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現代固態發酵技術工藝、設備及應用研究進展

2016-07-11 09:31:30車邦

前言
固態發酵(Solidstatefermentation)指體系在沒有或幾乎沒有自由水存在下aaaa,微生物在固態物質上生長的過程aaaaa,過程中維持微生物活性需要的水主要爲結合水或與固體基質結合的狀態aaa。大部分研究者認爲固態發酵和固體基質發酵(Solidsubstratesfermentation)是同一概念aaa,可是Pandey等[1]卻認爲固體基質發酵是在無自由水條件下固體基質作爲碳源或氮源的發酵過程aaaaa,而固態發酵是在無自由水條件下利用天然或惰性底物(如合成泡沫)作爲支持物的發酵過程aaa。本文中將其統稱爲固態發酵aaa。
近幾年來aaaa,隨着世界性的能源危機和環境保護意識的增強aaaa,固態發酵重新受到重視aaaaa,主要歸因於農業、工業廢棄物在固態發酵方面得到較大應用aaaaa,比如土壤修復、生物轉化及生物燃料等aaaaa,是工業應用的理想技術aaaaa。
1   影響固態發酵的因素
影響固態發酵過程的因素很多aaaa,主要取決於基質類型、微生物選取和生產規模aaaaa,可大致分爲生物化學、物理化學和環境因素aaaa。所有的因素都是密切相關的aaaa,不能獨立地看待aaaaa。在特定的固態發酵過程中aaa,單個因素作爲生化還是物化因素需要區別開來aaaaa。某個因素在生化反應中可看做獨立的aaaa,但在物化反應中是相互影響的aaaa,反之亦然[aaaaa。所以aaaa,需要分析各個因素在固態發酵進程中的影響aaa。
1.1  固態發酵微生物
真菌和細菌是固態發酵使用較多的微生物aaaa,
真菌是比較理想的(如圖所示aaaa,真菌菌絲穿過基質的皮殼到達澱粉顆粒)aaa。接種真菌孢子較營養細胞有一定優勢:接種方便、靈活且易於保存較長時間和較高活性aaaaa,但也有一定的缺點aaaaa,如較長的滯後期、孢子接種量較大;在孢子萌發之前需誘導孢子進入代謝活動和酶系合成以防孢子休眠aaaa。某些發酵過程需要菌絲接種aaaaa,如將毛殼菌菌絲接入小麥秸稈中進行固態發酵aaaa。接種密度(個/克物料)也是固態發酵的一個重要影響因子aaa。
 
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aaaaa。低水分將降低營養物質傳輸、微生物生長、酶穩定性和基質膨脹;高水分將導致顆粒結塊、通氣不暢和染菌aaa。固態發酵過程中水分含量範圍應控制在30%~85%aaaa。不同微生物發酵水分應該是不同的aaaaa。
微生物能否在底物上生長取決於該基質的水活度Awaaaa。水活度除受基質本身的影響外aaa,還與溶質的種類和數量有關aaa。不同微生物Aw要求也不同aaaaa。一般而言aaaa,細菌要求Aw在0aaaaa。90~0aaaaa。99之間;大多數酵母菌要求Aw在0aaaaa。80~0aaaa。90;真菌及少數酵母菌要求Aw在0aaaa。60~0aaaaa。70aaaaa。因此aaaa,固態發酵常用真菌原因就是其對水活度要求低aaaa,可以降低雜菌的污染aaaaa。在固態發酵過程中aaa,由於基質的水解aaa,物質的溶出aaaaa,Aw降低aaaa,將延長微生物的滯後期aaaaa,導致生物量減少aaaaa。可以通過加無菌水、加溼空氣和安裝噴溼器等方法來提高Awaaaaa,以保證菌體正常生長aaaaa。
1.3  基質和粒度
固態發酵基質常爲農業副產物、天然纖維素、固體廢料等aaaaa。具有大分子結構的原料其惰性組織將氮源和碳源物質緊緊包裹aaa,不利於發酵aaa,因此原料的預處理是很重要的aaaa,主要通過物理、化學或者酶水解等方法降低被包裹或顆粒粒度aaaaa,提高基質可利用率aaa。採用天然基質進行固態發酵aaaa,隨着微生物的生長aaaaa,作爲基質結構的部分碳源物質被消耗aaaaa,影響了傳質和傳熱aaa,通常在發酵過程中加入適量的具有穩定結構的支持物來改善aaa。
基質粒度關係到微生物生長及傳質傳熱效果aaa,將直接影響到單位體積顆粒所能提供的反應表面積的大小aaaaa,也會影響到菌體是否容易進入基質顆粒內部及氧的供給速率和代謝產物的移出速率等[9]aaa。小的顆粒可以提供較大微生物攻擊表面積aaa,提高固態發酵反應速率aaaaa,是理想的選擇aaaaa,但是在許多情況下太小的顆粒容易造成底物積團aaaaa,顆粒間空隙率也減小aaaa,導致阻力增大aaaa,對傳熱、傳質產生不利的影響aaaaa,導致微生物不良生長;大顆粒由於存在較大間隙有利於提高傳質和傳熱效率aaaaa,還可提供更好的呼吸及通氣條件aaaaa,但微生物攻擊表面積較小aaaa。
1.4  O2和CO2濃度
固態發酵系統的氣態環境直接影響到生物量的大小和酶合成的程度aaaa,需要控制空氣流動來調整氣態環境aaaa。好氧微生物的理論呼吸熵(RQ)爲1aaa。0aaaa,低於1aaaa。0將影響氧氣傳輸aaaaa,微生物生長受到阻礙aaa,通過測定O2吸收速率和CO2合成速率(發酵尾氣分析儀進行在線實時測定)aaaa,可以判斷微生物的生長程度(反應生物量的變化)aaaa,通過改變O2和CO2的分壓大小aaaaa,可以控制微生物的生長和代謝aaa,進而調節固態發酵過程aaaaa。
1.5  溫度和pH值由於微生物的生長、蛋白質合成、酶和細胞活性及代謝產物合成對溫度的敏感性aaaaa,對溫度的控制很重要aaaa。大多數真菌的生長溫度範圍在20~
[5]
55aaa,致死溫度在50~60aaa。在發酵過程中aaa,微生物代謝產生大量的熱aaa,造成品溫上升很快(有時高達2/h)aaaa,如果產生的熱不能及時散去aaa,就會影響孢子發芽、生長和產物產率aaaa。又固態發酵不同料層的物料溫度不同(在微生物生長對數期可超過3/cm)aaa,造成發酵不均一aaa。因此aaaa,在固態發酵反應器設計方面aaaa,主要集中在如何傳熱aaaaa,到目前爲止aaaaa,最好的解決辦法是通風aaaa。
固態發酵過程中由於代謝活動aaa,pH值會發生一定變化aaaaa,最常見的是有機酸的生成aaa,造成pH值下降aaa。不同微生物的最適生長pH值是不同的aaa,真菌生長pH值範圍在2aaaa。0~9aaaa。0aaaaa,最適範圍在3aaaa。8~6aaaa。0;酵母最適範圍在4aaaaa。0~5aaaaa。0aaaaa。低pH值可以有效地抑制污染菌的繁殖aaaa。對pH值很難採用合適的技術進行在線測定和控制aaaa,可在發酵原料中加入具有緩衝能力的物質(對反應過程無影響)來緩衝pH值的變化aaa。
1.6  通風和攪拌
好氧發酵過程中對氧的需求及系統中傳質、傳熱的需要aaa,通風和攪拌操作有重要的影響aaa。空氣速率增加可提供微生物生長所需氧氣aaaaa,又可以移除CO2、揮發性代謝物和反應熱aaaa,但很多因素影響O2的傳輸aaaaa,如空氣壓力、通氣率、基質空隙、料層厚度、培養基水分、反應器幾何特徵及機械攪拌裝置的轉速等aaaa。氣流強度可作爲評判通風強弱的標準aaaaa,通氣質量也很重要(特別是氣體溼度aaaa,可改變水活度)aaaa。合適的通風強度和質量可提高對溫度的控制aaa。
由於基質的不均勻性aaaa,通風過程容易造成細胞代謝發生變化aaaaa,需要通過攪拌來提高物料發酵、水分、溫度和氣態環境均一性aaa。在選擇基質時aaaaa,應考慮基質特性aaa,避免在攪拌過程中出現結塊現象aaaa,但過分的翻動可能損傷菌絲體aaaa,抑制菌體生長aaa。間歇攪拌較連續攪拌有較好效果aaa,對菌絲體的生長及其在基質上附着更有利aaa。
1.7  固態發酵反應器
固態發酵反應器是目前限制固態發酵用於現代生物反應工程的一個重要因素aaa。設計反應器需要考慮幾個方面的問題:滅菌、接種、傳質傳熱、取樣、供氣、參數的測量和控制等aaaaa。迄今爲止已有許多類型的固態發酵反應器問世(包括實驗室、中試和工業生產)aaa,部分用於食用菌、酶製劑、動物飼料和土壤修復等aaaa。
1.7.1  淺盤發酵反應器
淺盤發酵反應器是所有反應器類型中最簡單的發酵設備aaaaa,結構見圖aaaaa,是傳統發酵食品的酒麴生產採用的反應裝置aaaaa,但是aaaaa,散熱主要通過托盤傳導aaa,即使通電冷卻也不足以去除代謝熱aaaaa。此外還有傳質傳熱速率低造成的高污染風險和托盤利用率低等缺點aaaaa。

1.7.2  流化牀反應器
該反應器主要是在金屬網或多孔板上鋪置粉粒狀基質aaa,從底部往上吹空氣形成流化層狀態aaaa,兩種不同形式的流化牀結構見圖aaaa。反應器的主要參數是粒徑大小和顆粒分佈aaa,粒徑分佈越狹窄aaaa,顆粒越容易保持流化狀態aaaa。反應器採用封閉系統可較好保持無菌狀態aaaaa,發酵完成可提高空氣溫度直接將產品進行乾燥回收aaaaa。這類反應器容積率低aaaaa。
1.7.3  轉鼓式反應器
其基本形式是將一個圓柱形容器支架在一個轉動系統上aaaa,轉動系統主要起支撐及提供動力作用aaaa,結構示意見圖aaaaa。轉鼓式發酵器轉動速率一般爲1~16r/minaaaa,有的可達到更高轉速aaaa,真菌菌絲體的破壞程度對轉速較敏感aaaa。這類反應器重點要解決好物料結塊和粘壁的問題aaaaa,其次是反應器容積率低aaaa。增加破碎板(網)可以解決結塊問題aaaaa。
1.7.4  圓盤式反應器
圓盤式反應器底部通常由兩層金屬網製成aaaa,無菌空氣由底部均勻進入1m左右厚的發酵基質aaaaa。幾個並排的螺旋式攪拌器在以一定的速度水平運動的同時aaaa,還以適當的轉速自轉aaaaa。在攪拌器上還有2~3個噴頭aaaaa,用於補水aaaa,結構示意見圖aaaa。本反應器易於放大進行工業生產aaaa,但不能進行無菌操作aaa,只能用於自然發酵和混合發酵過程aaa。
 
1.7.5其他
還有根據不同需要製作的不同固態發酵反應器aaaa,如氣相雙動態固態發酵技術及裝置(示意見圖aaa。該項技術已成功地從實驗室的2、50、800L放大到25、50、70m3的工業級生產規模aaaa。應用範圍涉及到抗生素、酶製劑、有機酸、食品添加劑、生物農藥和生物肥料等aaaa。
 
2  現代固態發酵技術的應用
固態發酵技術在傳統功能食品和酒類釀造方面得到了廣泛應用aaaa,如醬油、米酒、豆豉、黃酒和白酒等aaaa。從傳統固態發酵發展到現代固態發酵aaa,該技術在生產抗生素、酶製劑、精飼料、有機酸、生物活性物質等方面發揮了重大作用aaaaa,並進一步擴大到生物轉化、生物燃料、生物防治、垃圾處理及生物修復等領域aaaa,固態發酵作爲潛在的技術引起人們的密切關注aaaaa。
2.1  生物轉化
利用固態發酵技術對農作物及農作物殘渣進行生物轉化提高其營養價值具有巨大經濟價值aaaa。現在食品和飼料行業對其利用越來越廣泛aaaa。如利用根黴菌對木薯及木薯渣進行發酵以提高其營養價值;利用白腐菌或黃孢原毛平革菌對木質纖維素進行降解aaa;利用木黴發酵棕櫚提高其在飼料行業的利用率aaaaa。
2.2  生物燃料
用農業、工業殘渣固態發酵生產生物燃料可大致分爲兩大類:氣體和液態生物燃料aaaaa。對傳統沼氣進行淨化可得到新型生物燃料;生物制氫是一個相對較新的生物燃料的氣體類型aaaaa,由氫細菌、產酸和產甲烷細菌聯合厭氧發酵農工業廢物aaa。液體生物燃料最近被分爲生物乙醇和生物柴油aaaaa。由於世界能源危機生物乙醇表現出了振奮人心的重要性aaa,生物柴油作爲石油的潛在替代品不斷得到發展aaaa。利用固態發酵方法生產生物乙醇有可消除糖的製備過程aaa,節省成本;降低發酵罐體積aaaa,無廢水;降低能耗等優點aaaa,發酵過程由酵母產生的轉化酶和酒化酶對天然原料(如甜菜、蘋果渣、甜高粱和木薯等)進行轉化aaa。與酒精不同aaaaa,生物柴油是一種酯aaaa,生物發酵提取的乙基或甲基酯可以與傳統柴油混合或100%地作爲生物柴油使用aaaa。Amin等用微藻處理工業廢水生產藻油取得突破性進展aaaa,藻油經簡單處理即可作爲生物柴油aaaa。
2.3  生物防治
生物防治是一種既不污染環境aaaaa,又可殺死害蟲或病菌的辦法aaaaa,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aaa,常見的有應用真菌、細菌、病毒和能分泌抗生物質的抗生菌(對人體和環境不產生公害)aaaa。利用固態發酵生產真菌殺蟲劑aaaa,藥物對害蟲的毒力得到極大的提高aaaaa。如早期的白僵菌、蘇雲金桿菌殺蟲;又如假單孢桿菌、哈慈木黴和綠色木黴複合使用能最大限度地抑制尖孢鐮刀菌香蕉轉化型aaaaa。使用固態發酵微生物肥料能減輕西瓜、黃瓜連作障礙aaaaa。
2.4  垃圾處理
目前國、內外城市垃圾處理主要採用填埋、焚燒、發酵等方法aaaaa,其中填埋技術佔地面積大aaaaa,不易降解;採用垃圾焚燒技術aaa,其減量化程度高aaa,但投資巨大且受到煙氣排放的制約;發酵技術具有減容、減量及無害化程度低及可再循環利用等優點成爲國內外垃圾處理方面的首選aaaa。利用固態發酵技術加工處理生活垃圾aaaaa,不但解決了資源短缺等問題aaaaa,同時降低了垃圾排放aaaaa。德國Eggersmann公司採用Horstmann隧道倉發酵系統對分類收集的有機垃圾、不含重金屬等工業有害物進行處理aaaaa,生產高等級的有機肥料aaaaa,處理能力爲7aaaa。3萬t/年aaaa。西班牙巴塞羅那的ECOPARE垃圾綜合處理廠採用垃圾前分選、好氧堆肥、厭氧發酵、沼氣發電等工藝可處理城市混合垃圾和餐館垃圾aaaa,日綜處理能力爲1050aaaa。t加拿大Edmonton處理廠採用滾筒發酵工藝技術aaaa,每年生產12aaaa。5萬t腐熟堆肥aaaa。中國廣東省博羅縣採用分選、有機垃圾發酵、肥料加工、可燃物熱解、氣化發電、無機垃圾填埋等工藝相結合的系統集成技術對生活垃圾進行處理aaa,生產有機復混肥aaa。
2.5  生物修復
固態發酵生物技術是有毒化合物生物降解與
環境生物修復的有益工具aaaa。如國家海洋局第三研究所學者利用太平洋深海紅球菌(Rhodococcusspaaaaa。TW53)修復石油污染海水和湖水aaaaa,石油的分解率達到90%aaa,同時收集菌體還可得到富含FA的油脂59aaa。18%aaaa。利用Paaaa。ostreatus對含有咖啡因的物質進行固態發酵進行生物修復可達到對咖啡因降解的目的aaa。希臘學者利用微生物去除垃圾填埋場中的腐植酸aaaa,去除率可達85%以上aaa。

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