李 浪,楊 旭,薛永亮

(1.河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院,河南鄭州 450001;2.河南省輕工業(yè)設(shè)計(jì)院,河南鄭州 450003;3.鄭州良源分析儀器有限公司,河南鄭州 450052)

現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)工藝、設(shè)備及應(yīng)用研究進(jìn)展

李 浪1,2,楊 旭3,薛永亮3

(1.河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院,河南鄭州 450001;2.河南省輕工業(yè)設(shè)計(jì)院,河南鄭州 450003;3.鄭州良源分析儀器有限公司,河南鄭州 450052)

介紹了固態(tài)發(fā)酵及影響固態(tài)發(fā)酵過程的主要工藝條件,闡述了固態(tài)發(fā)酵各種反應(yīng)器類型,討論了固態(tài)發(fā)酵技術(shù)在生物轉(zhuǎn)化、生物燃料、生物防治、垃圾處理和生物修復(fù)等方面的應(yīng)用.

固態(tài)發(fā)酵;工藝條件;反應(yīng)器

0 前言

固態(tài)發(fā)酵 (Solid state fer mentation)指體系在沒有或幾乎沒有自由水存在下,微生物在固態(tài)物質(zhì)上生長的過程,過程中維持微生物活性需要的水主要為結(jié)合水或與固體基質(zhì)結(jié)合的狀態(tài).大部分研究者認(rèn)為固態(tài)發(fā)酵和固體基質(zhì)發(fā)酵 (Solid substrates fermentation)是同一概念,可是 Pandey等[1]卻認(rèn)為固體基質(zhì)發(fā)酵是在無自由水條件下固體基質(zhì)作為碳源或氮源的發(fā)酵過程,而固態(tài)發(fā)酵是在無自由水條件下利用天然或惰性底物 (如合成泡沫)作為支持物的發(fā)酵過程.本文中將其統(tǒng)稱為固態(tài)發(fā)酵.

近幾年來,隨著世界性的能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng),固態(tài)發(fā)酵重新受到重視,主要?dú)w因于農(nóng)業(yè)、工業(yè)廢棄物在固態(tài)發(fā)酵方面得到較大應(yīng)用,比如土壤修復(fù)、生物轉(zhuǎn)化及生物燃料等,是工業(yè)應(yīng)用的理想技術(shù)[2].

1 影響固態(tài)發(fā)酵的因素

影響固態(tài)發(fā)酵過程的因素很多,主要取決于基質(zhì)類型、微生物選取和生產(chǎn)規(guī)模,可大致分為生物化學(xué)、物理化學(xué)和環(huán)境因素.所有的因素都是密切相關(guān)的,不能獨(dú)立地看待.在特定的固態(tài)發(fā)酵過程中,單個(gè)因素作為生化還是物化因素需要區(qū)別開來.某個(gè)因素在生化反應(yīng)中可看做獨(dú)立的,但在物化反應(yīng)中是相互影響的,反之亦然[3].所以,需要分析各個(gè)因素在固態(tài)發(fā)酵進(jìn)程中的影響.

1.1 固態(tài)發(fā)酵微生物

真菌和細(xì)菌是固態(tài)發(fā)酵使用較多的微生物,真菌是比較理想的 (如圖 1所示,真菌菌絲穿過基質(zhì)的皮殼到達(dá)淀粉顆粒)[4].接種真菌孢子較營養(yǎng)細(xì)胞有一定優(yōu)勢:接種方便、靈活且易于保存較長時(shí)間和較高活性,但也有一定的缺點(diǎn),如較長的滯后期、孢子接種量較大;在孢子萌發(fā)之前需誘導(dǎo)孢子進(jìn)入代謝活動(dòng)和酶系合成以防孢子休眠.某些發(fā)酵過程需要菌絲接種,如將毛殼菌菌絲接入小麥秸稈中進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵.接種密度 (個(gè) /克物料)也是固態(tài)發(fā)酵的一個(gè)重要影響因子.

圖1 固態(tài)發(fā)酵中絲狀真菌的形態(tài)

1.2 水分和水活度

底物含水量的變化對微生物的生長及代謝能力有重要影響.低水分將降低營養(yǎng)物質(zhì)傳輸、微生物生長、酶穩(wěn)定性和基質(zhì)膨脹;高水分將導(dǎo)致顆粒結(jié)塊、通氣不暢和染菌[5].固態(tài)發(fā)酵過程中水分含量范圍應(yīng)控制在 30%～85%.不同微生物發(fā)酵,水分應(yīng)該是不同的.

微生物能否在底物上生長取決于該基質(zhì)的水活度 Aw.水活度除受基質(zhì)本身的影響外,還與溶質(zhì)的種類和數(shù)量有關(guān).不同微生物 Aw要求也不同.一般而言,細(xì)菌要求 Aw在 0.90～0.99之間;大多數(shù)酵母菌要求 Aw在 0.80～0.90;真菌及少數(shù)酵母菌要求 Aw在 0.60～0.70.因此,固態(tài)發(fā)酵常用真菌原因就是其對水活度要求低,可以降低雜菌的污染.在固態(tài)發(fā)酵過程中,由于基質(zhì)的水解,物質(zhì)的溶出,Aw降低[6],將延長微生物的滯后期,導(dǎo)致生物量減少.可以通過加無菌水、加濕空氣和安裝噴濕器等方法來提高 Aw,以保證菌體正常生長.

1.3 基質(zhì)和粒度

固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)常為農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物、天然纖維素、固體廢料等.具有大分子結(jié)構(gòu)的原料其惰性組織將氮源和碳源物質(zhì)緊緊包裹,不利于發(fā)酵,因此原料的預(yù)處理是很重要的,主要通過物理、化學(xué)或者酶水解等方法降低被包裹或顆粒粒度,提高基質(zhì)可利用率[7].采用天然基質(zhì)進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵,隨著微生物的生長,作為基質(zhì)結(jié)構(gòu)的部分碳源物質(zhì)被消耗,影響了傳質(zhì)和傳熱,通常在發(fā)酵過程中加入適量的具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的支持物來改善[8].

基質(zhì)粒度關(guān)系到微生物生長及傳質(zhì)傳熱效果,將直接影響到單位體積顆粒所能提供的反應(yīng)表面積的大小,也會(huì)影響到菌體是否容易進(jìn)入基質(zhì)顆粒內(nèi)部及氧的供給速率和代謝產(chǎn)物的移出速率等[9].小的顆?？梢蕴峁┹^大微生物攻擊表面積,提高固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)速率,是理想的選擇,但是在許多情況下太小的顆粒容易造成底物積團(tuán),顆粒間空隙率也減小,導(dǎo)致阻力增大,對傳熱、傳質(zhì)產(chǎn)生不利的影響,導(dǎo)致微生物不良生長;大顆粒由于存在較大間隙有利于提高傳質(zhì)和傳熱效率,還可提供更好的呼吸及通氣條件,但微生物攻擊表面積較小.

1.4 O2和 CO2濃度

固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)的氣態(tài)環(huán)境直接影響到生物量的大小和酶合成的程度,需要控制空氣流動(dòng)來調(diào)整氣態(tài)環(huán)境.好氧微生物的理論呼吸熵 (RQ)為1.0,低于 1.0將影響氧氣傳輸,微生物生長受到阻礙[10].通過測定 O2吸收速率和 CO2合成速率(發(fā)酵尾氣分析儀進(jìn)行在線實(shí)時(shí)測定),可以判斷微生物的生長程度 (反應(yīng)生物量的變化),通過改變 O2和 CO2的分壓大小,可以控制微生物的生長和代謝,進(jìn)而調(diào)節(jié)固態(tài)發(fā)酵過程[11].

1.5 溫度和 pH值

由于微生物的生長、蛋白質(zhì)合成、酶和細(xì)胞活性及代謝產(chǎn)物合成對溫度的敏感性[12],對溫度的控制很重要.大多數(shù)真菌的生長溫度范圍在 20～55℃,致死溫度在 50～60℃.在發(fā)酵過程中,微生物代謝產(chǎn)生大量的熱,造成品溫上升很快 (有時(shí)高達(dá) 2℃/h),如果產(chǎn)生的熱不能及時(shí)散去,就會(huì)影響孢子發(fā)芽、生長和產(chǎn)物產(chǎn)率.又固態(tài)發(fā)酵不同料層的物料溫度不同 (在微生物生長對數(shù)期可超過 3℃/cm),造成發(fā)酵不均一.因此,在固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器設(shè)計(jì)方面,主要集中在如何傳熱,到目前為止,最好的解決辦法是通風(fēng)[5].

固態(tài)發(fā)酵過程中由于代謝活動(dòng),pH值會(huì)發(fā)生一定變化,最常見的是有機(jī)酸的生成,造成 pH值下降.不同微生物的最適生長 pH值是不同的,真菌生長 pH值范圍在 2.0～9.0,最適范圍在 3.8～6.0;酵母最適范圍在 4.0～5.0.低 pH值可以有效地抑制污染菌的繁殖.對 pH值很難采用合適的技術(shù)進(jìn)行在線測定和控制,可在發(fā)酵原料中加入具有緩沖能力的物質(zhì) (對反應(yīng)過程無影響)來緩沖 pH值的變化.

1.6 通風(fēng)和攪拌

好氧發(fā)酵過程中對氧的需求及系統(tǒng)中傳質(zhì)、傳熱的需要,通風(fēng)和攪拌操作有重要的影響.空氣速率增加可提供微生物生長所需氧氣,又可以移除 CO2、揮發(fā)性代謝物和反應(yīng)熱,但很多因素影響O2的傳輸,如空氣壓力、通氣率、基質(zhì)空隙、料層厚度、培養(yǎng)基水分、反應(yīng)器幾何特征及機(jī)械攪拌裝置的轉(zhuǎn)速等.氣流強(qiáng)度可作為評判通風(fēng)強(qiáng)弱的標(biāo)準(zhǔn),通氣質(zhì)量也很重要 (特別是氣體濕度,可改變水活度)[13].合適的通風(fēng)強(qiáng)度和質(zhì)量可提高對溫度的控制.

由于基質(zhì)的不均勻性,通風(fēng)過程容易造成細(xì)胞代謝發(fā)生變化,需要通過攪拌來提高物料發(fā)酵、水分、溫度和氣態(tài)環(huán)境均一性.在選擇基質(zhì)時(shí),應(yīng)考慮基質(zhì)特性,避免在攪拌過程中出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象,但過分的翻動(dòng)可能損傷菌絲體,抑制菌體生長.間歇攪拌較連續(xù)攪拌有較好效果,對菌絲體的生長及其在基質(zhì)上附著更有利.

1.7 固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器

固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器是目前限制固態(tài)發(fā)酵用于現(xiàn)代生物反應(yīng)工程的一個(gè)重要因素.設(shè)計(jì)反應(yīng)器需要考慮幾個(gè)方面的問題:滅菌、接種、傳質(zhì)傳熱、取樣、供氣、參數(shù)的測量和控制等.迄今為止已有許多類型的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器問世 (包括實(shí)驗(yàn)室、中試和工業(yè)生產(chǎn)),部分用于食用菌、酶制劑、動(dòng)物飼料和土壤修復(fù)等.

1.7.1 淺盤發(fā)酵反應(yīng)器

淺盤發(fā)酵反應(yīng)器是所有反應(yīng)器類型中最簡單的發(fā)酵設(shè)備,結(jié)構(gòu)見圖 2,是傳統(tǒng)發(fā)酵食品的酒曲生產(chǎn)采用的反應(yīng)裝置,但是,散熱主要通過托盤傳導(dǎo),即使通電冷卻也不足以去除代謝熱.此外還有傳質(zhì)傳熱速率低造成的高污染風(fēng)險(xiǎn)和托盤利用率低等缺點(diǎn).

圖2 淺盤固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器

1.7.2 流化床反應(yīng)器

該反應(yīng)器主要是在金屬網(wǎng)或多孔板上鋪置粉粒狀基質(zhì),從底部往上吹空氣形成流化層狀態(tài),兩種不同形式的流化床結(jié)構(gòu)見圖 3.反應(yīng)器的主要參數(shù)是粒徑大小和顆粒分布,粒徑分布越狹窄,顆粒越容易保持流化狀態(tài).反應(yīng)器采用封閉系統(tǒng)可較好保持無菌狀態(tài),發(fā)酵完成可提高空氣溫度直接將產(chǎn)品進(jìn)行干燥回收.這類反應(yīng)器容積率低.

圖3 流化床反應(yīng)器

1.7.3 轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器

其基本形式是將一個(gè)圓柱形容器支架在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)上,轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)主要起支撐及提供動(dòng)力作用,結(jié)構(gòu)示意見圖 4[14].轉(zhuǎn)鼓式發(fā)酵器轉(zhuǎn)動(dòng)速率一般為 1～16 r/min,有的可達(dá)到更高轉(zhuǎn)速,真菌菌絲體的破壞程度對轉(zhuǎn)速較敏感.這類反應(yīng)器重點(diǎn)要解決好物料結(jié)塊和粘壁的問題,其次是反應(yīng)器容積率低.增加破碎板 (網(wǎng))可以解決結(jié)塊問題.

圖4 轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器

1.7.4 圓盤式反應(yīng)器

圓盤式反應(yīng)器底部通常由兩層金屬網(wǎng)制成,無菌空氣由底部均勻進(jìn)入 1 m左右厚的發(fā)酵基質(zhì).幾個(gè)并排的螺旋式攪拌器在以一定的速度水平運(yùn)動(dòng)的同時(shí),還以適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速自轉(zhuǎn).在攪拌器上還有 2～3個(gè)噴頭,用于補(bǔ)水,結(jié)構(gòu)示意見圖5.本反應(yīng)器易于放大進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn),但不能進(jìn)行無菌操作,只能用于自然發(fā)酵和混合發(fā)酵過程.

圖5 攪拌圓盤式反應(yīng)器

1.7.5 其他

還有根據(jù)不同需要制作的不同固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器,如氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)及裝置 (示意見圖 6)[15].該項(xiàng)技術(shù)已成功地從實(shí)驗(yàn)室的 2、50、800 L放大到 25、50、70 m3的工業(yè)級生產(chǎn)規(guī)模.應(yīng)用范圍涉及到抗生素、酶制劑、有機(jī)酸、食品添加劑、生物農(nóng)藥和生物肥料等.

圖6 壓力脈動(dòng)反應(yīng)器

2 現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用

固態(tài)發(fā)酵技術(shù)在傳統(tǒng)功能食品和酒類釀造方面得到了廣泛應(yīng)用,如醬油、米酒、豆豉、黃酒和白酒等.從傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵發(fā)展到現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵,該技術(shù)在生產(chǎn)抗生素、酶制劑、精飼料、有機(jī)酸、生物活性物質(zhì)等方面發(fā)揮了重大作用,并進(jìn)一步擴(kuò)大到生物轉(zhuǎn)化、生物燃料、生物防治、垃圾處理及生物修復(fù)等領(lǐng)域,固態(tài)發(fā)酵作為潛在的技術(shù)引起人們的密切關(guān)注.

2.1 生物轉(zhuǎn)化

利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)對農(nóng)作物及農(nóng)作物殘?jiān)M(jìn)行生物轉(zhuǎn)化提高其營養(yǎng)價(jià)值具有巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值.現(xiàn)在食品和飼料行業(yè)對其利用越來越廣泛 (見圖7).如利用根霉菌對木薯及木薯渣進(jìn)行發(fā)酵以提高其營養(yǎng)價(jià)值;利用白腐菌或黃孢原毛平革菌對木質(zhì)纖維素進(jìn)行降解[16-17];利用木霉發(fā)酵棕櫚提高其在飼料行業(yè)的利用率[18].

圖7 固態(tài)發(fā)酵在食品和飼料行業(yè)的應(yīng)用

2.2 生物燃料

用農(nóng)業(yè)、工業(yè)殘?jiān)虘B(tài)發(fā)酵生產(chǎn)生物燃料可大致分為兩大類:氣體和液態(tài)生物燃料.對傳統(tǒng)沼氣進(jìn)行凈化可得到新型生物燃料;生物制氫是一個(gè)相對較新的生物燃料的氣體類型,由氫細(xì)菌、產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷細(xì)菌聯(lián)合厭氧發(fā)酵農(nóng)工業(yè)廢物.液體生物燃料最近被分為生物乙醇和生物柴油.由于世界能源危機(jī)生物乙醇表現(xiàn)出了振奮人心的重要性,生物柴油作為石油的潛在替代品不斷得到發(fā)展.利用固態(tài)發(fā)酵方法生產(chǎn)生物乙醇有可消除糖的制備過程,節(jié)省成本;降低發(fā)酵罐體積,無廢水;降低能耗等優(yōu)點(diǎn),發(fā)酵過程由酵母產(chǎn)生的轉(zhuǎn)化酶和酒化酶對天然原料 (如甜菜、蘋果渣、甜高粱和木薯等)進(jìn)行轉(zhuǎn)化[19].與酒精不同,生物柴油是一種酯,生物發(fā)酵提取的乙基或甲基酯可以與傳統(tǒng)柴油混合或 100%地作為生物柴油使用.Amin等用微藻處理工業(yè)廢水生產(chǎn)藻油取得突破性進(jìn)展,藻油經(jīng)簡單處理即可作為生物柴油[20].

2.3 生物防治

生物防治是一種既不污染環(huán)境,又可殺死害蟲或病菌的辦法,是利用有益生物或其他生物來抑制或消滅有害生物的一種防治方法,常見的有應(yīng)用真菌、細(xì)菌、病毒和能分泌抗生物質(zhì)的抗生菌(對人體和環(huán)境不產(chǎn)生公害).利用固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)真菌殺蟲劑,藥物對害蟲的毒力得到極大的提高.如早期的白僵菌、蘇云金桿菌殺蟲;又如假單孢桿菌、哈慈木霉和綠色木霉復(fù)合使用能最大限度地抑制尖孢鐮刀菌香蕉轉(zhuǎn)化型[21].施用固態(tài)發(fā)酵微生物肥料能減輕西瓜、黃瓜連作障礙[22].

2.4 垃圾處理

目前國、內(nèi)外城市垃圾處理主要采用填埋、焚燒、發(fā)酵等方法,其中填埋技術(shù)占地面積大,不易降解;采用垃圾焚燒技術(shù),其減量化程度高,但投資巨大且受到煙氣排放的制約;發(fā)酵技術(shù)具有減容、減量及無害化程度低及可再循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)成為國內(nèi)外垃圾處理方面的首選.利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)加工處理生活垃圾,不但解決了資源短缺等問題,同時(shí)降低了垃圾排放.德國 Eggersmann公司采用 Horstmann隧道倉發(fā)酵系統(tǒng)對分類收集的有機(jī)垃圾、不含重金屬等工業(yè)有害物進(jìn)行處理,生產(chǎn)高等級的有機(jī)肥料,處理能力為 7.3萬 t/年.西班牙巴塞羅那的 ECOPARE垃圾綜合處理廠采用垃圾前分選、好氧堆肥、厭氧發(fā)酵、沼氣發(fā)電等工藝可處理城市混合垃圾和餐館垃圾,日綜處理能力為 1 050 t.加拿大 Edmonton處理廠采用滾筒發(fā)酵工藝技術(shù),每年生產(chǎn) 12.5萬 t腐熟堆肥.中國廣東省博羅縣采用分選、有機(jī)垃圾發(fā)酵、肥料加工、可燃物熱解、氣化發(fā)電、無機(jī)垃圾填埋等工藝相結(jié)合的系統(tǒng)集成技術(shù)對生活垃圾進(jìn)行處理,生產(chǎn)有機(jī)復(fù)混肥.

2.5 生物修復(fù)

固態(tài)發(fā)酵生物技術(shù)是有毒化合物生物降解與環(huán)境生物修復(fù)的有益工具.如國家海洋局第三研究所學(xué)者利用太平洋深海紅球菌 (Rhodococcus sp.T W53)修復(fù)石油污染海水和湖水,石油的分解率達(dá)到 90%,同時(shí)收集菌體還可得到富含 FA的油脂 59.18%[23].利用 P.ostreatus對含有咖啡因的物質(zhì)進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵進(jìn)行生物修復(fù)可達(dá)到對咖啡因降解的目的.希臘學(xué)者利用微生物去除垃圾填埋場中的腐植酸,去除率可達(dá) 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,高級工程師,主要從事生物工程應(yīng)用研究教學(xué)與設(shè)計(jì)工作.