生物工程设备 发酵设备的种类以及固态发酵技术应用.doc

发酵设备的种类以及固态发酵技术应用姓 名 张 飞 飞班 级 10生物工程2班学 号 1031250047摘要：随着生物技术的进步，发酵技术在生物工程中占有举足轻重的地位，所以发酵设备的应用也在日趋普遍，本文将具体介绍几类比较通用的发酵设备，例如改良酱油发酵设备、真空式发酵设备，固态发酵设备等，同时也将对固态发酵设备的研究进展进行主要说明。关键词：固态发酵设备；真空发酵设备；改良酱油发酵设备；应用状况引言：随着人们对发酵设备机理认识的不断加深，现代发酵设备正在不断地改革进步，特别是固态发酵设备存在的缺点将逐渐被克服。目前，前苏联、日本等国家的固态发酵设备已经可以实现大规模的机械化生产，在我国，适宜于特定微生物培养的固体发酵设备也在不断出现，总体上呈现着良好的发展趋势。但是，发展过程中还是存在很多问题的，这需要我们通过研究不断加以改进。几类不同的发酵设备一、固态发酵设备从20世纪90年代以来，由于能源危机与环境问题的日益严重，固态发酵技术以其独特的优点引起了人们的关注。与其他培养方式相比，固态发酵具有下列优点：（1）、培养基简单而且来源十分广泛，大多为便宜的天然基质或是工业生产的下脚料；（2）、投资相对来说较少，能耗低，技术简单；（3）、产物的产率高；（4）、基质含水量低，可以较大程度地减小生物反应器的体积，同时不需要废水处理，对环境的保护作用比较明显，后处理加工方便。那在了解固态发酵设备之前，我们先熟悉一下固态发酵技术，从而能够更深刻地对设备有一个认知过程。广义上的固态发酵是指一类使用不溶性固体基质来培养微生物的工艺过程，包括将固态悬浮在液体中的深层发酵，也包括在没有游离水的湿固体材料上培养微生物的过程；狭义上的固态发酵是利用自然底物做碳源及能源，或利用惰性底物做固体支持物，其体系无水或接近于无水的任何一种发酵工程。优点的话我之前已经说明过了。由于现代发酵工业大多以大规模液体深层发酵为特征，小分子产品在水性发酵液中含量大多在10%以下，有些甚至更低，就因为如此，产生的废液量很大，环境污染也十分严重，那就是因为固态发酵技术能够合理地解决这些问题，所以越来越受到大家的欢迎，下面我们具体来看一下固态发酵设备。固态发酵设备：总体来说，固态发酵设备的自动化程度相对偏低，以传统设备为主。近年来，对机械化和自动化进行了很多研究，但放大效果并不好，不利于大规模的工业生产应用。近年来，法国、日本、美国等国家对固态发酵的关键设备进行了研究，迄今为止已经有很多类型的固态发酵反应器问世了。B.Lonsane在其研究中归纳出了9种不同形式的工业规模固态反应器：转鼓式、木盒式、加盖盘式、垂直培养盘式、倾斜接种盒式、浅盘式、传送带式、圈盘式、混合式。以基质的运动情况则可以分为两种：静态固态反应器和动态固态反应器。第一类反应器内发酵基质在发酵过程中基本是处于静止状态，优点是结构简单，操作方便，放大使用问题也不大，但是热量、氧气和营养物质的传递很困难，从而会导致基质内部温度、湿度、酸碱度等会严重不均；第二类反应器中的基质处于间断或连续运动状态，从而强化了传热和传质，设备结构紧凑，自动化程度相对来说较高，但是由于机械部件多，结构很复杂，灭菌消毒工作难以进行，固态基质的搅拌耗能也很大，而且持续的运动可能会破坏菌丝，会影响菌体的生长代谢。目前我们国内固态发酵设备主要是传统的开放式反应器。以下主要介绍4种类型的固态发酵设备反应器：浅盘式、转鼓式、填充床式和流化床式。浅盘式反应器：该种反应器操作简单，但装料量比较少，要实现大规模生产的话，需要增加浅盘数目，浅盘室内的温度和湿度比较容易控制，比较适用制曲。但是这种反应器由于存在对空气散热效果比价差，对浅盘物料的厚度有一定限制，并且占地面积又较大，会耗费一定的人力；转鼓式反应器：转鼓式的基本形式是一个圆柱型或者鼓型容器，支架在一个转动系统上，转动系统主要是起支撑和提供动力的作用。它是一个包括基质床层、气象流动空间以及鼓壁等组成的多相反应系统。，该反应器基质床层是由处于滚动状态的固体培养基颗粒构成，菌体生长在固体颗粒表面，转鼓以较低的转速转动，就好像是设置了搅拌轴那样加速传质和传热过程。但是在某些情况下，菌丝体和培养基会结块，相对来说会很麻烦。目前，该类反应器应用于酒精、酶、制曲、植物细胞培养等生产中；流化床式反应器：在金属网或者多孔板上铺置粉状培养基，空气上吹形成流化层状态，传质和热效果比较好。目前在日本已经实现了大规模工业应用。流化床反应器操作的主要参数是粒径大小和颗粒分布，一般粒径分布越狭窄，颗粒越细就越容易保持流化状态；填充床反应器：填充床反应器在设计上必须要使床层的干燥最小化。填充床式反应器没有搅拌器，受新陈代谢产生的热量限制，所以，床层底部到顶部的温度梯度是不能避免的。其他反应器还有圆柱式和搅拌式等，由中科院过程工程所陈洪章研究院等研制的气相双动态固态发酵技术及装置于2007年2月被美国专利局授予发明专利权。该技术有效地改善了固态发酵过程中热量与氧的传递，促进了菌体的生长代谢，解决了很多困难，从而实现了工业化大规模纯种的培养。固态发酵设备在使用过程中会受到很多因素的限制，有物料的营养成分及粒度、物料含水量和PH、气态环境和氧气传递、温度、湿度、发酵时间等等。但是在实际发酵过程中，由于缺乏系统的理论依据指导，所以对于特定的发酵过程要根据具体情况来采取相应的措施。其中比较重要的因素是温度。温度是直接关系到发酵过程能否正常进行和产品能否生产。固体发酵中，微生物生长初期要达到一定温度才能保证其正常生长。微生物生长过程中，会释放大量的生物热，特别是在微生物的对数生长期，由于产热速度很快，菌丝体生长十分旺盛，这样会造成物料大面积的板结，所以温度的控制对于珍格格发酵过程来说是相当重要的，我们必须要通过通风降温、喷淋无菌水以及翻曲等手段控制温度，确保发酵过程的顺利进行。其他一些因素的影响就不再一一介绍了。以上就是对固态发酵设备的主要介绍。二、 改良酱油发酵设备之前酱油发酵制造过程主要有固态发酵法和稀态发酵法，但是这两种方法对发酵罐有一定的要求。现在有一种“不锈钢全能型酱油发酵罐”，该罐既可用于低盐固态发酵，也可以用于高盐稀态发酵，还能够切换成浇淋发酵等多种发酵类型，用于储油、沉降以及其他流程，做到了一罐多用，所以称之为全能型不锈钢酱油发酵罐。罐体应该设置重量比较轻的可拆移动不锈钢罐盖，有条件的厂家罐盖上设置照明灯和旋转盖式观察孔，以方便发酵过程的监控。罐体也可以放在地面上，操作台控制在罐口左右高度，加热采用热水循环，可以用热水锅炉直接加热，安全可靠。酱油发酵主要热源是在罐的外壁上，由壁面供热和保温。酱油醅可以说是热的不良导体，而且是静止不动的，因此不适合采用较大直径的发酵罐，一般最好不要超过3米，但是可以适当增加罐的高度，提高装料量。罐体保温层可以采用聚氨酯发泡材料，操作台可以做成连体平台，既可以放置于室内，也可以放置于带有简易顶棚的室外，如果将罐底换成空气分布系统就会变成一个气升式发酵罐，还可以用来进行液体醋的生产。三、真空式发酵设备高浓度的酒精和醇类产品以及不挥发的发酵液成分产生的抑制作用从根本上限制了糖化麦芽汁的发酵速度和发酵设备的生产能力。因此研究人员根据实验室、中试和工业化研究结果，确定了酒精生产中提高发酵液连续发酵的方法，制造了发酵系统抽真空和从发酵气体中回收酒精和醇类产品的新的发酵设备和装置。采用预脱水发酵液真空发酵设备能够很大程度地降低在发酵蒸发设备、浓缩器和酒精捕集器中的真空度，减少这些设备中金属材料的用量和电能的费用比例。从分离器出来的最终产品进入蒸发器后，被抽真空的发酵液在发酵耀中与分液器中流出的酵母浓缩液混合，之后添加一定量的糖蜜，把发酵液提高到起始的浓度。这就能够提高不发酵的发酵液的抽真空温度（沸点）到45-60摄氏度左右，并且也能够适当降低蒸发器中的真空度。应用真空厌氧发酵的发酵装置能够用提高发酵液起始浓度和酒精在成熟发酵液中含量的方法强化酒精的生成，从而降低了在制备发酵液中水的费用和发酵液蒸发时热的费用。因此真空发酵设备在对高浓度酒精和醇类产品的生产过程中有着重要的作用。以上是对三种发酵设备的简单介绍。固态发酵技术的应用1、 固态发酵技术在食品工业中的应用在酱油酿造制曲中的应用，制曲是酱油生产中较为重要的一个环节，会直接影响到酱油的品质和质量，传统酱油生产中种曲和成曲的制备一般都是在敞开的环境中进行的，很容易就会感染杂菌，影响种曲和成曲的质量，从而会影响酱油的成品，但是采用现代固态发酵技术能很容易就克服以上困难；在酶制剂生产中的应用：-淀粉酶是目前国内用途最为广泛，而且产量最大的酶制剂制品之一，在食品工业中主要用于淀粉加工业和酒精酿造业。固态发酵可以产生高活力淀粉酶的原因是固态发酵中培养基麸皮中的碳浓度比液态深层发酵中的碳浓度高很多，并且固态发酵中营养基质从固体颗粒到细胞的传递阻力较大，不像在液体深层发酵中从液体基质到细胞内部那样相对容易，从而消除了液体深层发酵中酶合成的分解代谢阻遏，能够大量合成-淀粉酶。纤维素酶有可能使植物纤维糖化转变成食品原料，因此从长远利益来看，纤维素酶的生产是一项意义重大的工作，在生产纤维素酶上，固态发酵占有很多的优势，发酵条件环境更接近于自然状态下木霉的生长习性，能使其产生的酶系更全面，有利于降解纤维素，同时能源消耗少，设备投资也相对简单，酶产品收率相对较高，后期的提取过程交液态发酵容易处理。2、 固态发酵技术在资源环境中的应用生物燃料：用工农业残渣进行固态发酵，生产生物燃料主要是乙醇，乙醇又是产量最大的发酵工业产品，是清洁燃料的代表，主要原料是各种可再生性糖类物质。目前我国比较严重的温室效应气体是二氧化碳，所以生产一类不产生该气体的新型燃料是十分有必要的，目前能够满足这个需求的就是燃料乙醇。乙醇作为一种可再生资源，具有很大的发展前景。利用固态发酵技术生产乙醇有很多优点，可以消除糖的萃取过程，无废水，降低能耗等等，这是一个很有发展潜力的生产乙醇的路线；生物农药：以前我们很难找到一种既可以不污染环境又可以杀死害虫的办法，大量文献记载表明，最近人们越来越重视利用昆虫病原体以及寄生菌来控制害虫的方法。利用固态发酵生产真菌杀虫剂的方法，不仅生产成本大大降低，而且药物对害虫的毒性也提高了，筛选具有杀虫能力的真菌是开发可感染繁殖体的第一步，也是很重要的一步，对真菌与害虫作用机理的理解是生产有效生物农药的主要研究领域；生物修复：生物修复(Bioremediation)是利用微生物及其代谢过程(其产物消除或在体内富集有毒物质)来修复被人类长期生活和生产所污染和破坏的局部环境，使之重现生机的过程。由于目前环境污染日益严重，国外学者对生物修复研究相当投入，我国也很重视该方面的研究。很久以前，Berry等就指出利用固态发酵技术可处理杀虫剂残留物。他们比较几种除去莠除净方法，发现固态发酵可大大降低杀虫剂生物利用率。也有研究人员研究过受污染的土壤和地下水中的聚氯联苯及氯乙烯生物降解，并且评价自然界自然降解过程，设计了15立方米固态发酵反应器大大的提高了微生物的脱卤作用，总之，固态发酵技术在各个领域都有一定的应用，特别是在当今环境问题特别突出的社会状态下，固态发酵技术对环境也有一定的保护作用，如果能够合理利用固态发酵技术，会造福人类的。通过近几年的文献分析，我不难看到固态发酵技术在多个领域上都得到了很大的发展，现代固态发酵的应用具有巨大的发展潜能，但是它在传质传热方面还存在着不足，还需要更多的科研力量去解决。参考文献：【1】 黄达明等 固态发酵技术及其设备的研究进展；江苏大学生物工程研究所，2003.03【2】 廖春燕，郑裕国 固态发酵生物反应器；微生物学通报，2005【3】 戴超等