蛋白飼料固態(tài)發(fā)酵設備的類型及特點
3動態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵設備的特點及應用
與靜態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵最根本的區(qū)別是，動態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵過程中培養(yǎng)基處于連續(xù)或間歇攪拌狀態(tài)。由于靜態(tài)發(fā)酵過程產(chǎn)生的代謝熱很難被有效移除，現(xiàn)實中，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)，解決了代謝熱擴散問題，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)重要過程參數(shù)(如溫度和水分含量)進行充分的控制提供了可能。良好的攪拌肯定會提高過程控制的效果，但攪拌對生產(chǎn)效率的影響卻存在爭議。
一些文獻報道，由于攪拌導致的傳質(zhì)、傳熱性能改善所帶來的效果要優(yōu)于攪拌所帶來的不良影響，而另有一些研究表明，攪拌會使生產(chǎn)率降低。因此，攪拌對固態(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塊的傾向；其次，攪拌會損傷菌絲，進而可能影響其生長與代謝。
3.1攪拌式生物反應器
攪拌式生物反應器是最簡單的動態(tài)發(fā)酵設備，它和填充床式反應器有許多類似之處，不同的地方就是攪拌式反應器有攪拌漿。通過控制這個攪拌漿，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)的運動是由攪拌軸的運動來實現(xiàn)的，而在轉(zhuǎn)鼓式中是由罐體的運動來實現(xiàn)的，除此以外，其他方面都很類似。荷蘭Wageningen大學成功研制了可較好控制溫度和濕度的水平攪拌反應器，可用于不同的生產(chǎn)目的，但因為熱只能通過器壁移出，使得該裝置在大規(guī)模生產(chǎn)時效率較低。Durand等人利用計算機技術為反應器研制了一個行星混合裝置，使反應器的滅菌過程、發(fā)酵過程得到很好控制，并申請了專利。這種反應器已經(jīng)用于沒食子酸固態(tài)發(fā)酵的反饋生產(chǎn)以及分生孢子的生產(chǎn)。
3.2轉(zhuǎn)鼓式生物反應器
轉(zhuǎn)鼓式生物反應器其主體是一個水平或傾斜的圓柱體，圓柱體繞著它的中軸旋轉(zhuǎn)而使反應器中的發(fā)酵底物隨之翻動，也可以在反應器中增加攪拌裝置以強化底物的攪拌程度。與固定床相比，轉(zhuǎn)鼓式反應器優(yōu)點在于可以防止菌絲體與反應器粘連，轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)使筒體內(nèi)基質(zhì)達到一定程度的混合，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)鼓式反應器的主要特點是空氣從基質(zhì)的頂部吹過，空氣和基質(zhì)的熱量和物質(zhì)交換是通過反應器的轉(zhuǎn)動來促進的。這種反應器中，熱量的傳遞主要有兩種途徑：一是直接通過對流和蒸發(fā)將熱量傳遞到反應器的頂部空氣；二是由反應器的壁傳導傳遞�？刂茰囟鹊霓k法主要有：將反應器放置在控溫的培養(yǎng)室內(nèi)；將反應器部分浸在水浴中；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)來降溫，因為這樣的反應器可以從頂部通過噴水來調(diào)節(jié)基質(zhì)的水分含量。Kalogeris等改進的轉(zhuǎn)鼓反應器包括：器壁帶水夾套、具穿孔能力的圓柱形鼓、發(fā)動機、熱交換器、增濕器、冷凝器和蠕動泵等，出口的水蒸汽在增濕器里濃縮、收集、重新循環(huán)使用。Alberto等設計的轉(zhuǎn)鼓反應器由一個緩慢旋轉(zhuǎn)的金屬網(wǎng)絲制成的圓柱體組成。當圓柱體旋轉(zhuǎn)時，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氣固流化床反應器
氣固流化床反應器是通過流體的上升運動，使固體顆粒維持在懸浮狀態(tài)下進行反應的裝置。氣固流化床的基本特點是：一個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，可能有一個特制的攪拌裝置用來協(xié)助攪拌基質(zhì)顆粒。其優(yōu)點如下：①通氣良好，有助于好氧微生物的生長；②代謝熱的去除十分完全，不會發(fā)生培養(yǎng)溫度過高的問題；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，有利于過程中工藝參數(shù)的控制；⑤某些產(chǎn)物(如單細胞蛋白)可以直接在反應器中進行干燥；⑥相對于傳統(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)操作費用。因為不是所有的基質(zhì)都可以很容易地被懸浮起來，所以這種反應器只能用在那些基質(zhì)有比較好流化行為的工藝中。一般來說，粒徑分布越窄的細小顆粒越容易保持流化狀態(tài)。相反，易聚合成團的顆粒由于撞擊、碰撞難以維持流化狀態(tài)。目前，利用該反應器較多的是日本，主要用來生產(chǎn)單細胞蛋白、酶和生物殺蟲劑等。
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、自動化程度高、生產(chǎn)能力大、易于檢測和控制等優(yōu)點。發(fā)酵物料可以在發(fā)酵罐內(nèi)進行蒸煮、滅菌、降溫等操作，更重要的是實現(xiàn)了發(fā)酵罐內(nèi)接種、發(fā)酵罐內(nèi)噴淋加濕、自動翻料、溫濕度自動檢測顯示、自動進出料等自動控制操作過程�？梢栽诔�、常壓下工作，利用夾套、內(nèi)蛇管和無菌空氣進行加熱和冷卻。由于發(fā)酵物料是在密閉條件下進行發(fā)酵，而且進入發(fā)酵罐內(nèi)的空氣和水都經(jīng)過滅菌處理，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械攪拌器，通過軸向攪拌的翻料形式使物料上下翻動均勻。發(fā)酵罐外部每層都設有視鏡、無菌取樣口，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)圓盤式反應器
旋轉(zhuǎn)圓盤式反應器為全封閉式結構，主要構件包括旋轉(zhuǎn)篩盤、拋撒機構、攤刮機構、翻料機構、空氣過濾裝置、通風設備和控制系統(tǒng)等。其中以廣東省農(nóng)業(yè)機械研究所研制的GTF-5為典型代表。該設備密封效果好，杜絕了雜菌污染，能方便的進行自動化測溫、控溫、控濕，為微生物的培養(yǎng)提供有利條件。料床為圓盤動力旋轉(zhuǎn)式，既可以消除發(fā)酵“死角”，又得以投料、鋪平、翻料機械化，極大的方便了生產(chǎn)，從而可與前后工序的設備配套，形成自動化程度較高的生產(chǎn)線。該設備在菌體蛋白、多酶活性蛋白粉及脫毒菜籽餅等發(fā)酵飼料中已得到應用。
3.6氣相雙動態(tài)固態(tài)發(fā)酵生物反應器
該發(fā)酵裝置由中科院過程工程研究所研制而成，其主要設備包括臥式固態(tài)發(fā)酵罐、罐內(nèi)壓力脈動控制系統(tǒng)、罐內(nèi)空氣循環(huán)系統(tǒng)、小推車盤架系統(tǒng)和機械輸送系統(tǒng)。其工藝過程具有以下特點：①無固體層機械翻動裝置，由薄層、氣相雙動態(tài)及循環(huán)風機達到傳質(zhì)與傳熱要求；②由于無固體翻動機械傳動，反應器結構簡單容易密封，便于工業(yè)放大；③反應器為一受壓容器，可用于壓力蒸汽進行嚴格的空罐或?qū)嵐逌缇瑹o死角，便于清掃；④采用無菌壓縮空氣供氧，發(fā)酵過程中反應器為正壓狀態(tài)，故能嚴格達到純種固態(tài)培養(yǎng)的要求；⑤氣相雙動態(tài)可促進微生物代謝、強化細胞內(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反應器的環(huán)形結構與循環(huán)鼓風機可使反應器內(nèi)的溫度、濕度均勻一致；⑦反應器內(nèi)設置冷卻排管，加之循環(huán)風機配合后，強制罐內(nèi)氣相空氣順次通過物料和冷卻排管，降低發(fā)酵物料溫度，便于反應器內(nèi)溫度與濕度的調(diào)控；⑧氣相雙動態(tài)的周期、振幅與波形由進出氣閥的適時自動控制系統(tǒng)完成，可以隨發(fā)酵過程對供氧與發(fā)熱要求進行計算機在線優(yōu)化控制。通過微生物農(nóng)藥Bt可濕性粉劑、白僵菌和纖維素酶為示范性產(chǎn)品的試驗證實，該發(fā)酵裝置顯示出諸多優(yōu)于液體深層發(fā)酵的技術經(jīng)濟指標；實現(xiàn)了嚴格意義上的純種培養(yǎng)；實現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)；周期刺激使發(fā)酵效價提高3到5倍，發(fā)酵過程中溫度、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降低，反而有所提高；無三廢排放等。目前已有的試驗與生產(chǎn)實踐結果證明，無論是細菌，還是霉菌、放線菌，均可采用此現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術實現(xiàn)純種大規(guī)模培養(yǎng)，尤其是對后者效果更佳。