固态发酵反应器的研究进展

王振刚，袁沛梅，冯康，王婷，薛瑞璇，张笑然

（延安大学 化学与化工学院，陕西延安 716000）

固态发酵是一种利用固态基质作为发酵原料，基质中不含或极少含有液态游离水的微生物发酵形式。作为发酵工程的传统形式，自古埃及人制作面包起，传统固态发酵已拥有4 000余年历史，其产品以食品类为主[1]。20世纪以来，传统的固态发酵逐步融入现代工业生产中，目前已应用于酶制剂、有机酸、抗生素、维生素以及生物杀虫剂等多种产品[2-7]。固态发酵目前是部分传统食品、调味品、白酒、部分饲用酶制剂和多种真菌孢子杀虫剂的必要生产方式。同时，固态生物反应器作为固态发酵过程规模化、工业化的基础，也由传统的简单容器逐步向机械化、自动化方向发展，不断融入过程工程领域的新技术、新装备和新理念，成为发酵工程专业领域的一个重要关注点[2,8-9]。

1 固态发酵反应器的工作原理

固态发酵过程的本质既包括微生物胞内、外生化反应，以及其他生理学、遗传学过程，也包括固体物料、液态水膜、空气相和微生物相内部及相互之间的热量传递，水分、营养物质、代谢产物与氧的质量传递，以及通风与动态混合过程中的动量传递[9-10]。上述“三传一反”过程的实现都需要以生物反应器的相应结构和功能为基础。然而，由于含水固态物料的传热和传质阻力，使得发酵料床的温度、水分含量、营养物与代谢物浓度的时空分布都严重不均，且此类分布不均现象随反应器的体积增大而趋于严重，这就对固态生物反应器的结构和功能提出了较高的要求，也成为制约固态发酵规模放大的重要因素[2,11]。

固态发酵反应器种类繁多，但其强化“三传”过程的常规方式可归纳为以下4方面。（1）通过强化通风传递生物反应过程产生的代谢热，同时通过对流入空气加湿或直接对固态物料加湿，达到保持物料水分含量的目的[12-13]。但以调整空气流的方式强化传热和传质的技术路线，仍然无法根治过程参数分布不均的问题，且对于不实施通风的厌氧固态发酵反应器并不适用。（2）通过搅拌实现物料在空间上的均匀分布，同时使结块的物料破碎，从而强化物料的分散混合。具体方式包括在固定的反应容器内使用搅拌机构，或者驱动反应容器整体回转[14-15]。然而，对丝状真菌而言，混合过程的机械力容易使其菌丝体受损。（3）减小单个料堆的空间尺度，尤其是料层的厚度，从而缓解过程参数分布不均的问题[16]。此方法在固态发酵领域使用较多，例如常见的多层浅盘固态发酵，但在减小料层厚度的同时也会降低固态发酵容器的空间利用率。（4）利用循环水，以间壁式换热控制料床温度。除上述常规方法之外，20世纪90年代以来，出现了一些特殊的新型强化方式，例如中国科学院过程工程研究所研发的气相双动态固态生物反应器，利用周期性压力脉冲强化固态发酵过程，提高了“三传”效率，在酶制剂、生物农药等多种产品的固态发酵生产中获得了良好的工艺效果，并已成功放大到工业规模[10]。

2 固态发酵反应器的类别与特征

2.1 静态固态发酵反应器

静态固态发酵反应器在固态发酵中的应用历史较久，技术成熟，尤其在传统食品、调味品固态发酵生产中较为常用。其特征是固态物料在发酵过程中不发生运动，具体形式又分为浅盘固态发酵反应器和强制通风的填充床固态发酵反应器两类。

2.1.1 浅盘固态发酵反应器

浅盘固态发酵反应器一般为面积较大的盘状容器，在工业生产中可采取单层或多层设计，置于可控制温度和湿度的箱体或培养室中。浅盘底部可开孔或不开孔，但培养空间内部的空气在风机的驱动下，只在浅盘和料层的表面流动，不形成强制穿透料床的连续气流。此类反应器结构简单、易制作，培养空间和容器往往采用化学消毒和紫外线消毒，一般用于真菌孢子杀虫剂培养等半无菌固态发酵场合[16]。由于没有穿透料床的强制通风和机械搅拌翻料，为缓解温度、含水率分布不均问题并保证深层物料的供氧，此类反应器的料床厚度通常较低，因此设备产能受到一定限制[16-17]。例如DA CUNHA等[16]将长40 cm，宽29 cm，深12 cm的浅盘反应器培养用作真菌杀虫剂的金龟子绿僵菌孢子，通风气流方向平行于料床表面，料床厚度在2～6 cm，其中4 cm厚度料床获得了相对最高的产孢率。ZHANG等[6]研制的新型多层固态发酵反应器，用柔性透气膜代替传统浅盘反应器的刚性金属壁，设置顶部透气膜以防止杂菌污染，结果成功用于粉红粘帚菌的固态发酵。

2.1.2 强制通风的填充床固态发酵反应器

强制通风的填充床固态发酵反应器不配备机械搅拌或翻料装置，料床底部悬空，由孔板、筛板或筛网构成，以便在发酵过程中使用风机、空压机等设备输送新鲜湿空气以穿流的形式透过料床，从而带走料床中产生的代谢热。由于强制通风的作用，料床厚度相对于浅盘反应器而言可以适度提高，但一般仍在20～30 cm[1,18]。为提高设备产能，在工业生产中，此类反应器多为底面积较大的盘状、扁平箱状或配有透气假底的框状，且为了节约占地面积，其发展趋势为多层布置，例如王法利等[19]于2020年报道的多层组合式麸曲培曲中试装置。强制通风的填充床固态发酵反应器除箱式外，还包括在发酵规模较小的实验室研究中常用的柱式填充床固态发酵反应器。此类反应器一般为细长的立式柱状结构，底部有棉花、筛网、玻璃珠等透气介质支撑固态物料，使用加湿的无菌空气自下而上实施强制通风，还可利用水浴或夹套辅助控温，反应器容积从一升以下到几十升不等[12-13,20-21]。小型柱式填充床反应器经常多台平行使用，用于优化固态发酵条件和培养基成分，而较大的实验室柱式填充床反应器常用于研究固态发酵料床的数学模型，例如ZOLFAGHARI-ESMAEELABADI等[22]于2015年报道了基于一个1 L容积的填充床反应器构建的宏观和微观传递过程模型；CASCIATORI等[13]于2016年报道了基于一台长度1 m，直径7.62 cm的填充床反应器构建的强制通风固态发酵宏观双相二维模型；JIN等[23]于2019年利用低场核磁共振技术检测和表征了一个0.8 L容积的填充床反应器在米曲霉固态发酵过程中的水分场的时空分布，并建立了数学模型。上述数学模型普遍显示，在实施连续的强制通风条件下，柱状固态发酵反应器仍会呈现出明显的温度梯度，一般料床顶部中心位置温度较高，而料床底部筛板附近的物料温度较低。使用恒温水的换热夹套能对料床起到一定的控温作用，但有效范围仅在贴近换热壁面的料层范围内。此外，由于微生物对固体营养物的不断消耗以及发酵过程失水，此类反应器的料床易发生收缩板结，大块物料内部因热量难以发散造成升温烧料，而板结形成的缝隙又会使强制通风的气流发生短路，进一步加剧温度和水分分布的不均匀性[10,24]。为缓解这一问题，研究人员研制了“Zymotis”反应器，设置了垂直插入料床的多块平行换热板，利用基于循环水的间壁换热改善料床的温控精度[25]；PEREZ等[26]则在轴向强制通风的多层填充床反应器中通过中心风管和外周间隙层引入径向气流，改善了料床温度分布的均匀性。可见，由于不具备机械搅拌或翻料功能，静态固态发酵反应器难以在厚料层的条件下实现温度场和水分场控制的均匀性，一般用于菌丝体、分生孢子头等生理结构易受外界机械力破坏的丝状真菌发酵过程，或者菌体对温度、含水率控制偏差不敏感的应用场合，反应器的放大也受到一定的制约。

2.2 动态固态发酵反应器

动态固态发酵反应器运行过程中，在特定机械装置的作用下，固体物料在反应容器内发生间歇或持续运动。动态固态发酵反应器的容器形式和搅拌装置运动方式种类很多，包括转鼓式反应器、转轴式反应器、搅拌式反应器和旋转圆盘式反应器等主要类别，以及流化床反应器、连续反应器等特殊类型。

2.2.1 转鼓式固态发酵反应器

转鼓式固态发酵反应器一般为卧式圆筒形反应容器，内部可以设置刮板，通过筒体的整体回转驱动固态物料的翻腾混合，从而提高其均匀度，回转方式多为间歇式；反应器内部的通风大多通过轴向的中心管引入[1,9,24]。转鼓反应器应用广泛，可用于发酵生产酶制剂[27-28]、有机酸[29]等产品。用于实验室的小型转鼓反应器一般绕水平的旋转轴回转，而在规模化的发酵工厂中，此类反应器往往借鉴回转窑和转筒干燥机的结构，设计成用托轮支撑并提供回转动力的滚筒式反应器，可用于堆肥[30]。除常规结构转鼓反应器外，PESSOA等[31]研制了一种特殊转鼓反应器并用于黑曲霉发酵产果胶酶。该反应器是在圆柱形转鼓内部设置一个矩形料斗，其底部筛板可供强制通风气流自下而上流过料床，矩形料斗在正常发酵过程中处于转鼓下部，以类似强制通风的填充床反应器的模式运行，同时可通过整体回转实现物料的混合。该反应器是填充床反应器和转鼓反应器的融合，改善了填充床反应器因不具备混合功能而造成的温度、水分分布不均问题。此外，该团队还对此反应器料床内的空气流动状态进行了计算流体力学模拟。此外，DU等[32]报道了一种内部设置布料板的转鼓式固态发酵反应器，总容积达550 m3，用于甜高粱原料固态发酵生产乙醇。

2.2.2 转轴式固态发酵反应器

转轴式固态发酵反应器也称搅拌鼓式（Stirred drum）反应器，一般为固定的卧式罐体，内部设置水平旋转轴和上下旋转的搅拌叶，以起到打散结块的物料、强化传递的作用[9]。目前市售的多数实验室小型固态发酵罐产品采用了此类设计。RAZALI等[33]报道了使用一台2.3 L容积的转轴式反应器发酵产红曲色素，采用每天4～8次的间歇式混合方式，获得了6.09 AU/g干物质的色素产量。

2.2.3 曲箱和旋转圆盘式固态发酵反应器

在酒类或发酵调味品制曲的实际应用中，为缓解温度、水分不均以及物料结块问题，一般会在浅盘反应器的基础上采用人工翻料，或增加机械翻料装置[34]。二十世纪六七十年代的白酒与酱油行业常采用曲箱制备固体曲[18,35]。此类装置一般属于具备强制通风功能的填充床类反应器，但为提高物料的均匀度，往往采取间歇式的人工翻料操作，或使用机械翻料。目前，自动化程度更高的圆盘制曲机已成为白酒生产企业机械化制曲的常用机型，其发酵过程的工作原理是以带有强制通风功能的水平圆盘为反应容器，径向水平布置耕刀式翻料装置，以及径向的螺旋式混料装置，同时圆盘容器一般可旋转。这类反应器集培养（发酵）和烘干两大功能为一体，具备自动化的灭菌、进出料、控温控湿等功能，较传统装备大幅节约了人力[34]。

2.2.4 搅拌式固态发酵反应器

搅拌式固态发酵反应器仍以强制通风的填充床反应器为基础，增加中心旋转轴、水平悬臂梁，在悬臂梁上竖直安装可插入料床的多个相互平行的螺带搅拌桨。运行时，搅拌桨既可以通过自转对原位物料实施搅拌，也可以在中心旋转轴和悬臂梁的带动下围绕整个圆柱形罐体公转，使搅拌范围扩大到整个料床[36]。此外，丹麦诺维信公司ANDERSEN等[37]发明了一种新型模块化固态发酵反应器，其主体结构为内部带有水平筛板以及通风功能的模块化小型箱体，箱内筛板上方的料床内部可安装水平搅拌桨。多个反应器箱体可集中在发酵站中实施发酵过程调控，其进出料和搬运等操作可由机械装置完成，以替代高强度的人工操作。该发明适于自动化操作，便于维持发酵过程的无菌环境，具有良好的应用前景。

2.2.5 压力脉动式固态发酵反应器

中国科学院过程工程研究所研发的气相双动态固态生物反应器的工作原理是利用周期性变化的罐体内压，强化料床及物料颗粒内外的物质与能量传递。这种控制方式与传统的机械搅拌、翻料和强制通风在原理上有本质区别，不仅传递效率高，还因为不需要搅拌装置和动密封，使得此型反应器的密闭性更强，更适合纯种固态发酵应用[10,38]。

2.2.6 连续固态发酵反应器

过程的连续化是固态发酵发展的趋势之一。WANG等[39]报道了一种半连续操作的反应器，该反应器外形为水平圆管状，内部以螺旋输送机构为动力，使发酵物料形成活塞流式的连续运动，可用于固态发酵生产面包。

总之，动态固态发酵反应器的物料运动方式灵活多样，主要包括利用内置的搅拌和翻料机构混合，反应容器整体回转混合，以及利用压力脉动促使料床松动等主要方式。此外，流化床反应器在固态发酵中也有应用[1]。搅拌和翻料的方式通常适用于细菌、酵母菌等对机械破坏具有一定适应性的微生物，在放线菌、丝状真菌的固态发酵中则需要严格限制混合强度，以减轻对菌丝的损伤；整体回转对菌丝的机械损伤相对较小，可采用连续低速回转或间歇回转的方式，但采取间歇回转时，需注意静止的周期过长可能造成部分板结的固态物料团块无法在回转中破碎。压力脉动式反应器用周期性压力变化替代传统的机械驱动的混合，可以在强化发酵物料传质、传热的前提下避免对菌丝体的机械损伤，较好地解决了机械混合强化传递与菌丝体保护之间的矛盾。

3 结语

固态发酵在节能、节水等方面具有潜在优势，是部分传统酒类、调味品以及真菌孢子杀虫剂等特殊产品的必要生产方式，因此固态发酵反应器的创新得到了产业界和学术界的持续关注。固态发酵反应器的发展趋势包括：（1）机械化、自动化水平不断提高，逐步走向智能化，可以有效降低人工劳动强度，提高过程操控的稳定性、准确性；（2）过程在线检测和取样装置需要进一步发展，以适应自动化、智能化的发展趋势；（3）小型化的平行固态发酵反应器需要进一步发展，以适应固态发酵领域的微生物菌种筛选需求；（4）料床温度和水分的时空分布梯度仍然普遍存在，需要进一步通过数学模型和现代在线检测技术等工具更深入理解其形成规律，并通过新的反应器设计理念使其得到缓解。