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1、新型固态发酵设备的种类及用途摘要:本文介绍了现代新型固态发酵设备的特点及其优越性，同时综述了国内外固态发酵设备的开发现状及最新研究动态，为开发研制新型固态发酵设备提供参考。关键词 固态发酵,固态发酵反应器1.浅盘发酵器这是比较常用的一种固态发酵设备,对传统的浅盘发酵进行了简单的改进,培养基经灭菌冷却装入浅盘,通过空气增湿器调节空间的温湿度,可通入经过滤的无菌空气,满足菌体生长对氧的需求浅盘发酵中由于存在对流空气,散热效果不理想,发酵物料的厚度有一定限制;另外,浅盘发酵中还涉及到氧气消耗问题,因而对此类生物反应器进行设计时应考虑强制通风,避免这类问题的产生。虽然浅盘反应器操作简便,产
2、率较高,产品均匀,但因体积过大,耗费劳动力大,无法进行机械化操作,不适宜在工业生产中应用。2.转鼓式发酵器转鼓式反应器适合固态发酵的特点,可满足充足的通风和温度控制,因而对它的研究也较多.Hardrin(2000)等根据微生物生长产热量最高峰时的热量产生与去除效果的比率,利用无因次设计因数(DDF)来研究设计转鼓式发酵器(RDB),它能够预测给定条件下反应床中能达到的最大温度值,得出发酵期间最大耐受温度,并结合操作变数作出相应的控制措施,该方法提出了利用几何相似性原则进行反应器设计,放大时考虑的3个策略:第1维持通过RDB的空气表面流速恒定;第2维持反应器单位体积内空气体积比率恒定
3、;第3反应器放大时调节空气气流速度以维持期间反应床中到达的最高温度恒定。另外,运用DDF方法进行反应器放大设计也可适用于其他固态发酵生物反应器,如浅盘式发酵器,流动床反应器及填充床反应器等,或通过构建系统热量除方法用于其他特殊类型的生物反应器放大设计。Han(1999)等设计的该反应器配有搅拌轴,料气进出口及接种口等,培养基灭菌、接种、通气培养和干燥可在发酵器内进行,可有效防止杂菌污染,恒温水浴控制温度,恒温冷水喷雾冷却旋转鼓,发酵时温度波动小,机械化程度高。通过实验比较了静置式与搅拌式对大豆根霉发酵效果的影响,结果表明,该发酵反应器操作隔离性能好,通过传感器对操作参数进行检测和控
4、制,滚轴旋转速度在115～40r/min,空气进入管中流速为210L/min,但反应器体积放大有一定的局限性。因其影响到反应器的热量扩散和培养基的灭菌效果,此外,前期过多拌料等因素对一些菌属的生长有较大的影响;Han(1999)等利用RDB根霉发酵大豆生产新型的固态发酵产品,可作为粉状食品的配料。目前,RDB被应用于酒精、酶、制曲、植物细胞培养、根霉发酵大豆及丹贝等生产中。3.旋转圆盘式发酵机旋转圆盘式发酵机是目前国内较为先进的新型固态发酵设备。密封效果好,不仅杜绝了杂菌污染,更能有效地保持温、湿度,并能方便地进行自动化测温、控温、控湿,为微生物生长繁殖提供了有利条件。料床为圆盘动
5、力旋转式,既可以消除发酵“死角”,又得以与入料、翻料、摊平、出料等机构有机地配合,实现出入料、摊平、翻料机械化,大大地方便了生产,从而可与前后工序的设备配套,形成自动化程度较高的生产线,该机适用于发酵周期短的产品生产。4.搅拌式发酵反应器搅拌式发酵反应器和液态反应器类似,有立式和卧式之分,卧式反应器根据搅拌方式又可分为转轴式和转筒式。但由于固态基质的搅拌特性,对搅拌浆的设计有特殊要求。此类搅拌器在食品工业早已应用,日本生产的小型带柴油发动机的专门用于纤维素物质固态发酵的搅拌式小型反应器,可供乡村家庭使用,其发酵产物可直接用作饲料。江苏大学生物工程研究所从20世纪90年代末就致力于开
6、发固态物料发酵系统,研制出的固态发酵反应器将物料的混合、灭菌、冷却、接种、发酵几个工艺过程,集中在一个工位完成,避免了物料的搬动,保证微生物生长所需的环境条件,防止了杂菌的污染,在技术上有了新的突破。5.压力脉动固态发酵反应器压力脉动固态发酵反应器设计主要是以流体静力学理论为基础(固相培养基静态),以法向作用力为动力源(气相动态周期作用力),强调生物反应器是一个非线性活细胞代谢与周围环境进行质量、热量、能量、信息交换的生态系统,是由生命系统和环境系统组成的特定空间,而不是单一的装置。用无菌空气对密闭低压容器的气相压力施以周期性脉动。罐体气相压力通过无菌空气进行充压与泄压。峰压值一般
7、为1501350MPa,谷压一般为1103MPa。峰压时间与谷压时间由人为设定控制,并随发酵时间而变化,一般在对数增长期变化频率高,延迟期与稳定期频率小。周期一般为25215h,随需要而定。“压力脉动”对固体培养基是静态,但对气相则是动态。其发酵设备的成果处于国际领先水平。目前,压力脉动固态发酵反应器已成功地从实验室的2、50、800L放大到25m3、50m3、70m3的工业级生产规模。并对装料方式等进行了改进。应用范围涉及到抗生素、酶制剂、有机酸、食品添加剂、生物农
