固態(tài)發(fā)酵是微生物在接近自然條件狀況下的生長，可產(chǎn)生一些通常在液體培養(yǎng)中不產(chǎn)生的酶及其他代謝產(chǎn)物，而且固態(tài)發(fā)酵因成本低、能耗小、可利用資源豐富、對環(huán)境污染小等特點，在許多方面要優(yōu)于液態(tài)發(fā)酵。為提高固態(tài)發(fā)酵的質(zhì)量，解決固態(tài)發(fā)酵本身的弱點(如：發(fā)酵條件不易控制、傳質(zhì)傳熱不均勻、自動化程度低等)，研制改進固態(tài)發(fā)酵設備成為人們研究的一個重點。本文就現(xiàn)階段主要的固態(tài)發(fā)酵設備原理、優(yōu)缺點、應用領(lǐng)域及發(fā)展趨勢作一個簡單的分析，以期為固態(tài)發(fā)酵的研究者和固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)商提供一定的科學參考和數(shù)據(jù)支持。
1固態(tài)發(fā)酵反應器的特點
　　生物反應器是發(fā)酵過程的中心。理想的固態(tài)發(fā)酵生物反應器有以下特征：①用于建造的材料堅固、耐腐蝕且對發(fā)酵過程的微生物無毒。②防止發(fā)酵過程污染物的進入，同時控制發(fā)酵過程有機體釋放到環(huán)境。前者特別難以控制，這是因為固體的處理不能象深層發(fā)酵的液體那樣用泵輸送，因此產(chǎn)生污染物自由封閉體系。

 而后者同樣是一個非常重要的必備條件，因為大多數(shù)的固態(tài)發(fā)酵過程含有真菌孢子，它可能是致病的，會對周圍環(huán)境產(chǎn)生危害。③有效的通風調(diào)節(jié)、混合和熱的移除來控制溫度、水活度、氣體的氧濃度等操作參數(shù)。④維持基質(zhì)床層內(nèi)部的均勻性。⑤總的固態(tài)發(fā)酵過程包括培養(yǎng)基的制備、培養(yǎng)基的滅菌、產(chǎn)品回收之前生物量的滅菌、接種體的準備、生物反應器的安裝和拆卸。
2靜態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵設備的特點及應用
　　靜態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵，是指發(fā)酵過程中的固體基質(zhì)保持相對靜止狀態(tài)，傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)酵即是此種發(fā)酵方式。該類設備中不含有攪拌裝置，與液體發(fā)酵相比，靜態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵最大的弊端是無法提供生產(chǎn)微生物的一致性，不能及時有效地進行發(fā)酵過程的控制并進而控制微生物的生理活動。常見的發(fā)酵設備是托盤式或填充床式反應器。
2.1托盤式生物反應器
　　托盤式反應器又稱淺盤式反應器，是最簡單的固態(tài)發(fā)酵反應器。它由一個密閉空間和許多可移動的小托盤組成。其基本特點是：①相對比較薄的發(fā)酵基質(zhì)鋪在一個面積相對比較大的托盤上；②沒有強制的通風，但托盤上可以有孔，空氣可以緩慢的在托盤周圍循環(huán)；③發(fā)酵基質(zhì)的溫度隨著反應器周圍環(huán)境溫度而變化，因此可以通過控制反應器所在的空間溫度來控制反應器的內(nèi)部溫度。托盤式固態(tài)發(fā)酵工藝程序一般為：種子→固態(tài)培養(yǎng)基滅菌后接種→培養(yǎng)基排放在托盤中→將托盤放置于密閉的發(fā)酵罐或者密閉可以調(diào)節(jié)溫度和濕度的房間里進行發(fā)酵→發(fā)酵結(jié)束，提純和精制。理論上來說，托盤反應器的放大可以通過增加基質(zhì)厚度和增加托盤數(shù)量來解決。但由于熱量傳遞是托盤式反應器的主要問題，研究者發(fā)現(xiàn)，僅僅在發(fā)酵基質(zhì)8cm下面就觀察到了高于外部20℃左右的溫度差，如果將培養(yǎng)基的料層高度由40cm增加到80cm，其單位產(chǎn)量僅為原來的20%。因此，托盤上所添加基質(zhì)的厚度往往只有幾厘米到十幾厘米。這就意味著托盤反應器的放大就是增加托盤的數(shù)量，所以它不適合大規(guī)模生產(chǎn)。托盤式工藝有著悠久的歷史，人們很早就用來生產(chǎn)發(fā)酵食品，近來又用來生產(chǎn)各種酶制劑。但這種工藝一般都是小到中規(guī)模的，而遠非大規(guī)模。由于這些托盤的操作很難實現(xiàn)自動化，因而仍由手工來完成，所以這種工藝只有在勞動力比較便宜的地方才具有商業(yè)價值。德國的Prophyta公司設計了一類該反應器用來在無菌狀態(tài)下生產(chǎn)生物殺蟲劑，該反應器為塔狀結(jié)構(gòu)，由許多穿孔的盤子構(gòu)成，無菌空氣通過小孔穿過基質(zhì)，在盤子下方有熱交換器去除發(fā)酵過程中產(chǎn)生的多余熱量。
2.2填充床式生物反應器
　　填充床式生物反應器的特點是靜態(tài)的發(fā)酵基質(zhì)填充在圓柱中，圓柱的下面是打孔的支撐板，通過孔板強制通風來給發(fā)酵過程供氧，調(diào)節(jié)基質(zhì)的濕度和溫度。在這個基本特點下可以有各種各樣的設計，比如木箱式、蓋蓋平板式、垂直或傾斜培養(yǎng)室等，典型的設計是一個高而細的圓柱。具有強制通氣功能是填充床式反應器與托盤式反應器最大的區(qū)別，一般來說通氣設備都設在填充床的底部，也可以從發(fā)酵基質(zhì)的頂部通氣。通氣一般是從可以調(diào)溫的水中通過，既調(diào)節(jié)了發(fā)酵過程的溫度，又可增加發(fā)酵基質(zhì)的氧氣供應和含水量，減小發(fā)酵過程中水分的損失。即使如此，由于在空氣進口和出口之間空氣溫度的增加使得空氣的持水性增加，水分出大于進，水分蒸發(fā)不可避免。對于體積較小的填充床反應器，可以將填充床放置在恒溫的水浴中以調(diào)節(jié)溫度；對于比較大的填充床，則可以通過增加夾套來調(diào)節(jié)反應器內(nèi)的溫度。填充床反應器的優(yōu)勢是設計要求簡單，而且可以進行較好的工藝控制。因此相對于托盤式反應器來說，填充床反應器使用更加廣泛。然而，大型的填充床反應器，傳熱冷卻板的安裝常受到條件限制，設計和操作所考慮的主要參數(shù)是反應器高度、空氣流量和空氣進口溫度。這樣的反應器中，軸向的溫度梯度可以忽略，而在徑向的溫度梯度卻十分明顯。在反應器底部，溫度很低，因此微生物生長很快，其產(chǎn)生的熱量不能徑向傳導全部帶走，因而就加速了向上的空氣，造成了越往上溫度越高，所以，微生物最高可以承受的溫度就決定了反應器的高度，這個高度稱之為臨界高度，它取決于所用的微生物和操作條件。這樣，就限制了該反應器的擴大，比較適合對剪切力較為敏感的微生物，因為在操作過程中發(fā)酵基質(zhì)保持靜止。靜態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵由于無法保證微生物生長環(huán)境的一致性，而不能及時有效地進行發(fā)酵過程的控制并進而控制微生物的生理活動，且在易污染程度上也要高于液態(tài)發(fā)酵，但是，這不能否定靜態(tài)密閉式發(fā)酵的存在價值。某些用作食物的發(fā)酵產(chǎn)品，如印度尼西亞豆鼓和日本清酒曲的生產(chǎn)，一定要使用靜態(tài)床式固態(tài)發(fā)酵過程進行生產(chǎn)，才能使其具有特殊的風味。可見，通過人們長期的經(jīng)驗累積，有效的控制發(fā)酵程度和效果，靜態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵可以完成其獨特的發(fā)酵成果。

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