式，實現(xiàn)高濃度條件下(含水率在82%～88%)的厭氧混合發(fā)酵，同時，物料轉化率達到50%～65%。此外，該設備可以與全混式厭氧反應器結合，提升沼氣工程的運行效率。

2.5 秸稈沼氣預處理發(fā)酵自動破殼一體化反應器

張博等[39]設計一種秸稈沼氣預處理發(fā)酵自動破殼一體化反應器。該反應器具有連續(xù)進出料運行能力，實現(xiàn)秸稈預處理、自動破殼及兩相一體化厭氧發(fā)酵沼氣。反應器主要由自動進料系統(tǒng)、預處理區(qū)、固相發(fā)酵區(qū)和液相發(fā)酵區(qū)組成，結構如圖5所示。

1—出料池；2—固相出料閥；3—液相閥；4—固相發(fā)酵區(qū)；5—導氣管；6—刀片；7—進料裝置；8—傳送帶；9—進料斗；10—出氣閥；11—雙膜氣柜；12—管路；13—預處理池；14—液相發(fā)酵區(qū)；15—沼液循環(huán)泵圖5 秸稈沼氣預處理發(fā)酵自動破殼一體化反應器[39]Fig.5 Straw biogas fermentation integral reactor[39]

該設計中，每日進料量為1 m3，預處理單元體積為3 m3，循環(huán)沼液體積為1 m3，儲氣區(qū)容積為2.4 m3，固相區(qū)高度1.1 m；液相區(qū)高度2.5 m，發(fā)酵罐總高度為5.2 m，徑高比為0.68，固相區(qū)有效容積為16.34 m3，液相區(qū)有效容積為24.04 m3。

夜雨觀瀾：改革開放40年，中國之所以取得巨大的成就，真的就是因為觀念的改變。今天我們面對新的形勢，新的問題，依然需要不斷改革與創(chuàng)新，與時俱進。當然，一個國家有了企業(yè)家才能構成創(chuàng)新的社會這個要素，同時管理這個國家的行政機構也需要創(chuàng)新，這樣才能真正形成創(chuàng)新的社會。

在該反應器中，通過將溢流的沼液回流到固相，并對發(fā)酵原料產生沖擊攪拌作用，實現(xiàn)液力攪拌功能。同時利用液位升降和十字形的螺旋刀片對發(fā)酵秸稈產生的剪切力進行切割，實現(xiàn)自動破殼。此反應器解決了目前秸稈沼氣發(fā)酵過程中存在的秸稈親水性差、易結殼及進出料難等問題。利用兩相發(fā)酵，極大地提升了沼氣的產量，并降低了排污負荷。此外，該一體化反應器具有結構簡單、操作方便以及節(jié)省運行動力等優(yōu)點。

2.6 轉筒式固態(tài)發(fā)酵反應器

Wang等[40]報道了一種轉筒式厭氧固態(tài)發(fā)酵反應器，并用于甜高粱生產乙醇。

轉筒式固態(tài)發(fā)酵反應器外形為圓柱形，不銹鋼材質，直徑1 m，長5 m，體積達5 m3。結構如圖6(a)所示，反應器內部由固體發(fā)酵床和頂空氣體組成，被反應器外殼和隔絕層包裹著。轉盤構造如圖6(b)所示，第二部分(中段)正常固定，但第一部分(前段)和第三部分(后段)向反應器外殼傾斜固定。整個轉盤水平傾斜5°。

1—皮帶輸送機；2—粉碎機；3—種子罐；4—滾筒生物反應器；5—氣體出口；6—蒸汽罐；7—蒸汽；8—熱交換器；9—乙醇混合液脫水裝置；10—固體廢渣下游處理工藝圖6 轉筒固態(tài)發(fā)酵反應器及其中試系統(tǒng)[40]Fig.6 Rotary drum bioreactor and pilot system[40]

Wang等[40]利用酵母菌TSH-SC-1發(fā)酵甜高粱秸稈進行中試生產乙醇。中試過程如圖6(c)所示，包括皮帶輸送機、粉碎機、種子罐、轉筒生物反應器、氣體出口、蒸汽罐、熱交換器、乙醇混合液脫水裝置和固體廢渣下游處理工藝。發(fā)酵結束后，固體基質轉移到蒸汽罐內，并通入低壓蒸汽，粗制乙醇液從蒸汽罐上出口進入下游熱交換器中濃縮，而固體廢渣則進行下一步處理。Wang等[40]成功建立了5 m3轉筒式固態(tài)發(fā)酵罐的菌種生長、糖消耗及乙醇發(fā)酵模型。該模型可以指導更大規(guī)模的轉筒式固態(tài)發(fā)酵罐研制和生產。

2.7 車廂式固態(tài)發(fā)酵反應器

Qian等[41]報道了一種車廂式固態(tài)發(fā)酵反應器，并構建了城市垃圾生產生物氣體平臺。該平臺包括兩條處理線，每個處理線有6個400 m3的車廂式厭氧反應器(長24 m，寬4 m，高2.4 m)，結構如圖7所示。每條處理線配備一個600 m3的滲透液儲存塔(長24 m，寬4 m，高6.2 m)。每日處理垃圾量100 t，生產8 000 m3的氣體。車廂式厭氧反應器主要用于垃圾處理，單批次處理能力大，且設備要求簡單，經濟性強。厭氧發(fā)酵過程中滲出液流入儲存塔內并循環(huán)噴灑在廢物上，而儲存塔內又可以進行長期液態(tài)發(fā)酵。滲出液得到合理利用，提高了廢棄物的處理能力，并且降低了廢水處理成本。

Li等[42]報道了一種連續(xù)固態(tài)發(fā)酵罐，長55 m，直徑3.6 m，并以此裝備為核心，設計了酵母菌TSH1發(fā)酵甜高粱生產乙醇的生產線。該生產線包括：原料粉碎、酵母接種、連續(xù)固態(tài)發(fā)酵、連續(xù)固態(tài)蒸餾、乙醇濃縮和酒糟處理，結構如圖8所示。連續(xù)固態(tài)發(fā)酵反應器內部為波紋螺旋結構，一邊將物料從入口推送到出口，一邊攪拌。秸稈從入口到出口的時間，即為發(fā)酵周期。發(fā)酵時間受轉速控制，而反應器轉速調節(jié)范圍為0.02～0.25 r/min。

16 t甜高粱乙醇發(fā)酵過程如下：經粉碎后的甜高粱秸稈用皮帶輸送機運送到發(fā)酵罐中，運送過程中將其提前預熱至28 ℃。固體裝填量為68%，含水量在70%左右，接菌量為1 g甜高粱秸稈接種1～2 mg細胞，發(fā)酵時間為24 h。最終生產出6.62 t粗乙醇(包含1 t 99.5%的乙醇)以及16.42 t的酒糟。

連續(xù)轉筒固態(tài)發(fā)酵反應器最大的特點在于可連續(xù)生產。連續(xù)的低速旋轉，能有效地混合固相。在發(fā)酵過程中，菌體無法靜置在某一區(qū)域生長，從而達到量均勻的效果。并且，連續(xù)旋轉也使得熱量無法堆積，從而獲得穩(wěn)定的發(fā)酵環(huán)境。

圖7 車廂式厭氧發(fā)酵反應器[41]Fig.7 Garage-type dry fermentation reactor[41]

圖8 甜高粱秸稈生產乙醇固態(tài)發(fā)酵生產流程圖[42]Fig.8 Process diagram of advanced solid state fermentation[42]

2.9 多層翻板式固態(tài)發(fā)酵床

筆者曾報道一種多層翻板式固態(tài)發(fā)酵床[43]，并成功用于豆粕發(fā)酵。該裝置具有微生物固態(tài)物料的水平培養(yǎng)床、翻板式物料攪拌器、自動控制溫度濕度、自動傳感器和無菌空氣供應等集成系統(tǒng)，并以該固態(tài)發(fā)酵床建立了一條全自動豆粕發(fā)酵生產線，該生產線中包括原料處理裝置、原料配料混合裝置、發(fā)酵裝置和干燥包裝裝置，結構如圖9所示。

此裝置由自下而上橫向設置的塔形發(fā)酵室、刮板布料器、緩沖出料斗和出料刮板輸送機組成，該固態(tài)發(fā)酵裝置分10層(頂層為1個布料層、底層為1個出料層和中間8個發(fā)酵層)，長30 m，寬1.5 m，高21 m，占地面積為50 m2，結構如圖10所示。

10 t豆粕發(fā)酵試驗過程如下：豆粕經輸送帶輸送至配料系統(tǒng)中，接菌攪拌均勻后，由提升機輸送到布料層。布料層布滿后，開啟下層翻板，豆粕受重力作用落入第一層發(fā)酵室，翻板關閉。布料層清空后繼續(xù)裝料。當再次布滿時，第一層發(fā)酵室下方翻板打開，使得第一層物料落入第二層發(fā)酵室中。第一層發(fā)酵室清空，翻板關閉，而布料層的翻板打開，布料層物料進入第一層發(fā)酵室。布料層清空，翻板關閉，接續(xù)布料。運行過程，依次類推，直至發(fā)酵物料落入最下層出料層。發(fā)酵結束后的物料經輸送帶輸送到干燥機內，干燥結束后，輸送至粉碎機，粉碎后直接包裝。成品豆粕水分質量分數(shù)≤9%，粗蛋白質量分數(shù)≥47%，酸溶性蛋白質量分數(shù)≥7%，KOH溶解度≥75%。

1—工控機；2—原料處理系統(tǒng)；3—配料混合系統(tǒng)；4—發(fā)酵系統(tǒng)；5—刮板布料器；6—緩沖出料斗；7—出料刮板輸送機；8—擺式布料器；9—第二斗式提升機；10—發(fā)酵室箱體；11—進風口通道；12—排風口通道；13—溫濕度傳感器；14—投料斗；15—螺旋輸送機；16—汽爆機；17—第一斗式提升機；18—圓筒篩分機；19—旋轉分配機；20—配料倉；21—配料秤斗；22—混合機；23—緩沖斗；24—輸送機；25—菌液添加裝置；26—出料刮板輸送機；27—物料干燥系統(tǒng)；28—脈沖除塵機；29—進風電動閥；30—排風電動閥；31—鼓風機；32—抽風機圖9 組合式固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)[43]Fig.9 Combined-type solid state fermentation system[43]

1—刮板布料器；2—擺式布料器；3—提升機；4—緩沖出料口；5—出料刮板輸送機；6—發(fā)酵床；7—溫濕度傳感器；8—料位檢測器；9—進風口通道；10—排風口通道；11—溫濕度調節(jié)裝置圖10 自動化多層翻板式水平發(fā)酵床結構圖[43]Fig.10 Structure diagram of automatic multi-layer fermentation[43]

該類型的反應器占地面積小，能合理利用空間布局進行大規(guī)模生產。單批和連續(xù)生產能力強，適合農業(yè)廢棄物的固態(tài)發(fā)酵。依靠物料自身重力作用能有效釋放內部的熱量，降低成本。但是，該反應器適用于短時間的固態(tài)發(fā)酵，發(fā)酵時間過長，仍會堆積熱量。

3 工業(yè)化固態(tài)發(fā)酵反應器功能和特點比較

固態(tài)發(fā)酵技術在工業(yè)化生物制品加工和產品開發(fā)上有著十分光明的前景。當前工業(yè)化固態(tài)發(fā)酵反應器功能和特點比較見表1。這9種工業(yè)化固態(tài)發(fā)酵反應器中，除第一種以淀粉質材料作為原料，其他的反應器均可以以農業(yè)廢棄物(秸稈、有機廢棄物、固體垃圾等)作為原料。其中6種反應器用于生產沼氣、乙醇等新型生物能源，1種反應器用于生物飼料生產。上述7種均為大規(guī)模處理農業(yè)廢棄物的反應器，剩余2種反應器，用于生產高附加值的產品。

受到國內環(huán)境、農業(yè)、能源等問題及發(fā)酵產品市場需求的影響，國內固態(tài)發(fā)酵設備的研制也得到很大的進步。目前，國內使用的固態(tài)發(fā)酵設備大部分已經能夠實現(xiàn)機械化和自動化生產，完全脫離人工操作尚有一定距離。農業(yè)廢棄物處理仍是固態(tài)發(fā)酵發(fā)展的主流方向。從固態(tài)發(fā)酵設備的應用方向來看，主要體現(xiàn)在利用生物質材料發(fā)酵生產乙醇、丁醇等物質，提高生物質材料的營養(yǎng)價值以及利用廢棄物生產沼氣三個方面。功能性產品市場廣闊，需求量大，但產品品質要求高。擴大處理量、優(yōu)化發(fā)酵過程控制以及提高產品質量依然是固態(tài)發(fā)酵設備設計的主要問題。上述的反應器中嘗試了多種方案去降低質、熱不均的影響，并為后續(xù)固態(tài)發(fā)酵設備提供了思路和經驗，但傳質傳熱問題，仍是固態(tài)發(fā)酵設備研制的一個重大問題。

表1 工業(yè)化固態(tài)發(fā)酵反應器功能和特點

4 結語

利用農業(yè)廢棄物生產生物能源是中國固態(tài)發(fā)酵技術應用的發(fā)展方向之一。在農業(yè)廢棄物的生物轉化過程中，所使用的生物反應器規(guī)模遠高于生產高附加值的反應器。高附加值的生物產品要求更好的發(fā)酵過程控制，這對更大規(guī)模的固態(tài)發(fā)酵來說是新的挑戰(zhàn)。即便固態(tài)發(fā)酵反應器均具備機械自動化、智能化、實時檢測等特征，極大地降低了操作員的勞動強度，提高了發(fā)酵過程的傳質傳熱，但是底物的利用率及產品的質量仍是工業(yè)化固態(tài)發(fā)酵的難題。

隨著經濟發(fā)展和人民生活水平的日益提高，廢棄物的數(shù)量會不斷地增長。固態(tài)發(fā)酵技術作為廢棄物處理最為有效的方式之一，其規(guī)模必然需要擴大，這主要包括固態(tài)發(fā)酵企業(yè)的增多、應用領域的增加，更主要的是固態(tài)發(fā)酵設備生產能力的提高。而生產能力的提高則需要更大型固態(tài)發(fā)酵設備以及控制能力更強的系統(tǒng)。

在傳統(tǒng)的托盤式、填充床式、滾筒式及流化床式固態(tài)發(fā)酵反應器的基礎上，固態(tài)發(fā)酵設備的研制走向多樣化。近些年來，多種不同形態(tài)及功能的固態(tài)發(fā)酵設備應用于實驗室試驗或小試生產。2000—2009年申報的固態(tài)發(fā)酵專利數(shù)量為57項，年均專利數(shù)5.7項，其中設備類專利為16項，年均專利數(shù)1.6項，占固態(tài)發(fā)酵專利28%的份額；2010—2015年申報的固態(tài)發(fā)酵相關的專利達到220項，年均專利數(shù)36.7，是過去10年年均專利數(shù)的6.4倍，其中，設備類專利達到85項，年均專利數(shù)達到14.2，是過去10年年均專利數(shù)的8.8倍，設備類專利占固態(tài)發(fā)酵專利的38%；2016年固態(tài)發(fā)酵相關專利達到71項，是2010—2015年年均專利數(shù)量的1.93倍，其中設備類專利44項，是2010—2015年年均專利數(shù)量的3.1倍。到2016年為止，固態(tài)發(fā)酵及其設備的專利數(shù)量上升迅速，并且比重增長明顯。長久的基礎研究為固態(tài)發(fā)酵設備的設計、研制、控制及生產提供了寶貴的理論知識。隨著環(huán)保意識的提高，固態(tài)發(fā)酵技術得到社會的認可，工業(yè)化進程加快，推動了固態(tài)發(fā)酵設備的研制與開發(fā)。2016年，在申請的固態(tài)發(fā)酵相關專利中，設備類專利已經達到61.9%，這意味著更多的企業(yè)具備了獨立設計和生產設備的能力，同時也意味著企業(yè)更加注重具有自主產權的設備。

自動化是工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，它可以替代人工完成所有的生產工序，并且及時反饋發(fā)酵過程中的各項參數(shù)，通過建立模型預測并控制著產品的質量。目前，尚未有全自動化的生產線，并且在參數(shù)檢測上仍然采用探測頭檢測，相對來說探測范圍狹窄，并且需要通過及時抽樣檢測才能判斷產品質量，存在滯后性。固態(tài)發(fā)酵設備的自動化程度仍需進一步提高。

近幾年，固態(tài)發(fā)酵工業(yè)化設備的開發(fā)與應用蒸蒸日上，尤其在中國，多種自動化、機械化和大型化的發(fā)酵設備已經投入生產，促進了我國生物發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展。但是如何克服傳質和傳熱的問題，最終生產出質量均一且優(yōu)秀的產品，仍然是固態(tài)發(fā)酵的一大難題。隨著國家對制造工業(yè)的重視以及固態(tài)發(fā)酵理論的延伸，越來越多的固態(tài)發(fā)酵工業(yè)化設備將會從實驗室投入到社會生產中，推動發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展。

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(責任編輯 管珺)

Advance of industrialized solid-state fermentators

XIE Hui1,ZHANG Lei1,CAO Shengyan2,WANG Fengqin1,YANG Sen1,ZHANG Junfeng2,SONG Andong1

(1. Key Laboratory of Enzyme Engineering of Agricultural Microbiology,Ministry of Agriculture,College of Life Science,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China; 2. Henan Successing Biotechnology Co.,Ltd., Luohe 463900,China)

Solid-state fermentation can be widely used in food, environment, pharmacy, feed and other fields. Low energy requirement, less wastewater, cheap substrates and simple process control are the advantages. Along with the development of solid-state fermentation, solid-state fermentors also need to develop. Challenges in design and operate of solid-state fermenters are emerging. In recent decades, mechanical engineering and on-line automation played the guiding roles in designing of solid-state fermentors. Here, we review the advances in solid-state fermenters that are developed since 2010s.

solid state fermentation; industrialization; bioreactor; anaerobic fermentation reactor; agricultural waste

10.3969/j.issn.1672-3678.2017.03.008

2016-09-12

河南省科技創(chuàng)新人才計劃(164100510016)；河南省科技開發(fā)合作項目(162106000014)；河南省高?？萍紕?chuàng)新團隊(15IRTSTHN014)

謝 慧(1979—)女，河南焦作人，講師，研究方向：農業(yè)生物質轉化；宋安東(聯(lián)系人)，教授， E-mail:song1666@126.com

TQ920.5

A

1672-3678(2017)03-0042-11