固態發酵反應器的研究進展

王振剛，袁沛梅，馮康，王婷，薛瑞璇，張笑然

（延安大學 化學與化工學院，陜西延安 716000）

固態發酵是一種利用固態基質作為發酵原料，基質中不含或極少含有液態游離水的微生物發酵形式。作為發酵工程的傳統形式，自古埃及人制作面包起，傳統固態發酵已擁有4 000余年歷史，其產品以食品類為主[1]。20世紀以來，傳統的固態發酵逐步融入現代工業生產中，目前已應用于酶制劑、有機酸、抗生素、維生素以及生物殺蟲劑等多種產品[2-7]。固態發酵目前是部分傳統食品、調味品、白酒、部分飼用酶制劑和多種真菌孢子殺蟲劑的必要生產方式。同時，固態生物反應器作為固態發酵過程規模化、工業化的基礎，也由傳統的簡單容器逐步向機械化、自動化方向發展，不斷融入過程工程領域的新技術、新裝備和新理念，成為發酵工程專業領域的一個重要關注點[2,8-9]。

1 固態發酵反應器的工作原理

固態發酵過程的本質既包括微生物胞內、外生化反應，以及其他生理學、遺傳學過程，也包括固體物料、液態水膜、空氣相和微生物相內部及相互之間的熱量傳遞，水分、營養物質、代謝產物與氧的質量傳遞，以及通風與動態混合過程中的動量傳遞[9-10]。上述“三傳一反”過程的實現都需要以生物反應器的相應結構和功能為基礎。然而，由于含水固態物料的傳熱和傳質阻力，使得發酵料床的溫度、水分含量、營養物與代謝物濃度的時空分布都嚴重不均，且此類分布不均現象隨反應器的體積增大而趨于嚴重，這就對固態生物反應器的結構和功能提出了較高的要求，也成為制約固態發酵規模放大的重要因素[2,11]。

固態發酵反應器種類繁多，但其強化“三傳”過程的常規方式可歸納為以下4方面。（1）通過強化通風傳遞生物反應過程產生的代謝熱，同時通過對流入空氣加濕或直接對固態物料加濕，達到保持物料水分含量的目的[12-13]。但以調整空氣流的方式強化傳熱和傳質的技術路線，仍然無法根治過程參數分布不均的問題，且對于不實施通風的厭氧固態發酵反應器并不適用。（2）通過攪拌實現物料在空間上的均勻分布，同時使結塊的物料破碎，從而強化物料的分散混合。具體方式包括在固定的反應容器內使用攪拌機構，或者驅動反應容器整體回轉[14-15]。然而，對絲狀真菌而言，混合過程的機械力容易使其菌絲體受損。（3）減小單個料堆的空間尺度，尤其是料層的厚度，從而緩解過程參數分布不均的問題[16]。此方法在固態發酵領域使用較多，例如常見的多層淺盤固態發酵，但在減小料層厚度的同時也會降低固態發酵容器的空間利用率。（4）利用循環水，以間壁式換熱控制料床溫度。除上述常規方法之外，20世紀90年代以來，出現了一些特殊的新型強化方式，例如中國科學院過程工程研究所研發的氣相雙動態固態生物反應器，利用周期性壓力脈沖強化固態發酵過程，提高了“三傳”效率，在酶制劑、生物農藥等多種產品的固態發酵生產中獲得了良好的工藝效果，并已成功放大到工業規模[10]。

2 固態發酵反應器的類別與特征

2.1 靜態固態發酵反應器

靜態固態發酵反應器在固態發酵中的應用歷史較久，技術成熟，尤其在傳統食品、調味品固態發酵生產中較為常用。其特征是固態物料在發酵過程中不發生運動，具體形式又分為淺盤固態發酵反應器和強制通風的填充床固態發酵反應器兩類。

2.1.1 淺盤固態發酵反應器

淺盤固態發酵反應器一般為面積較大的盤狀容器，在工業生產中可采取單層或多層設計，置于可控制溫度和濕度的箱體或培養室中。淺盤底部可開孔或不開孔，但培養空間內部的空氣在風機的驅動下，只在淺盤和料層的表面流動，不形成強制穿透料床的連續氣流。此類反應器結構簡單、易制作，培養空間和容器往往采用化學消毒和紫外線消毒，一般用于真菌孢子殺蟲劑培養等半無菌固態發酵場合[16]。由于沒有穿透料床的強制通風和機械攪拌翻料，為緩解溫度、含水率分布不均問題并保證深層物料的供氧，此類反應器的料床厚度通常較低，因此設備產能受到一定限制[16-17]。例如DA CUNHA等[16]將長40 cm，寬29 cm，深12 cm的淺盤反應器培養用作真菌殺蟲劑的金龜子綠僵菌孢子，通風氣流方向平行于料床表面，料床厚度在2～6 cm，其中4 cm厚度料床獲得了相對最高的產孢率。ZHANG等[6]研制的新型多層固態發酵反應器，用柔性透氣膜代替傳統淺盤反應器的剛性金屬壁，設置頂部透氣膜以防止雜菌污染，結果成功用于粉紅粘帚菌的固態發酵。

2.1.2 強制通風的填充床固態發酵反應器

強制通風的填充床固態發酵反應器不配備機械攪拌或翻料裝置，料床底部懸空，由孔板、篩板或篩網構成，以便在發酵過程中使用風機、空壓機等設備輸送新鮮濕空氣以穿流的形式透過料床，從而帶走料床中產生的代謝熱。由于強制通風的作用，料床厚度相對于淺盤反應器而言可以適度提高，但一般仍在20～30 cm[1,18]。為提高設備產能，在工業生產中，此類反應器多為底面積較大的盤狀、扁平箱狀或配有透氣假底的框狀，且為了節約占地面積，其發展趨勢為多層布置，例如王法利等[19]于2020年報道的多層組合式麩曲培曲中試裝置。強制通風的填充床固態發酵反應器除箱式外，還包括在發酵規模較小的實驗室研究中常用的柱式填充床固態發酵反應器。此類反應器一般為細長的立式柱狀結構，底部有棉花、篩網、玻璃珠等透氣介質支撐固態物料，使用加濕的無菌空氣自下而上實施強制通風，還可利用水浴或夾套輔助控溫，反應器容積從一升以下到幾十升不等[12-13,20-21]。小型柱式填充床反應器經常多臺平行使用，用于優化固態發酵條件和培養基成分，而較大的實驗室柱式填充床反應器常用于研究固態發酵料床的數學模型，例如ZOLFAGHARI-ESMAEELABADI等[22]于2015年報道了基于一個1 L容積的填充床反應器構建的宏觀和微觀傳遞過程模型；CASCIATORI等[13]于2016年報道了基于一臺長度1 m，直徑7.62 cm的填充床反應器構建的強制通風固態發酵宏觀雙相二維模型；JIN等[23]于2019年利用低場核磁共振技術檢測和表征了一個0.8 L容積的填充床反應器在米曲霉固態發酵過程中的水分場的時空分布，并建立了數學模型。上述數學模型普遍顯示，在實施連續的強制通風條件下，柱狀固態發酵反應器仍會呈現出明顯的溫度梯度，一般料床頂部中心位置溫度較高，而料床底部篩板附近的物料溫度較低。使用恒溫水的換熱夾套能對料床起到一定的控溫作用，但有效范圍僅在貼近換熱壁面的料層范圍內。此外，由于微生物對固體營養物的不斷消耗以及發酵過程失水，此類反應器的料床易發生收縮板結，大塊物料內部因熱量難以發散造成升溫燒料，而板結形成的縫隙又會使強制通風的氣流發生短路，進一步加劇溫度和水分分布的不均勻性[10,24]。為緩解這一問題，研究人員研制了“Zymotis”反應器，設置了垂直插入料床的多塊平行換熱板，利用基于循環水的間壁換熱改善料床的溫控精度[25]；PEREZ等[26]則在軸向強制通風的多層填充床反應器中通過中心風管和外周間隙層引入徑向氣流，改善了料床溫度分布的均勻性?？梢姡捎诓痪邆錂C械攪拌或翻料功能，靜態固態發酵反應器難以在厚料層的條件下實現溫度場和水分場控制的均勻性，一般用于菌絲體、分生孢子頭等生理結構易受外界機械力破壞的絲狀真菌發酵過程，或者菌體對溫度、含水率控制偏差不敏感的應用場合，反應器的放大也受到一定的制約。

2.2 動態固態發酵反應器

動態固態發酵反應器運行過程中，在特定機械裝置的作用下，固體物料在反應容器內發生間歇或持續運動。動態固態發酵反應器的容器形式和攪拌裝置運動方式種類很多，包括轉鼓式反應器、轉軸式反應器、攪拌式反應器和旋轉圓盤式反應器等主要類別，以及流化床反應器、連續反應器等特殊類型。

2.2.1 轉鼓式固態發酵反應器

轉鼓式固態發酵反應器一般為臥式圓筒形反應容器，內部可以設置刮板，通過筒體的整體回轉驅動固態物料的翻騰混合，從而提高其均勻度，回轉方式多為間歇式；反應器內部的通風大多通過軸向的中心管引入[1,9,24]。轉鼓反應器應用廣泛，可用于發酵生產酶制劑[27-28]、有機酸[29]等產品。用于實驗室的小型轉鼓反應器一般繞水平的旋轉軸回轉，而在規?；陌l酵工廠中，此類反應器往往借鑒回轉窯和轉筒干燥機的結構，設計成用托輪支撐并提供回轉動力的滾筒式反應器，可用于堆肥[30]。除常規結構轉鼓反應器外，PESSOA等[31]研制了一種特殊轉鼓反應器并用于黑曲霉發酵產果膠酶。該反應器是在圓柱形轉鼓內部設置一個矩形料斗，其底部篩板可供強制通風氣流自下而上流過料床，矩形料斗在正常發酵過程中處于轉鼓下部，以類似強制通風的填充床反應器的模式運行，同時可通過整體回轉實現物料的混合。該反應器是填充床反應器和轉鼓反應器的融合，改善了填充床反應器因不具備混合功能而造成的溫度、水分分布不均問題。此外，該團隊還對此反應器料床內的空氣流動狀態進行了計算流體力學模擬。此外，DU等[32]報道了一種內部設置布料板的轉鼓式固態發酵反應器，總容積達550 m3，用于甜高粱原料固態發酵生產乙醇。

2.2.2 轉軸式固態發酵反應器

轉軸式固態發酵反應器也稱攪拌鼓式（Stirred drum）反應器，一般為固定的臥式罐體，內部設置水平旋轉軸和上下旋轉的攪拌葉，以起到打散結塊的物料、強化傳遞的作用[9]。目前市售的多數實驗室小型固態發酵罐產品采用了此類設計。RAZALI等[33]報道了使用一臺2.3 L容積的轉軸式反應器發酵產紅曲色素，采用每天4～8次的間歇式混合方式，獲得了6.09 AU/g干物質的色素產量。

2.2.3 曲箱和旋轉圓盤式固態發酵反應器

在酒類或發酵調味品制曲的實際應用中，為緩解溫度、水分不均以及物料結塊問題，一般會在淺盤反應器的基礎上采用人工翻料，或增加機械翻料裝置[34]。二十世紀六七十年代的白酒與醬油行業常采用曲箱制備固體曲[18,35]。此類裝置一般屬于具備強制通風功能的填充床類反應器，但為提高物料的均勻度，往往采取間歇式的人工翻料操作，或使用機械翻料。目前，自動化程度更高的圓盤制曲機已成為白酒生產企業機械化制曲的常用機型，其發酵過程的工作原理是以帶有強制通風功能的水平圓盤為反應容器，徑向水平布置耕刀式翻料裝置，以及徑向的螺旋式混料裝置，同時圓盤容器一般可旋轉。這類反應器集培養（發酵）和烘干兩大功能為一體，具備自動化的滅菌、進出料、控溫控濕等功能，較傳統裝備大幅節約了人力[34]。

2.2.4 攪拌式固態發酵反應器

攪拌式固態發酵反應器仍以強制通風的填充床反應器為基礎，增加中心旋轉軸、水平懸臂梁，在懸臂梁上豎直安裝可插入料床的多個相互平行的螺帶攪拌槳。運行時，攪拌槳既可以通過自轉對原位物料實施攪拌，也可以在中心旋轉軸和懸臂梁的帶動下圍繞整個圓柱形罐體公轉，使攪拌范圍擴大到整個料床[36]。此外，丹麥諾維信公司ANDERSEN等[37]發明了一種新型模塊化固態發酵反應器，其主體結構為內部帶有水平篩板以及通風功能的模塊化小型箱體，箱內篩板上方的料床內部可安裝水平攪拌槳。多個反應器箱體可集中在發酵站中實施發酵過程調控，其進出料和搬運等操作可由機械裝置完成，以替代高強度的人工操作。該發明適于自動化操作，便于維持發酵過程的無菌環境，具有良好的應用前景。

2.2.5 壓力脈動式固態發酵反應器

中國科學院過程工程研究所研發的氣相雙動態固態生物反應器的工作原理是利用周期性變化的罐體內壓，強化料床及物料顆粒內外的物質與能量傳遞。這種控制方式與傳統的機械攪拌、翻料和強制通風在原理上有本質區別，不僅傳遞效率高，還因為不需要攪拌裝置和動密封，使得此型反應器的密閉性更強，更適合純種固態發酵應用[10,38]。

2.2.6 連續固態發酵反應器

過程的連續化是固態發酵發展的趨勢之一。WANG等[39]報道了一種半連續操作的反應器，該反應器外形為水平圓管狀，內部以螺旋輸送機構為動力，使發酵物料形成活塞流式的連續運動，可用于固態發酵生產面包。

總之，動態固態發酵反應器的物料運動方式靈活多樣，主要包括利用內置的攪拌和翻料機構混合，反應容器整體回轉混合，以及利用壓力脈動促使料床松動等主要方式。此外，流化床反應器在固態發酵中也有應用[1]。攪拌和翻料的方式通常適用于細菌、酵母菌等對機械破壞具有一定適應性的微生物，在放線菌、絲狀真菌的固態發酵中則需要嚴格限制混合強度，以減輕對菌絲的損傷；整體回轉對菌絲的機械損傷相對較小，可采用連續低速回轉或間歇回轉的方式，但采取間歇回轉時，需注意靜止的周期過長可能造成部分板結的固態物料團塊無法在回轉中破碎。壓力脈動式反應器用周期性壓力變化替代傳統的機械驅動的混合，可以在強化發酵物料傳質、傳熱的前提下避免對菌絲體的機械損傷，較好地解決了機械混合強化傳遞與菌絲體保護之間的矛盾。

3 結語

固態發酵在節能、節水等方面具有潛在優勢，是部分傳統酒類、調味品以及真菌孢子殺蟲劑等特殊產品的必要生產方式，因此固態發酵反應器的創新得到了產業界和學術界的持續關注。固態發酵反應器的發展趨勢包括：（1）機械化、自動化水平不斷提高，逐步走向智能化，可以有效降低人工勞動強度，提高過程操控的穩定性、準確性；（2）過程在線檢測和取樣裝置需要進一步發展，以適應自動化、智能化的發展趨勢；（3）小型化的平行固態發酵反應器需要進一步發展，以適應固態發酵領域的微生物菌種篩選需求；（4）料床溫度和水分的時空分布梯度仍然普遍存在，需要進一步通過數學模型和現代在線檢測技術等工具更深入理解其形成規律，并通過新的反應器設計理念使其得到緩解。