现代固态发酵技术工艺、设备及应用研究进展

李 浪,杨 旭,薛永亮

(1.河南工业大学生物工程学院,河南郑州 450001;2.河南省轻工业设计院,河南郑州 450003;3.郑州良源分析仪器有限公司,河南郑州 450052)

现代固态发酵技术工艺、设备及应用研究进展

李 浪1,2,杨 旭3,薛永亮3

(1.河南工业大学生物工程学院,河南郑州 450001;2.河南省轻工业设计院,河南郑州 450003;3.郑州良源分析仪器有限公司,河南郑州 450052)

介绍了固态发酵及影响固态发酵过程的主要工艺条件,阐述了固态发酵各种反应器类型,讨论了固态发酵技术在生物转化、生物燃料、生物防治、垃圾处理和生物修复等方面的应用.

固态发酵;工艺条件;反应器

0 前言

固态发酵 (Solid state fer mentation)指体系在没有或几乎没有自由水存在下,微生物在固态物质上生长的过程,过程中维持微生物活性需要的水主要为结合水或与固体基质结合的状态.大部分研究者认为固态发酵和固体基质发酵 (Solid substrates fermentation)是同一概念,可是 Pandey等[1]却认为固体基质发酵是在无自由水条件下固体基质作为碳源或氮源的发酵过程,而固态发酵是在无自由水条件下利用天然或惰性底物 (如合成泡沫)作为支持物的发酵过程.本文中将其统称为固态发酵.

近几年来,随着世界性的能源危机和环境保护意识的增强,固态发酵重新受到重视,主要归因于农业、工业废弃物在固态发酵方面得到较大应用,比如土壤修复、生物转化及生物燃料等,是工业应用的理想技术[2].

1 影响固态发酵的因素

影响固态发酵过程的因素很多,主要取决于基质类型、微生物选取和生产规模,可大致分为生物化学、物理化学和环境因素.所有的因素都是密切相关的,不能独立地看待.在特定的固态发酵过程中,单个因素作为生化还是物化因素需要区别开来.某个因素在生化反应中可看做独立的,但在物化反应中是相互影响的,反之亦然[3].所以,需要分析各个因素在固态发酵进程中的影响.

1.1 固态发酵微生物

真菌和细菌是固态发酵使用较多的微生物,真菌是比较理想的 (如图 1所示,真菌菌丝穿过基质的皮壳到达淀粉颗粒)[4].接种真菌孢子较营养细胞有一定优势:接种方便、灵活且易于保存较长时间和较高活性,但也有一定的缺点,如较长的滞后期、孢子接种量较大;在孢子萌发之前需诱导孢子进入代谢活动和酶系合成以防孢子休眠.某些发酵过程需要菌丝接种,如将毛壳菌菌丝接入小麦秸秆中进行固态发酵.接种密度 (个 /克物料)也是固态发酵的一个重要影响因子.

图1 固态发酵中丝状真菌的形态

1.2 水分和水活度

底物含水量的变化对微生物的生长及代谢能力有重要影响.低水分将降低营养物质传输、微生物生长、酶稳定性和基质膨胀;高水分将导致颗粒结块、通气不畅和染菌[5].固态发酵过程中水分含量范围应控制在 30%～85%.不同微生物发酵,水分应该是不同的.

微生物能否在底物上生长取决于该基质的水活度 Aw.水活度除受基质本身的影响外,还与溶质的种类和数量有关.不同微生物 Aw要求也不同.一般而言,细菌要求 Aw在 0.90～0.99之间;大多数酵母菌要求 Aw在 0.80～0.90;真菌及少数酵母菌要求 Aw在 0.60～0.70.因此,固态发酵常用真菌原因就是其对水活度要求低,可以降低杂菌的污染.在固态发酵过程中,由于基质的水解,物质的溶出,Aw降低[6],将延长微生物的滞后期,导致生物量减少.可以通过加无菌水、加湿空气和安装喷湿器等方法来提高 Aw,以保证菌体正常生长.

1.3 基质和粒度

固态发酵基质常为农业副产物、天然纤维素、固体废料等.具有大分子结构的原料其惰性组织将氮源和碳源物质紧紧包裹,不利于发酵,因此原料的预处理是很重要的,主要通过物理、化学或者酶水解等方法降低被包裹或颗粒粒度,提高基质可利用率[7].采用天然基质进行固态发酵,随着微生物的生长,作为基质结构的部分碳源物质被消耗,影响了传质和传热,通常在发酵过程中加入适量的具有稳定结构的支持物来改善[8].

基质粒度关系到微生物生长及传质传热效果,将直接影响到单位体积颗粒所能提供的反应表面积的大小,也会影响到菌体是否容易进入基质颗粒内部及氧的供给速率和代谢产物的移出速率等[9].小的颗粒可以提供较大微生物攻击表面积,提高固态发酵反应速率,是理想的选择,但是在许多情况下太小的颗粒容易造成底物积团,颗粒间空隙率也减小,导致阻力增大,对传热、传质产生不利的影响,导致微生物不良生长;大颗粒由于存在较大间隙有利于提高传质和传热效率,还可提供更好的呼吸及通气条件,但微生物攻击表面积较小.

1.4 O2和 CO2浓度

固态发酵系统的气态环境直接影响到生物量的大小和酶合成的程度,需要控制空气流动来调整气态环境.好氧微生物的理论呼吸熵 (RQ)为1.0,低于 1.0将影响氧气传输,微生物生长受到阻碍[10].通过测定 O2吸收速率和 CO2合成速率(发酵尾气分析仪进行在线实时测定),可以判断微生物的生长程度 (反应生物量的变化),通过改变 O2和 CO2的分压大小,可以控制微生物的生长和代谢,进而调节固态发酵过程[11].

1.5 温度和 pH值

由于微生物的生长、蛋白质合成、酶和细胞活性及代谢产物合成对温度的敏感性[12],对温度的控制很重要.大多数真菌的生长温度范围在 20～55℃,致死温度在 50～60℃.在发酵过程中,微生物代谢产生大量的热,造成品温上升很快 (有时高达 2℃/h),如果产生的热不能及时散去,就会影响孢子发芽、生长和产物产率.又固态发酵不同料层的物料温度不同 (在微生物生长对数期可超过 3℃/cm),造成发酵不均一.因此,在固态发酵反应器设计方面,主要集中在如何传热,到目前为止,最好的解决办法是通风[5].

固态发酵过程中由于代谢活动,pH值会发生一定变化,最常见的是有机酸的生成,造成 pH值下降.不同微生物的最适生长 pH值是不同的,真菌生长 pH值范围在 2.0～9.0,最适范围在 3.8～6.0;酵母最适范围在 4.0～5.0.低 pH值可以有效地抑制污染菌的繁殖.对 pH值很难采用合适的技术进行在线测定和控制,可在发酵原料中加入具有缓冲能力的物质 (对反应过程无影响)来缓冲 pH值的变化.

1.6 通风和搅拌

好氧发酵过程中对氧的需求及系统中传质、传热的需要,通风和搅拌操作有重要的影响.空气速率增加可提供微生物生长所需氧气,又可以移除 CO2、挥发性代谢物和反应热,但很多因素影响O2的传输,如空气压力、通气率、基质空隙、料层厚度、培养基水分、反应器几何特征及机械搅拌装置的转速等.气流强度可作为评判通风强弱的标准,通气质量也很重要 (特别是气体湿度,可改变水活度)[13].合适的通风强度和质量可提高对温度的控制.

由于基质的不均匀性,通风过程容易造成细胞代谢发生变化,需要通过搅拌来提高物料发酵、水分、温度和气态环境均一性.在选择基质时,应考虑基质特性,避免在搅拌过程中出现结块现象,但过分的翻动可能损伤菌丝体,抑制菌体生长.间歇搅拌较连续搅拌有较好效果,对菌丝体的生长及其在基质上附着更有利.

1.7 固态发酵反应器

固态发酵反应器是目前限制固态发酵用于现代生物反应工程的一个重要因素.设计反应器需要考虑几个方面的问题:灭菌、接种、传质传热、取样、供气、参数的测量和控制等.迄今为止已有许多类型的固态发酵反应器问世 (包括实验室、中试和工业生产),部分用于食用菌、酶制剂、动物饲料和土壤修复等.

1.7.1 浅盘发酵反应器

浅盘发酵反应器是所有反应器类型中最简单的发酵设备,结构见图 2,是传统发酵食品的酒曲生产采用的反应装置,但是,散热主要通过托盘传导,即使通电冷却也不足以去除代谢热.此外还有传质传热速率低造成的高污染风险和托盘利用率低等缺点.

图2 浅盘固态发酵反应器

1.7.2 流化床反应器

该反应器主要是在金属网或多孔板上铺置粉粒状基质,从底部往上吹空气形成流化层状态,两种不同形式的流化床结构见图 3.反应器的主要参数是粒径大小和颗粒分布,粒径分布越狭窄,颗粒越容易保持流化状态.反应器采用封闭系统可较好保持无菌状态,发酵完成可提高空气温度直接将产品进行干燥回收.这类反应器容积率低.

图3 流化床反应器

1.7.3 转鼓式反应器

其基本形式是将一个圆柱形容器支架在一个转动系统上,转动系统主要起支撑及提供动力作用,结构示意见图 4[14].转鼓式发酵器转动速率一般为 1～16 r/min,有的可达到更高转速,真菌菌丝体的破坏程度对转速较敏感.这类反应器重点要解决好物料结块和粘壁的问题,其次是反应器容积率低.增加破碎板 (网)可以解决结块问题.

图4 转鼓式反应器

1.7.4 圆盘式反应器

圆盘式反应器底部通常由两层金属网制成,无菌空气由底部均匀进入 1 m左右厚的发酵基质.几个并排的螺旋式搅拌器在以一定的速度水平运动的同时,还以适当的转速自转.在搅拌器上还有 2～3个喷头,用于补水,结构示意见图5.本反应器易于放大进行工业生产,但不能进行无菌操作,只能用于自然发酵和混合发酵过程.

图5 搅拌圆盘式反应器

1.7.5 其他

还有根据不同需要制作的不同固态发酵反应器,如气相双动态固态发酵技术及装置 (示意见图 6)[15].该项技术已成功地从实验室的 2、50、800 L放大到 25、50、70 m3的工业级生产规模.应用范围涉及到抗生素、酶制剂、有机酸、食品添加剂、生物农药和生物肥料等.

图6 压力脉动反应器

2 现代固态发酵技术的应用

固态发酵技术在传统功能食品和酒类酿造方面得到了广泛应用,如酱油、米酒、豆豉、黄酒和白酒等.从传统固态发酵发展到现代固态发酵,该技术在生产抗生素、酶制剂、精饲料、有机酸、生物活性物质等方面发挥了重大作用,并进一步扩大到生物转化、生物燃料、生物防治、垃圾处理及生物修复等领域,固态发酵作为潜在的技术引起人们的密切关注.

2.1 生物转化

利用固态发酵技术对农作物及农作物残渣进行生物转化提高其营养价值具有巨大经济价值.现在食品和饲料行业对其利用越来越广泛 (见图7).如利用根霉菌对木薯及木薯渣进行发酵以提高其营养价值;利用白腐菌或黄孢原毛平革菌对木质纤维素进行降解[16-17];利用木霉发酵棕榈提高其在饲料行业的利用率[18].

图7 固态发酵在食品和饲料行业的应用

2.2 生物燃料

用农业、工业残渣固态发酵生产生物燃料可大致分为两大类:气体和液态生物燃料.对传统沼气进行净化可得到新型生物燃料;生物制氢是一个相对较新的生物燃料的气体类型,由氢细菌、产酸和产甲烷细菌联合厌氧发酵农工业废物.液体生物燃料最近被分为生物乙醇和生物柴油.由于世界能源危机生物乙醇表现出了振奋人心的重要性,生物柴油作为石油的潜在替代品不断得到发展.利用固态发酵方法生产生物乙醇有可消除糖的制备过程,节省成本;降低发酵罐体积,无废水;降低能耗等优点,发酵过程由酵母产生的转化酶和酒化酶对天然原料 (如甜菜、苹果渣、甜高粱和木薯等)进行转化[19].与酒精不同,生物柴油是一种酯,生物发酵提取的乙基或甲基酯可以与传统柴油混合或 100%地作为生物柴油使用.Amin等用微藻处理工业废水生产藻油取得突破性进展,藻油经简单处理即可作为生物柴油[20].

2.3 生物防治

生物防治是一种既不污染环境,又可杀死害虫或病菌的办法,是利用有益生物或其他生物来抑制或消灭有害生物的一种防治方法,常见的有应用真菌、细菌、病毒和能分泌抗生物质的抗生菌(对人体和环境不产生公害).利用固态发酵生产真菌杀虫剂,药物对害虫的毒力得到极大的提高.如早期的白僵菌、苏云金杆菌杀虫;又如假单孢杆菌、哈慈木霉和绿色木霉复合使用能最大限度地抑制尖孢镰刀菌香蕉转化型[21].施用固态发酵微生物肥料能减轻西瓜、黄瓜连作障碍[22].

2.4 垃圾处理

目前国、内外城市垃圾处理主要采用填埋、焚烧、发酵等方法,其中填埋技术占地面积大,不易降解;采用垃圾焚烧技术,其减量化程度高,但投资巨大且受到烟气排放的制约;发酵技术具有减容、减量及无害化程度低及可再循环利用等优点成为国内外垃圾处理方面的首选.利用固态发酵技术加工处理生活垃圾,不但解决了资源短缺等问题,同时降低了垃圾排放.德国 Eggersmann公司采用 Horstmann隧道仓发酵系统对分类收集的有机垃圾、不含重金属等工业有害物进行处理,生产高等级的有机肥料,处理能力为 7.3万 t/年.西班牙巴塞罗那的 ECOPARE垃圾综合处理厂采用垃圾前分选、好氧堆肥、厌氧发酵、沼气发电等工艺可处理城市混合垃圾和餐馆垃圾,日综处理能力为 1 050 t.加拿大 Edmonton处理厂采用滚筒发酵工艺技术,每年生产 12.5万 t腐熟堆肥.中国广东省博罗县采用分选、有机垃圾发酵、肥料加工、可燃物热解、气化发电、无机垃圾填埋等工艺相结合的系统集成技术对生活垃圾进行处理,生产有机复混肥.

2.5 生物修复

固态发酵生物技术是有毒化合物生物降解与环境生物修复的有益工具.如国家海洋局第三研究所学者利用太平洋深海红球菌 (Rhodococcus sp.T W53)修复石油污染海水和湖水,石油的分解率达到 90%,同时收集菌体还可得到富含 FA的油脂 59.18%[23].利用 P.ostreatus对含有咖啡因的物质进行固态发酵进行生物修复可达到对咖啡因降解的目的.希腊学者利用微生物去除垃圾填埋场中的腐植酸,去除率可达 85%以上[24].

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PROGRESS IN TECHNOLOGY,B IOREACTORS AND APPL ICATI ONS OF MODERN SOL I D-STATE FERMENTATI ON

L ILang1,2,YANG Xu3,XUE Yong-liang3
(1.School of B ioengineering,Henan University of Technology,Zhengzhou450001,China;2.Light Industry Design Insitute of Henan Province,Zhengzhou450003,China;3.Zhengzhou L iangyuan Analytical Instrum ents Co.L td.,Zhengzhou450052,China)

The paper introduced the solid-state fermentation(SSF)and the main technological conditions influencing the SSF,described the type of various kinds of SSF bioreactors and discussed the applications of SSF technology in the biotransfor mation,biofuels,biological control,waste treatment,bioremediation and so on.

solid-state fermentation;technological conditions;bioreactors

TS201.3

A

1673-2383(2011)01-0089-06

2010-09-22

李浪(1961-),男,四川都江堰人,高级工程师,主要从事生物工程应用研究教学与设计工作.