唐 堂， 王 琪， 周衛(wèi)強， 湯維濤， 陳 博， 盧宗梅， 李 義,4， 王曉健， 彭 超*， 佟 毅,4*

1.中糧營養(yǎng)健康研究院有限公司，北京 102209；2.營養(yǎng)健康與食品安全北京市重點實驗室，北京 102209； 3.中糧生物科技股份有限公司，安徽 蚌埠 233010；4.玉米深加工國家工程研究中心，吉林 長春 130033

固態(tài)發(fā)酵(Solid-state fermentation, SSF)是一種應用早但研究較晚的生物發(fā)酵技術。早在數(shù)千年前，世界各地的酒類、乳制品等制作工藝中可以見其端倪。近代，人們開始系統(tǒng)研究固態(tài)發(fā)酵也要追溯到20世紀70年代中期。近年來，成規(guī)模的固態(tài)發(fā)酵反應器研發(fā)有了十分顯著的進展[1]，其在提升固體原料利用價值、生產(chǎn)高值產(chǎn)品[2]方面有著突出的貢獻。

固態(tài)發(fā)酵主要指微生物在濕潤固體表面或顆粒間隙中生長，同時伴有少量水和一定量的通氣。顆粒間的水主要附著在其表面，顆粒間隙被菌絲體、水和氣體所填滿，這些氣體既有為了保證發(fā)酵進行而通入的空氣，也有菌體生長產(chǎn)生的廢氣。正是由于缺少流動的水，因此固態(tài)發(fā)酵與深層液體發(fā)酵相比，其對反應體系的均一性要求也就尤為迫切。如何讓反應體系均勻地動起來，也是固態(tài)發(fā)酵研究和反應器研發(fā)時所要面臨的主要問題。影響固態(tài)發(fā)酵的因素較多，一方面取決于微生物類型的選取和規(guī)模，此外溫度、水活度、基粒攪拌等因素對其也有很大影響。固態(tài)發(fā)酵應用廣泛，在食品生產(chǎn)、飼料加工、生物能源、酒業(yè)釀造和生物防治等領域均有涉獵。近年來隨著固態(tài)發(fā)酵的新設備及工藝不斷研發(fā)，固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)能大幅提高，酒業(yè)巨頭五糧液集團計劃在2020年新增12萬噸純能固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)能，總產(chǎn)能將達到22萬噸。隨著現(xiàn)代生物技術和檢測手段的不斷進步，固態(tài)發(fā)酵在技術應用和設備等方面都得到了進一步發(fā)展，固態(tài)發(fā)酵常見設備類型及其優(yōu)缺點如表1所示。

1 影響固態(tài)發(fā)酵的因素

固態(tài)發(fā)酵一般會受到溫度、通風、攪拌等多種因素影響[3]。這些影響因素相互關聯(lián)，但又相互制約。例如一味地追求充分攪拌會在一定程度上緩解通氣不足和傳質(zhì)不均的問題，但是對于一些真菌發(fā)酵來說，高頻攪拌會導致顆粒間的菌絲斷裂，影響發(fā)酵水平。本文列舉了幾個在固態(tài)發(fā)酵過程中較為重要的影響因素，以期研究人員對固態(tài)發(fā)酵有更好的理解和認識。

表1 固態(tài)發(fā)酵的設備及其優(yōu)缺點

1.1 固態(tài)發(fā)酵的能量交換

大多數(shù)固態(tài)發(fā)酵案例都是在有氧條件下進行，而氧氣主要來源于連續(xù)的氣相，能耗較低[4]。實驗室和工業(yè)生產(chǎn)一般都使用潔凈空氣作為氧源。菌體消耗氧氣并產(chǎn)生CO2等尾氣，所通入的空氣穿過基質(zhì)后減少了氧氣，增加了廢氣，同時帶走了基質(zhì)中的水汽和熱量。一般而言，在尾氣口排出的氣體溫度會比進入時高，并且尾氣口處受溫差影響也會有較多的冷凝水。

氣體通過基質(zhì)時受到基質(zhì)內(nèi)部熱量的影響，會形成一定流速的熱風。這些熱風會使基質(zhì)中的水分慢慢蒸干，導致水活度降低。發(fā)酵床層含水量過大，芽孢、晶體游離晚，極易限制營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，還會影響通風效果，導致發(fā)酵周期延長；如果含水量過低，則會影響培養(yǎng)基中各種營養(yǎng)和水分的吸收利用，會使發(fā)酵受抑制[5]。在固態(tài)發(fā)酵反應器設計的時候，需要考慮補水和有效的熱交換。固態(tài)發(fā)酵底物基質(zhì)顆粒中的水平衡機理如圖1所示。底物水解所需的水量、代謝水的產(chǎn)生量、微生物的吸水量和水分蒸發(fā)的損失量四者共同維持內(nèi)部水的動態(tài)平衡[6]。蒸發(fā)到菌體外的水分需要得到補充，補水一般可以使用噴淋無菌水或提高通氣的濕度來進行，而溫度的調(diào)節(jié)一般通過反應器壁面與環(huán)境之間進行交換，如果反應器外壁直接與空氣接觸，則依靠自由對流的方式進行熱交換；如果有夾套，那么反應器內(nèi)的熱量會通過夾套水或氣體的強制對流帶走。值得注意的是，蒸發(fā)冷卻也會產(chǎn)生水分的損失，在控溫的同時也需要時刻關注水分補充[7]。

圖1 生物反應器中底物顆粒固態(tài)發(fā)酵過程中有助于水平衡的不同機理示意圖

1.2 固態(tài)發(fā)酵的攪拌類型

攪拌是調(diào)節(jié)基質(zhì)溫度、濕度和氧含量的重要措施之一。固態(tài)發(fā)酵中有連續(xù)攪拌和間歇式攪拌，選取何種攪拌類型取決于菌體對發(fā)酵環(huán)境的要求。固態(tài)發(fā)酵反應一般會持續(xù)放熱，過高的溫度會嚴重影響菌體的生長速率。為了解決熱交換的問題，在均勻混合型的固態(tài)發(fā)酵反應器中配有矩形攪拌環(huán)式攪拌槳。通過夾套水和攪拌槳的攪拌使床層溫度與外界進行交換從而達到控溫的效果。但是在實際生產(chǎn)中，基質(zhì)會附著在反應器內(nèi)壁而很難被攪拌帶動，而這些靜止的顆粒層會過度的冷卻形成絕緣層。因此，均勻混合型固態(tài)發(fā)酵反應器如何克服此類問題，將會是發(fā)酵成功的關鍵。

為了克服攪拌不均的情況，轉(zhuǎn)鼓生物反應器應運而生，罐體沿軸線轉(zhuǎn)動，罐內(nèi)設有擋板以促進軸向混合。目前，很多轉(zhuǎn)鼓式反應器都把通風與攪拌進行耦合[8]，空氣主要存在于床層上方至轉(zhuǎn)鼓頂部這一空間。在翻轉(zhuǎn)床層的過程中空氣會帶走熱量，不同部位的床層和罐壁接觸也可以進行熱交換。為了克服水分蒸發(fā)，罐內(nèi)會設有噴淋裝置。但是，該類反應器在大規(guī)模生產(chǎn)時由于轉(zhuǎn)鼓表面積和床層體積比的減小，會導致散熱效果變差。因此，該類反應器在設計時需要根據(jù)實際生產(chǎn)需求來控制長徑比，以獲取更好的發(fā)酵結(jié)果。

1.3 固態(tài)發(fā)酵中的基質(zhì)

基質(zhì)是菌體附著的部分，也是提供營養(yǎng)成分的場所[9]。我們可以將基質(zhì)中的每一個顆粒作為一個獨立模型來研究。菌絲由顆粒表面向內(nèi)部延伸，菌體對顆粒深層營養(yǎng)的利用程度受到顆粒尺寸的限制，一般來說菌體能夠越多接觸基質(zhì)表面，其對基質(zhì)的降解利用也就越充分，整體發(fā)酵效率就會更高[10]。因此，在發(fā)酵時選擇最為合適的粒徑是尤為重要的。傳統(tǒng)填充床式生物反應器發(fā)酵原理見圖2，顆粒大小也會影響床層的填充效果，進而影響通風效果，對同一種基質(zhì)而言，顆粒越小的床層通氣效果越差。

圖2 傳統(tǒng)填充床生物反應器的示意圖

反應器中，床層填充的質(zhì)量和體積決定了床層的密度。不同原料和菌體對床層密度有各不相同的影響和需求，因此針對每種類型的基質(zhì)和菌種都要測試其最佳的床層密度。但是在反應過程中，菌體、水分、溫度都會對基質(zhì)中顆粒的形態(tài)產(chǎn)生影響，有的可能會收縮也有的會膨脹。因此，可以肯定的是床層密度在整體發(fā)酵過程中是一個動態(tài)的變化，這也極大地阻礙了固態(tài)發(fā)酵理論研究模型的建立。在研究相關問題時，更多的研究工作是借助公式并結(jié)合實際發(fā)酵結(jié)果來分析、篩選出最優(yōu)的顆粒大小和裝料量。

2 固態(tài)發(fā)酵專業(yè)化設備

固態(tài)發(fā)酵不僅常用于酒類及傳統(tǒng)食品的釀造，在生物轉(zhuǎn)化、生物燃料及生物防治等領域也有廣泛應用。近年來，隨著對固態(tài)發(fā)酵相關理論認識的不斷深入及發(fā)酵模型不斷建立，一大批能夠應用于生物化工、醫(yī)藥等領域，具有較高生產(chǎn)水平的專業(yè)化新型固態(tài)發(fā)酵設備被研發(fā)出來(見表2)。

2.1 酒類固態(tài)發(fā)酵設備示例

鄭國祥等[11]在調(diào)研了現(xiàn)有酒精發(fā)酵工藝后，發(fā)現(xiàn)CO2這一資源沒有被充分的利用，為此其團隊研發(fā)出一種依靠CO2氣體“呼吸”作用帶動攪拌的新型釀酒固態(tài)發(fā)酵反應器。這種反應器將物料置于密封箱內(nèi)的支架上，其內(nèi)部配有經(jīng)由螺旋角大于55°的螺紋連接驅(qū)動軸的攪拌槳。密封箱置于水槽中并帶有夾層，可以將發(fā)酵產(chǎn)生的CO2引入夾層中。隨著CO2的增加密封箱隨之膨脹，體積增大。依靠浮力密封箱被提升，當氣體壓力增大到到一定數(shù)值后，將自動打開泄壓閥釋放氣體，密封箱體積減小，浮力隨之減小而下沉。氣壓降低到一定限度泄壓閥關閉并再次充氣，由此往復進行充放氣過程。密封箱的沉浮帶動攪拌槳轉(zhuǎn)動達到了攪拌的作用，排出的CO2和其攜帶的酒精氣體則溶于水中。此釀酒固態(tài)發(fā)酵裝置在保證固態(tài)發(fā)酵效果的基礎上，相比傳統(tǒng)發(fā)酵裝置更加高效的利用CO2，解決了CO2過度排放的問題。此外，利用產(chǎn)生的氣壓來帶動攪拌也大大節(jié)約了生產(chǎn)成本，為實現(xiàn)酒精的機械化生產(chǎn)提供了新的思路。

表2 應用于孢子，抗生素，化學藥品，乙醇和色素生產(chǎn)的固態(tài)發(fā)酵生物反應器的最新實例

2.2 生物飼料固態(tài)發(fā)酵設備示例

劉曉燕等[12]為了克服原料體積較大不易攪拌均勻等問題，設計了一款集原料粉碎、微生物發(fā)酵和制劑于一體的固態(tài)發(fā)酵設備。該設備為垂直設計，頂部為進料口，原料掉入特別設計的彈板上因震動均勻攤開，經(jīng)由垂直于攪拌軸水平旋轉(zhuǎn)的粉碎系統(tǒng)磨碎。研磨部分配有氣體吹掃功能，一方面依靠空氣擠壓研磨齒輪增加研磨力度，另一方面吹掃附著在研磨齒輪上殘留的原料，使其充分進入罐內(nèi)增加物料利用率。罐內(nèi)設有上、中、下三部分攪拌板，其中最下層攪拌板開設曝氣孔，使氧氣更均勻地分布在溶液中。在上、中、下三部分攪拌板協(xié)同作用下，使原料與罐內(nèi)發(fā)酵液充分均勻混合，加快發(fā)酵速度，防止物料沉淀和消除攪拌死角。除了攪拌板外，在罐內(nèi)還配備了攪拌環(huán)在靠近罐體內(nèi)壁處平行于軸向攪拌，加強了內(nèi)部基質(zhì)的運動。同時，攪拌環(huán)間歇性的和通氣口相連，使氧氣間斷地通入罐內(nèi)，為發(fā)酵提供適宜的環(huán)境。

此設計工藝是對飼料類固態(tài)發(fā)酵設備的改良，大大克服了因物料體積過大造成的攪拌不均勻問題。此外，由于氣吹掃功能和攪拌板的特殊設計，很大程度上減小了攪拌死角和物料沉淀。因此提高了物料利用率，為工業(yè)大規(guī)模批量生產(chǎn)節(jié)約了成本。

2.3 連續(xù)固態(tài)發(fā)酵設備示例

徐親民等[13]研發(fā)了一款可以連續(xù)發(fā)酵并滅菌的固態(tài)發(fā)酵反應器。該反應器為圓形長柱狀，每一套反應器外表面包裹水冷夾套控制溫度，內(nèi)有螺桿作為攪拌和推進器，螺桿軸上設有出風孔和彎曲的進風管，可以通入空氣或者蒸汽提供適宜的發(fā)酵環(huán)境并進行高溫滅菌，通風彎管亦可以輔助攪拌。如果作為連續(xù)滅菌和發(fā)酵的反應器來使用，初始原料進入罐體，由螺桿推進填滿空間，通入蒸汽滅菌后接種攪拌，此時該反應器下游還可以連接另一相同反應器來提供充足的發(fā)酵反應時間和空間。當攪拌均勻的基質(zhì)完全離開前一反應器后，該反應器可以再次進料、滅菌、接種，已達到連續(xù)滅菌和發(fā)酵的效果。如果直接填入已滅菌并混合好菌體的原料，則可以直接利用反應器可相互連接的特點，控制不同發(fā)酵時間和過程，使發(fā)酵在適宜環(huán)境中充分進行直至達到要求后卸料。

此設計實現(xiàn)了固態(tài)發(fā)酵的連續(xù)生產(chǎn)，保證了發(fā)酵過程的密封和無菌，很大程度上降低了系統(tǒng)的能耗，此外可以隨意連接額外的反應器且可以無縫對接發(fā)酵產(chǎn)物的下游處理環(huán)節(jié)，不但節(jié)約了時間，同時提升了發(fā)酵過程的可操控性。

3 對固態(tài)發(fā)酵的展望

近幾年，固態(tài)發(fā)酵越來越多的受到關注，其理論研究也隨之深入，開辟了固態(tài)發(fā)酵領域新的篇章。在未來的固態(tài)發(fā)酵領域，優(yōu)化反應器內(nèi)部基質(zhì)的傳質(zhì)過程仍然是提升發(fā)酵品質(zhì)的關鍵，設計出合理高效的反應器也會是固態(tài)發(fā)酵研究的主要方向。但是，隨著數(shù)學模型的不斷建立與完善，固態(tài)發(fā)酵的研究將會更為便利。許多以前只能依靠實際經(jīng)驗，用一批批發(fā)酵獲得的研究結(jié)果，現(xiàn)在可以很方便的利用數(shù)學建模在電腦上進行多次相關測試。因此，數(shù)學建模會在該研究領域扮演越來越重要的角色。

固態(tài)發(fā)酵技術的研發(fā)和應用有著淵源的歷史，而且相對于深層液體發(fā)酵來說，目前的固態(tài)發(fā)酵成本十分低廉、原料簡單易取，極少有廢水排放，起到了指導和帶動相關發(fā)酵工業(yè)清潔生產(chǎn)的作用[14]。只要研究人員不斷地探索和揭示固態(tài)發(fā)酵的規(guī)律，不斷完善固態(tài)發(fā)酵技術，固態(tài)發(fā)酵就一定會有更為廣闊的應用前景和發(fā)展空間。