固态发酵反应器的认知与操作-动态固态发酵反应器

动态密闭式固态发酵工艺过程及特点动态密闭式固态发酵工艺过程及特点搅拌可以分为两种方式：间歇(周期)性搅拌和连续搅拌。搅拌提供了反应器内部环境的一致性，这点对温度及气体尤为重要。此外，搅拌有助于发酵过程中额外添加物的均匀分配，比如在周期性添加营养或水分以控制湿度，添加缓冲液、酸或碱米抨制PH值等的过程中是十分必要的。搅拌对于固体基质则有不同的作用，或者限止、或者加速其结块，这主要取决于固体基质本身的性质。缺乏搅拌会影响所使用底物的深度。在静置固态发酵中，讨以产生3℃/cm的温度梯度。此外，如果在静置培养时没有强制通气．粒间空间的氧就会下降列限制生长水平，而二氧化破就会窜升至抑制生长的水平。周期性搅拌培养过程中，可以为粒间空间提供新鲜的空气。混合的频率依赖于底物的空隙组分。空隙组分取决于底物的特性，如粒子大小、形状等；也依赖于水分含量，因为过多的水分会取代空气。很显然，空隙组分越高、氧气就较充分、就无需经常予以补充。混合的频率也有赖于冷却底物的需要，而冷却底物要由生长速率以及伴生产生的代谢热来决定。然而，固体底物的混合也会带来不利的影响，包括对基质多孔性、微生物对基质黏附性的破坏，由于粒子间的摩擦而引起的剪切力所致的真菌菌丝的损伤。搅拌会影响所使用底物的深度。在静置固态发酵中，讨以产生3℃/cm的温度梯度。此外，如果在静置培养时没有强制通气．粒间空间的氧就会下降列限制生长水平，而二氧化破就会窜升至抑制生长的水平。固体培养中的剪切力很复杂，所以很难定性。丝状真菌对剪切力异常敏感。无论是表面的还是粒子间的苗丝都可被剪切力所损伤。粒子间菌丝损伤有这样的好处，即真菌被阻止结合到底物粒子上形成一个单独的块状结构。气生茵丝被压碎到底物表面，导致孢子萌发受到抑制。虽然，搅拌有利有弊。众多研究者也莫衷一是，但无论如何，搅拌应该给予及时施加，并且周期性搅拌通常就已经足够。在动态固态发酵时，搅拌器的设计一定要将固体基质考虑进去。一些动态发酵过程反应器就设计了可变化的搅拌器以适应不同的底物。固体发酵中使用的底物在形状、大小、磨损性、对剪切敏感程度以及流动性上都有很大不同。以上这些因素对搅拌器的选择上都是需要予以考虑的。搅拌一般是比较温和的，相对于其他混合方法，这种方法对微生物的损伤是比较小的。但是这种反应器也比较容易产生底物的结块和颗粒间的摩擦，这两种情况对于对摩擦力比较敏感的微生物仍然可以造成较大的损伤。另外，即使是对较小的实验室规模的反应器而言，温度控制也不是很容易，因为在转动的物体上面加装夹套是比较困难的，而且这种因难随着体积的加大而增大。动态密闭式固态发酵技术（1）动态密闭式固态发酵技术相对于静态密闭式固态发酵的“静”而言，动态密闭式固态发酵过程中培养基处于连续或间歇搅拌状态。虽然静态固态发酵能够使微生物的生活环境接近其自然生长状态，但由于过程产生的代谢热很难被有效移除，而使其很难应用在大规模的生产亡。事实上：除了少数的固态发酵过程，如日本Koji生产、印度尼西亚豆豉生产等，大多数固态发酵大规模生产都是在有搅拌的系统中完成的。这种系统具有高效的冷却系统，解决了代谢热散逸问题，具有较高的生产效率。此外，搅拌也为发酵系统提供了发酵环境的一致性，这样就为大多数重要过程参数（如温度与水分含量）进行充分的控制提供了可能。此外，一些制药行业生产上需要进行水分含量的控制以获得最佳生产率。无论对静态、还是动态固态发酵过程、由于蒸发冷却是控制温度的主要机制，培养基脱水是不可避免的。控制固体基质水分含量的唯一可行性策略是在发酵过程中补加水分。水分需要均匀添加到固体基质中，这就需要在反应器存在搅拌装置。固态发酵中搅拌的效果并末完全清楚。但总的来说，在固体发酵过程中进行搅拌具有以下一些特点和要求：①设计上必须符合卫生要求一一清洁无菌；②要求对固体基质施加的剪切力较小；③固体基质经预处理(浸泡、灭菌)后，可通过固体搅拌器内部接种以避免细菌；④可通过搅拌保证添加水分分布均匀，以便于控制水分含量；⑤通过外部冷却夹套和搅拌提高温控效果。搅拌式生物反应器（1）搅拌式生物反应器搅拌式生物反旧器根据其搅拌轴是垂直的还是水平的可以分为两种主要类型：水平搅拌式的和转鼓式。在水平搅拌式中，发酵基质的运动是出搅拌轴的运动来提供功力的；而在转鼓式中足内罐体的运动来提供的。除此以外、二者其他方面都很类似。垂直式的反应器一般都要强制通风。垂直式的和填充床式反应器有类似之处，不同之处是它有搅拌，发酵过程可以连续进行也可以分批进行。搅拌式生物反应器和填充床式反应器有许多类似之处，不同的地方就是搅拌式装有搅拌桨。这个搅拌桨可以连续操作也可以周期操作。搅拌器的设计和操作在这种反应器中是一个重要的考虑对象。搅拌床反应器已经被成功地用在大规模的固态发酵过程中。气固流化床反应器（1）气固流化床反应器在一个埃有固体颗较的填充床上如果从底部通入足够速度的空气气流．那么这些固态颗粒就会悬浮在气流中。在此状态下，这个床被流态化了。如果保持进口气流速度大于使床流态化的最小速度，那么这个床就保是沸腾了的液体，并有大的气泡迅速地从床底升到顶部。气固流化床的基本特点是，一个高径比很大的圆柱体，流速足够大的空气从床底部的孔板中吹入使基质颗粒悬浮，可能有一个特制的搅拌装置用来协助搅拌基质颗粒。硫化床的特色和优点如下：①由于通气良好，因此有助于好氧微生物的生长，在流化床上生长的微生物呼吸牢可以达到静态培养的10倍；②代谢热的去除十分完全，不会发生培养基温度过高的问题；③气体和挥发性的代谢产物可以很快消失，从而减小反馈抑制；④混合效果很好，从而消除了发酵基质中的温度和湿度梯度，有利于过程中的工艺参数的控制；⑤某些产物(如单细胞蛋白)可以直接在反应器中进行干燥；⑥相对于传统的固态培养，生产效率大大提高，因此可以减少生产所占用的空间和生产操作费用。气固流化床结构如图8.3-2所示因为不是所有的基质都可以很容易地被悬浮起来，所以这种反应器只能用在那些基质有比较好的流化行为的工艺中。关于流化床固态发酵反应器的报道集中在日本。Masuno等报道了用一个16L的流化床反应器用酱油曲每（Aspergillussojae）在m粉培养基上生产蛋白面和淀粉酶。这个反应器有2m高，底部直径为20cm，上部直径为28cm。用这种反应器获得了比托盘式固态发酵和液态发酵都好的效果。在这个试验结果的基础上，Kikkoman公司建造了一个工作容积为8000L的气固流化床反应器。这个反府器的底部直径为1.5m，上部的直径为2m，床高为8m。这个反应器装料为833kg含水量为40％的麦麸。据称其产率和小规模的相同。流化床反府器进行固态发酵时比较容易控制，床层温度较均匀，直径大于10m的床层轴向和径向温度仍可保持一致。这是由固体颗粒的快速循环和流体的湍流运动造成的。流化床内的传热速率较大，一般不会成为主要矛盾，设计中可不予考虑。固态搅拌反应器有卧式的也有箱式的，卧式搅拌反应器采用水平单铀．多个搅拌桨叶平均分布于轴上，页面与袖平行，相邻两叶片间隔180。箱式搅拌反应器有采用垂直多轴的。为减少剪切力的影响，通常采用间歇搅拌的方式，而且搅拌转速较低。这类反应器已在工业上用来生产单细胞蛋白、酶和生物杀虫刘。搅拌反应器的最高温度比固定床的低。气相双动态固态纯种发酵罐（1）气相双动态固态纯种发酵罐气相双动态固态纯种发酵的工艺过程在气相双动态固态发酵生物反座器装置中完成。该装置包括卧式态发酵灌、镶内压力脉动控制系统、灌内空气循环系统、小推车盘架系统和机械输送系统双动态固态发酵罐工艺技术流程（双筒体）以调节温度。双动态固态发酵罐工艺技术流程（单筒体）转鼓式生物反应器（2）转鼓式生物反应器转鼓式生物反应器的基本特点是，反应器的主体是一个水平或倾斜的圆柱体，圆柱体统着它的中轴旋转而使反应器中的发酵底物随之翻动，也可以在反应器中增加搅拌装置以强化底物的搅拌程度。如果有通气，一般是从反应器的顶部通入。由反应器的转动而对底物实施的搅拌一般是比较温和的，相对于其他混合方法，这种方法对微生物的损伤是比较小的。但是这种反应器也比较容易产生底物的结块和颗粒间的摩擦，这两种情况对于对摩擦力比较敏感的微生物仍然可以造成较大的损伤。另外，即使是对较小的实验室规模的反应器而言，温度控制也不是很容易，因为在转动的物体上面加装夹套是比较困难的，而且这种因难随着体积的加大而增大。转鼓式生物反应器转鼓式反应器的种类较多，不同类别其复杂程度差异很大。最简单的转鼓式是水泥混合器。再复杂一点的是转瓶式的，通过一个接口将转动的瓶子和不动的盖子结合在一起，在不动的盖子上可以加装各种传感器探头以及空气的进、出口。为了使通气均匀，空气的进、出口一般是在瓶子的俩端。转鼓式的温度控制也是比较困难的，控制温度的办法主要有：将反应器放置在控温的培养室内；将反应器部分浸在水浴中，或者用水浇在罐体上降温。但是这些方法只能用在比较小的规模上。在转鼓式反应器内部加装挡板可以增加其搅拌效果．这种情况下空气是通过反应器的中轴予以供应。转鼓式也可以实现连续发酵，有人设计了有三个室的反出器．底物在第一个室中．并于此室完成接种过程。然后在转鼓式的不断转动下．底物被依次推人第二室、第三室，最后，产物从第三室排出。转鼓式反刚器通常为卧式，或略微倾斜．鼓内有带挡板的也有不带挡板的．有通气或不通气的，也有连续旋转或间歇旋转的。转鼓的转速通常低．否则剪切力会使菌体受损。转鼓式反应器与固定床相比．优点在于可以防止菌丝体与反应器粘连。转鼓旋转使筒体内的基质达到一定程度的混合．菌体所处环境比较均一．使传质和传热状况得以改善。转鼓反应器是一个包括基质床层．气相流动空间和转鼓壁等组成的多相反应系统．与传统固体发酵反应器不同的是，基质床层不是铺成平面，而是由处于滚动状态的固体培养基颗粒构成．占总反应器容积的10％～40％。菌体生长庄固体颗粒表面．转鼓以较慨的转速转动（通常为2-3r／min），就如同设置了搅拌轴进而加速传质和传热的过程，正是这种巧妙的构思使得转鼓式反应器以“动”区别于传统固体发酵反内器的“静”。转鼓式反应器的主要特色是空气不是从基质的底部吹入而是从基质的顶部吹过，空气和基质的热量和物质交换是通过反应器的转动来促进．在这种反应器中．热量的传递主要台两种途径：一是直接通过对硫和蒸发将热量传递到反应器的顶部空气：二是由反应器的壁通过传导传递。这种反应器可以用于空气增加基质的水分蒸发来降温．因为这样酌反应器可以从顶部通过喷水来调节基质的水分含量。反应器项部空气和基质间的热量和物质传递