蛋白飼料固態(tài)發(fā)酵設(shè)備的類(lèi)型及特點(diǎn)
3動(dòng)態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵設(shè)備的特點(diǎn)及應(yīng)用
與靜態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵最根本的區(qū)別是，動(dòng)態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中培養(yǎng)基處于連續(xù)或間歇攪拌狀態(tài)。由于靜態(tài)發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生的代謝熱很難被有效移除，現(xiàn)實(shí)中，大多數(shù)固態(tài)發(fā)酵大規(guī)模生產(chǎn)都是在有攪拌的系統(tǒng)中完成的。這種系統(tǒng)具有高效的冷卻系統(tǒng)，解決了代謝熱擴(kuò)散問(wèn)題，具有較高的生產(chǎn)效率。此外，攪拌也為發(fā)酵系統(tǒng)提供了發(fā)酵環(huán)境的一致性，為大多數(shù)重要過(guò)程參數(shù)(如溫度和水分含量)進(jìn)行充分的控制提供了可能。良好的攪拌肯定會(huì)提高過(guò)程控制的效果，但攪拌對(duì)生產(chǎn)效率的影響卻存在爭(zhēng)議。
一些文獻(xiàn)報(bào)道，由于攪拌導(dǎo)致的傳質(zhì)、傳熱性能改善所帶來(lái)的效果要優(yōu)于攪拌所帶來(lái)的不良影響，而另有一些研究表明，攪拌會(huì)使生產(chǎn)率降低。因此，攪拌對(duì)固態(tài)發(fā)酵體系提出了額外要求。首先，固態(tài)基質(zhì)要能夠耐剪切，并且不能存在由于攪拌而結(jié)塊的傾向；其次，攪拌會(huì)損傷菌絲，進(jìn)而可能影響其生長(zhǎng)與代謝。
3.1攪拌式生物反應(yīng)器
攪拌式生物反應(yīng)器是最簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)發(fā)酵設(shè)備，它和填充床式反應(yīng)器有許多類(lèi)似之處，不同的地方就是攪拌式反應(yīng)器有攪拌漿。通過(guò)控制這個(gè)攪拌漿，可以連續(xù)操作或周期操作。根據(jù)攪拌軸的方向，攪拌式反應(yīng)器可分為水平攪拌式和轉(zhuǎn)鼓式。二者的區(qū)別是，水平攪拌式中發(fā)酵基質(zhì)的運(yùn)動(dòng)是由攪拌軸的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而在轉(zhuǎn)鼓式中是由罐體的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，除此以外，其他方面都很類(lèi)似。荷蘭Wageningen大學(xué)成功研制了可較好控制溫度和濕度的水平攪拌反應(yīng)器，可用于不同的生產(chǎn)目的，但因?yàn)闊嶂荒芡ㄟ^(guò)器壁移出，使得該裝置在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)效率較低。Durand等人利用計(jì)算機(jī)技術(shù)為反應(yīng)器研制了一個(gè)行星混合裝置，使反應(yīng)器的滅菌過(guò)程、發(fā)酵過(guò)程得到很好控制，并申請(qǐng)了專(zhuān)利。這種反應(yīng)器已經(jīng)用于沒(méi)食子酸固態(tài)發(fā)酵的反饋生產(chǎn)以及分生孢子的生產(chǎn)。
3.2轉(zhuǎn)鼓式生物反應(yīng)器
轉(zhuǎn)鼓式生物反應(yīng)器其主體是一個(gè)水平或傾斜的圓柱體，圓柱體繞著它的中軸旋轉(zhuǎn)而使反應(yīng)器中的發(fā)酵底物隨之翻動(dòng)，也可以在反應(yīng)器中增加攪拌裝置以強(qiáng)化底物的攪拌程度。與固定床相比，轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)在于可以防止菌絲體與反應(yīng)器粘連，轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)使筒體內(nèi)基質(zhì)達(dá)到一定程度的混合，菌體所處環(huán)境比較均一，使傳質(zhì)和傳熱狀況得以改善。轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器的主要特點(diǎn)是空氣從基質(zhì)的頂部吹過(guò)，空氣和基質(zhì)的熱量和物質(zhì)交換是通過(guò)反應(yīng)器的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)促進(jìn)的。這種反應(yīng)器中，熱量的傳遞主要有兩種途徑：一是直接通過(guò)對(duì)流和蒸發(fā)將熱量傳遞到反應(yīng)器的頂部空氣；二是由反應(yīng)器的壁傳導(dǎo)傳遞。控制溫度的辦法主要有：將反應(yīng)器放置在控溫的培養(yǎng)室內(nèi)；將反應(yīng)器部分浸在水浴中；或者用水澆在罐體上降溫；也可以用干空氣增加基質(zhì)的水分蒸發(fā)來(lái)降溫，因?yàn)檫@樣的反應(yīng)器可以從頂部通過(guò)噴水來(lái)調(diào)節(jié)基質(zhì)的水分含量。Kalogeris等改進(jìn)的轉(zhuǎn)鼓反應(yīng)器包括：器壁帶水夾套、具穿孔能力的圓柱形鼓、發(fā)動(dòng)機(jī)、熱交換器、增濕器、冷凝器和蠕動(dòng)泵等，出口的水蒸汽在增濕器里濃縮、收集、重新循環(huán)使用。Alberto等設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)鼓反應(yīng)器由一個(gè)緩慢旋轉(zhuǎn)的金屬網(wǎng)絲制成的圓柱體組成。當(dāng)圓柱體旋轉(zhuǎn)時(shí)，載體和真菌與圓柱體頂部空氣接觸，保證了適量的氧傳遞。
3.3氣固流化床反應(yīng)器
氣固流化床反應(yīng)器是通過(guò)流體的上升運(yùn)動(dòng)，使固體顆粒維持在懸浮狀態(tài)下進(jìn)行反應(yīng)的裝置。氣固流化床的基本特點(diǎn)是：一個(gè)高徑比很大的圓柱體，流速足夠大的空氣從床底部的孔板中吹入使基質(zhì)顆粒懸浮，可能有一個(gè)特制的攪拌裝置用來(lái)協(xié)助攪拌基質(zhì)顆粒。其優(yōu)點(diǎn)如下：①通氣良好，有助于好氧微生物的生長(zhǎng)；②代謝熱的去除十分完全，不會(huì)發(fā)生培養(yǎng)溫度過(guò)高的問(wèn)題；③氣體和揮發(fā)性的代謝物可以很快消失，從而減少反饋抑制；④混合效果很好，從而消除了發(fā)酵基質(zhì)中的溫度和濕度梯度，有利于過(guò)程中工藝參數(shù)的控制；⑤某些產(chǎn)物(如單細(xì)胞蛋白)可以直接在反應(yīng)器中進(jìn)行干燥；⑥相對(duì)于傳統(tǒng)的固態(tài)培養(yǎng)，生產(chǎn)效率大大提高，因此可以減少生產(chǎn)所占用的空間和生產(chǎn)操作費(fèi)用。因?yàn)椴皇撬械幕|(zhì)都可以很容易地被懸浮起來(lái)，所以這種反應(yīng)器只能用在那些基質(zhì)有比較好流化行為的工藝中。一般來(lái)說(shuō)，粒徑分布越窄的細(xì)小顆粒越容易保持流化狀態(tài)。相反，易聚合成團(tuán)的顆粒由于撞擊、碰撞難以維持流化狀態(tài)。目前，利用該反應(yīng)器較多的是日本，主要用來(lái)生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白、酶和生物殺蟲(chóng)劑等。
3.4立式多層固態(tài)發(fā)酵罐
立式多層固態(tài)發(fā)酵罐具有占地面積小、自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)能力大、易于檢測(cè)和控制等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)酵物料可以在發(fā)酵罐內(nèi)進(jìn)行蒸煮、滅菌、降溫等操作，更重要的是實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵罐內(nèi)接種、發(fā)酵罐內(nèi)噴淋加濕、自動(dòng)翻料、溫濕度自動(dòng)檢測(cè)顯示、自動(dòng)進(jìn)出料等自動(dòng)控制操作過(guò)程�？梢栽诔�、常壓下工作，利用夾套、內(nèi)蛇管和無(wú)菌空氣進(jìn)行加熱和冷卻。由于發(fā)酵物料是在密閉條件下進(jìn)行發(fā)酵，而且進(jìn)入發(fā)酵罐內(nèi)的空氣和水都經(jīng)過(guò)滅菌處理，消除了雜菌污染的可能性，使最終產(chǎn)品的質(zhì)量有了確切保證。發(fā)酵罐的每層物料都裝有機(jī)械攪拌器，通過(guò)軸向攪拌的翻料形式使物料上下翻動(dòng)均勻。發(fā)酵罐外部每層都設(shè)有視鏡、無(wú)菌取樣口，發(fā)酵罐內(nèi)的堆料板、攪拌器都可以拆卸，因此維護(hù)保養(yǎng)十分方便。立式多層固態(tài)發(fā)酵罐可以用于菌體蛋白、纖維素酶、淀粉酶、四環(huán)素、赤霉素、紅曲、醋曲、醬曲的生產(chǎn)，生物制藥，飼料和菜籽餅固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)酶等許多領(lǐng)域，并且固態(tài)發(fā)酵罐可以利用液態(tài)發(fā)酵難以利用的原料。
3.5旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)式反應(yīng)器
旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)式反應(yīng)器為全封閉式結(jié)構(gòu)，主要構(gòu)件包括旋轉(zhuǎn)篩盤(pán)、拋撒機(jī)構(gòu)、攤刮機(jī)構(gòu)、翻料機(jī)構(gòu)、空氣過(guò)濾裝置、通風(fēng)設(shè)備和控制系統(tǒng)等。其中以廣東省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所研制的GTF-5為典型代表。該設(shè)備密封效果好，杜絕了雜菌污染，能方便的進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)溫、控溫、控濕，為微生物的培養(yǎng)提供有利條件。料床為圓盤(pán)動(dòng)力旋轉(zhuǎn)式，既可以消除發(fā)酵“死角”，又得以投料、鋪平、翻料機(jī)械化，極大的方便了生產(chǎn)，從而可與前后工序的設(shè)備配套，形成自動(dòng)化程度較高的生產(chǎn)線。該設(shè)備在菌體蛋白、多酶活性蛋白粉及脫毒菜籽餅等發(fā)酵飼料中已得到應(yīng)用。
3.6氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵生物反應(yīng)器
該發(fā)酵裝置由中科院過(guò)程工程研究所研制而成，其主要設(shè)備包括臥式固態(tài)發(fā)酵罐、罐內(nèi)壓力脈動(dòng)控制系統(tǒng)、罐內(nèi)空氣循環(huán)系統(tǒng)、小推車(chē)盤(pán)架系統(tǒng)和機(jī)械輸送系統(tǒng)。其工藝過(guò)程具有以下特點(diǎn)：①無(wú)固體層機(jī)械翻動(dòng)裝置，由薄層、氣相雙動(dòng)態(tài)及循環(huán)風(fēng)機(jī)達(dá)到傳質(zhì)與傳熱要求；②由于無(wú)固體翻動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易密封，便于工業(yè)放大；③反應(yīng)器為一受壓容器，可用于壓力蒸汽進(jìn)行嚴(yán)格的空罐或?qū)嵐逌缇�，無(wú)死角，便于清掃；④采用無(wú)菌壓縮空氣供氧，發(fā)酵過(guò)程中反應(yīng)器為正壓狀態(tài)，故能?chē)?yán)格達(dá)到純種固態(tài)培養(yǎng)的要求；⑤氣相雙動(dòng)態(tài)可促進(jìn)微生物代謝、強(qiáng)化細(xì)胞內(nèi)外的傳質(zhì)、減少代謝產(chǎn)物的反饋抑制，從而具有縮短發(fā)酵周期、提高轉(zhuǎn)化率的功能；⑥反應(yīng)器的環(huán)形結(jié)構(gòu)與循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)可使反應(yīng)器內(nèi)的溫度、濕度均勻一致；⑦反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置冷卻排管，加之循環(huán)風(fēng)機(jī)配合后，強(qiáng)制罐內(nèi)氣相空氣順次通過(guò)物料和冷卻排管，降低發(fā)酵物料溫度，便于反應(yīng)器內(nèi)溫度與濕度的調(diào)控；⑧氣相雙動(dòng)態(tài)的周期、振幅與波形由進(jìn)出氣閥的適時(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)完成，可以隨發(fā)酵過(guò)程對(duì)供氧與發(fā)熱要求進(jìn)行計(jì)算機(jī)在線優(yōu)化控制。通過(guò)微生物農(nóng)藥Bt可濕性粉劑、白僵菌和纖維素酶為示范性產(chǎn)品的試驗(yàn)證實(shí)，該發(fā)酵裝置顯示出諸多優(yōu)于液體深層發(fā)酵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格意義上的純種培養(yǎng)；實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)；周期刺激使發(fā)酵效價(jià)提高3到5倍，發(fā)酵過(guò)程中溫度、濕度、pH值可控；真空冷凝干燥與超音速氣流粉碎不但不使毒力效價(jià)降低，反而有所提高；無(wú)三廢排放等。目前已有的試驗(yàn)與生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)果證明，無(wú)論是細(xì)菌，還是霉菌、放線菌，均可采用此現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)實(shí)現(xiàn)純種大規(guī)模培養(yǎng)，尤其是對(duì)后者效果更佳。