固态发酵技术设备及在饲料工业中的应用研究进展

■沈桂宇

（辽宁省农牧业机械研究所有限公司，辽宁沈阳 110036）

固态发酵是发酵工艺中重要的一类，起源于中国，具有几千年的历史。近年来，由于固态发酵利用的是具有一定湿度的水不溶性固体培养基，具有节水、节能的独特优势，属于清洁生产技术逐步得到世界各国的重视而成为研究的热点，在农业、工业废弃物的利用和低值原料高值化方面均得到了较大的应用，特别是土壤修复、生物燃料、生物饲料、生物解毒等领域取得了显著进展。研究表明，固态发酵与其他培养方式相比具有明显优势。首先是培养基简单而且来源广泛，目前选用的多为便宜的天然基质或者工业生产后的副产物，而且培养基的含水量低，可以大大减少生物反应器的体积和对厂房的要求，发酵过程中或者后期不需要额外的废水处理，减少了环境污染。其次固态发酵投资少，能耗低，产物的产率较高，后续处理较简单，发酵前期和过程中一般不需要非常严格的无菌操作。此外，固态发酵在技术要求上相对宽泛，如通气不需要连续进行，一般可由气体扩散或者间歇通风完成，而且不需要严格的无菌空气或者单一气体。随着现代生物技术和检测手段的应用，固态发酵在技术、设备等方面都得到了进一步发展，为饲料工业等提供了新的思路和方法，具有重要的现实意义和理论价值。

1 固态发酵技术研究进展

与液态发酵不同，固态发酵是一种接近自然状态的发酵，水分活度低而且发酵不均匀，这使得发酵技术上实现固态发酵的自动化控制和在线监测非常困难，虽然目前有一些关于固态发酵的动力学研究和模型构建，但是仍然缺少完善和通用的数学模型，实际生产过程中的经验指导仍然不可或缺。影响固态发酵的因素很多，除了基质类型和微生物的选择外，还包括相应的发酵技术和工艺。当然，这些影响因素并不是独立存在的，彼此之间也存在着紧密的联系，甚至在特定的固态发酵中，技术或者工艺层面高低的差异可以直接决定着发酵产物的优劣，因此对于固态发酵而言，设备以外的温度、水活度、粒径、气体等各个主要因素的控制技术分析和互作研究就显得尤为重要。

研究表明，微生物在生长和代谢过程中需要释放大量的热量，特别是在生长初期尤为明显，因此温度是影响微生物生长的重要因素,可以直接关系到发酵过程的正常进行和最终产品的生成。同时又由于温度是一个重要的可以调节的参数，所以在温度控制技术上完全可以利用这一特点，根据不同微生物在固态发酵过程中温度的变化规律，结合加热、通风、喷淋等方法调节温度，尤其是在南方夏季气温较高的时间，既要保障微生物的快速生长代谢，又避免出现热量过高引起的微生物菌体生长抑制甚至大量死亡。

尽管固态发酵中的微生物是生长在缺乏或几乎缺乏不可见液体水的颗粒之间，仅从湿的基质颗粒中获得所需的水分，但是研究发现底物含水量的变化对微生物的生长及代谢能力有重要的影响，而且不同的微生物对水分的要求也不尽相同。过低的水分将降低微生物菌体酶的活性和稳定性，影响营养物质的吸收和菌体生长；过高的水分很容易导致物料结块和污染杂菌，因此水分控制技术对于固态发酵而言也是很重要的因素。现代研究表明，微生物能否在底物上生长取决于该基质的水分活度。水分活度是基质中水分存在的状态，即水分与基质结合程度，水分活度值越高，结合程度越低；水分活度值越低，结合程度就越高。只有水分活度大于某一临界值时，特定的微生物才能生长。固态发酵过程中，随着环境的变化基质水分活度将降低，所以对同一种发酵微生物而言，发酵中后期可以通过增加水分来提高水分活度，以保证菌体的正常生长。

固态发酵一般利用农业副产物，因此原料的预处理和基质粒径的控制技术同样非常重要，研究发现粒径可以影响微生物固态发酵的效率，因此可以通过物理、化学等手段和方法控制单位基质体积颗粒所能提供的反应表面积的大小，旨在为微生物的生长提供充足的营养物质和气体。但是粒径也并不是越小越好，过小的粒径会影响到传质传热的效率，进而影响微生物的生长和代谢，因此适宜的粒径控制技术尤为重要。此外，气体的控制技术有助于固态发酵过程中氧气、二氧化碳以及挥发性代谢物和反应热等的交换，结合温度等其他重要工艺参数，为微生物的生长繁殖提供必要的条件。

2 固态发酵设备研究进展

固态发酵中反应基质以固态形式存在，与深层液态发酵有着显著区别，反应体系内的传递过程也极其复杂，包括气-固、气-液、液-固等多种形式。因此固态发酵的主要生产设备即生物反应器与液体发酵反应器有着较大的差异，实际上这已经成为固态发酵反应在现代生物反应工程上应用的关键。剖析国内外的发展现状，包括浅盘发酵器、转鼓式发酵器、旋转圆盘式发酵机、搅拌式发酵反应器、压力脉冲固态发酵反应器、滚筒式固体发酵机以及卧式固态物料发酵罐等。近年来固态发酵过程模型的不断建立和相关理论的不断完善，为固态发酵反应器等关键设备的设计和研发提供了理论基础和技术支撑，保障了固态发酵技术工艺的实现，促进了大规模工业化、现代化和自动化生产应用。

在各种固态发酵反应器中，目前常用的是盘式、转鼓式和搅拌式反应器。其中盘式反应器又属于静态反应器，由一个密室和许多可以移动的托盘组成，是最简单、最普遍的固态发酵设备，应用规模化生产可通过增加或减少托盘数量来调节物料的多少。盘式发酵中存在占用面积大、散热效果不理想、耗费劳动力大等问题。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，一般包括基质床层、气相流动空间和转鼓壁等组成的多相反应系统。与传统的固态发酵反应器不同的是转鼓式反应器基质床层并不是铺成平面，而是由处于滚动状态的固体培养基颗粒构成。这一类反应器在生产和应用过程中，有时会出现结块现象，而且转动速率偏大时还存在剪切力对微生物菌丝体生长的影响。搅拌式反应器利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵基质充分混合，促进氧的溶解，以保证供给微生物生长繁殖和代谢所需的溶解氧，是一种封闭式的发酵模式，一般有立式和卧式之分。由于固态发酵基质特有的性质，因此对于搅拌器的要求较高，有设计是通过冷却液在箱体上流动，通过薄壁吸收发酵箱内的热量，同时搅拌器的不断搅拌和内部通风让固态物混合均匀、散热均匀，并且通过空气来控制发酵箱内部的湿度等参数。

综上所述，在研制新型固态发酵反应器时，通风和温控，物料状态，机械化程度，操作清洗等仍然是需要考虑的关键方面，随着现代科学技术的进步和相关发酵工程理论基础研究的发展，不断探究和揭示固态发酵过程的变化规律，加以系统控制技术的完善，固态发酵设备的设计也将会更加科学合理。

3 固态发酵在饲料工业中的应用

饲料工业是畜牧业和水产养殖业的基础，要发展现代养殖业，首先要发展饲料工业，要发展饲料工业，就要重视饲料资源的开发与利用，其中蛋白质饲料资源作为饲料非常重要的组分极其重要。应用固态发酵技术生产蛋白饲料、单细胞蛋白和菌体蛋白，不仅可以提供大量优质的饲料蛋白源，而且还能提供具有特殊生理作用的生长因子、益生菌、益生素等功能性物质。特别是针对目前饲料蛋白质资源严重短缺的现状，使得固态发酵在饲料工业中的应用前景更加广阔。

固态发酵技术和设备在饲料工业中应用的主要工艺流程涉及菌种扩大培养、原料预处理、接种发酵、干燥包装等，不同基质和发酵微生物分别对应各自合适的温度、湿度、通风等外界条件，并可以通过优化实验来确定。作为固态发酵高蛋白饲料，优良的菌种是关键，常用的菌种包括酿酒酵母、产朊假丝酵母、热带假丝酵母、米曲霉、黑曲霉以及芽孢杆菌、乳酸菌等，随着生物技术和现代微生物理论的发展，目前多采用多菌种混合发酵，通过利用不同菌株之间的特色和优势，既可以扩大对原料底物的适应性，又可以利用菌株之间的协同作用提高最终产物的蛋白质含量和效价。应用固态发酵技术生产蛋白饲料的原料广泛，如谷物的糠麸、饼粕类加工副产物以及含有淀粉的工业废渣等，因此固态发酵前首先进行原料的粉碎等预处理，粉碎的好坏也是影响发酵过程工艺和蛋白饲料产率的重要因素。原料粉碎细致，可以增加原料的利用率，但是过于细致又会影响气体等在原料内的传递，因此，一般可以通过预实验来确定原料的粉碎程度。