轉鼓式固態生物反應器的研究進展

楊聞 劉會鵬 邰燕翔 洪厚勝

摘要：固態發酵是指微生物在含水量極低的固體物料上進行生長、代謝，以獲得初生代謝產物和次生代謝產物。固態反應器因其各種工藝參數的在線監測與自動控制，在食品發酵、生物制藥、飼料生產等領域有著越來越廣泛的用途。根據罐溫、溶氧、pH等工藝參數而采用不同的控制模式。在固態發酵過程中，由于微生物生長環境、物料、傳質等諸多因素的差異，設計反應器并實現智能化、程序化是有待解決的關鍵性共同問題。主要對轉鼓式生物固態反應器的應用、特征進行分析并對一些目前存在的弊端提出疑問。

關鍵詞：固態發酵；代謝產物；轉鼓式固態反應器；在線監測；工藝參數；智能化

中圖分類號：TS201.3 ?????文獻標志碼：A ????文章編號：1000-9973（2024）04-0192-04

Research Progress of Rotating Drum Solid-State Bioreactors

YANG Wen1， LIU Hui-peng2， TAI Yan-xiang1， HONG Hou-sheng1，3*

（1.College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering， Nanjing Tech University， Nanjing

211816， China; 2.College of Chemistry and Molecular Engineering， Nanjing Tech University，

Nanjing 211816， China; 3.Nanjing Highke Bioengineering Equipment Co.， Ltd.，

Nanjing 210009， China）

Abstract： Solid-state fermentation refers to the growth and metabolism of microorganisms on solid materials with extremely low water content to obtain the primary and secondary metabolites. Solid-state reactors are increasingly widely used in the fields such as food fermentation， biopharmaceuticals and feed production due to their online monitoring and automatic control of various process parameters. Different control modes are adopted according to the process parameters such as tank temperature， dissolved oxygen and pH. In the solid-state fermentation process， due to the differences in the growth environment of microorganisms， materials， mass transfer and many other factors， designing reactors and achieving intelligence and programming are the key common issues that need to be solved. In this paper， the application and characteristics of rotating drum solid-state bioreactors are mainly analyzed， and the questions about some drawbacks at present are raised.

Key words： solid-state fermentation; metabolites; rotating drum solid-state reactor; online monitoring; process parameters; intelligence

收稿日期：2023-09-17

基金項目：國家高技術研究發展計劃項目（2012AA021201）

作者簡介：楊聞（1999—），男，碩士研究生，研究方向：生化工程與反應器。

*通信作者：洪厚勝（1965—），男，教授，博士，研究方向：生物反應工程及生化反應器。

固態發酵利用固體物作為發酵原料，固體物中含有少量游離水，微生物以此作為發酵環境[1]。作為發酵工程的傳統形式，從中國人制作山西陳醋起，傳統固態發酵已有3 000多年的歷史，主要用于食品和調味品中[2]。相較于液態發酵，沒有液相和含水量低的固態發酵可以使用更小的發酵罐，在代謝產物回收過程中節省試劑、減少細菌污染以及在某些情況下對無菌要求不是很高[3]，所以20世紀以后，傳統固態發酵逐漸與現代工業生產融合。為了提高產品的產量與穩定性，以規模化、工業化為基礎的固態反應器應運而生，目前固態反應器由傳統的簡單容器正逐漸朝著機械化、自動化、程序化的方向發展，不斷融入計算機科學領域的新科技與新理念，實現工藝參數的監測與精準控制[4]。目前在酶制劑、有機酸、抗生素、維生素、食品等行業有著廣泛的應用。

1 固態發酵反應器的原理

固態發酵的本質是將微生物培養在固體表面，利用微生物代謝產生的酶分解代謝底物，再經過微生物本身的代謝途徑分泌出人們所需要的初生代謝產物或次生代謝產物。這個過程包括固（固體物料）、液（液態水膜）、氣（空氣）三相和微生物相內部及相互之間的熱量傳遞，營養、水分、代謝產物和氧的質量傳遞，以及動態混合過程中的能量傳遞[5-6]。

上述“三傳一反”需要反應器有著相應的結構及功能。然而，由于含水固體物料的傳質、傳熱阻力難以控制，反應器中溫度、固體物料含水量、養料、代謝物濃度分布不均，對發酵效率產生影響，這對固態生物反應器的結構和功能提出了較高的要求，也是固態發酵罐大量投入使用道路上的一大阻礙[7-8]。但固態反應器的開發是一項非常有意義的研究，在生產工藝、產品質量、勞動資源等方面都比傳統液態或發酵池固態發酵更優越。

2 常見的固態生物反應器

目前常見的固態反應器分為兩類：靜態固態發酵反應器和動態固態發酵反應器。淺盤固態反應器是最典型的靜態反應器；動態反應器除了最常用的轉鼓式固態反應器外還有4種，分別是攪拌式水平鼓反應器、搖鼓式反應器、填充床反應器、流化床反應器。這些反應器著重考慮的依然是“三傳一反”，其中攪拌與通風的方式及強度是兩個重要的方面。為了散熱，通常會增加通風量，但這會使培養物表面水分流失嚴重，而通入潮濕的空氣再配合一定量的攪拌可以使培養物內部更易散熱并保留更多的水分[9-11]。

3 轉鼓式生物反應器在工業生產中的應用

3.1 傳統食醋發酵的變革

傳統食醋發酵主要由蒸、酵、淋3種工藝構成。近30年來，大部分醋廠以池代缸，在發酵階段的主要生產設備為發酵池（防腐、防漏水泥池），池長10 m、寬1.5 m、高0.8 m。將物料放入發酵池中，發酵期間需要不停進行人工翻醅，保證發酵池中的物料能夠與空氣充分接觸并控制發酵溫度。發酵結束后用吊車抓斗高壓蒸汽熏醅[12]。相較于目前先進的轉鼓式固態反應器，傳統釀造工藝不僅耗費大量的人力及空間資源，而且會因衛生條件簡陋而導致生產效率降低、產品質量參差不齊[13]。

轉鼓式固態反應器是一種臥式圓筒型反應容器，內部設有數個折流板，通過圓筒整體的轉動帶動里面的醋醅，使粘連在一起的醋醅被刮板打散，更好地與空氣結合，省去人工攪拌。在出料時，成熟的醋醅直接從出料口排出。反應器可以通過控制空氣流速來控制內部溫度。余永建等[14]參考臥式轉筒反應器和立式回流反應器的優缺點，將食醋發酵與淋醋工藝整合到一個反應器中，設計出了食醋固態釀造一體機。其結構為傳統的臥式罐體，在罐內設有螺旋翻料葉片，通過罐體自身旋轉和翻料葉片進行散熱。在罐體內醋醅上方設置噴淋裝置，用于淋醋使用。在罐體內側底部上方安置濾板，濾板與罐底之間形成空腔，用于收集醋鹵或淋醋醋液，可以縮短發酵周期并保證產出食醋具有良好的風味。

3.2 特殊轉鼓式生物反應器的開發及應用

Nagel等[15]研制了一種特殊轉鼓式反應器并將其用于米曲霉發酵產果膠酶，見圖1。

該反應器是在原本的圓柱形轉鼓內部設置一個矩形槳葉，高壓空氣穿過槳葉末端的孔使床層通風。在連續發酵過程中，米曲霉在熟小麥上生長，可將溫度控制在35 ℃。該反應器是填充床反應器和轉鼓式反應器的融合，相較于原本的填充床反應器，改善了其物料厚度、傳熱性不同等導致的空氣通入后其內部熱量質量不均勻以及水分分布不均勻的缺點。20世紀40年代早期，一家生產盤尼西林的工廠制造了40臺直徑1.22 m、長11.28 m，即每臺反應器容量為13 m3的轉鼓式生物反應器，見圖2[16]。

該套反應器已集接種與發酵為一體。此外，Du等[17]報道了一種內部設置布料板的轉鼓式固態發酵反應器，總容積達550 ?m3 ，用于高粱原料固態發酵產乙醇。

4 轉鼓式反應器中的攪拌和傳遞現象

4.1 物料攪拌與傳遞現象

轉鼓式反應器的性能主要由床層與頂空氣體之間的水、能量交換效率決定。轉鼓有兩種不同的設計，分別為無折流板轉鼓與帶4塊直折流板的轉鼓。無折流板轉鼓主要用于非固態發酵。該流型取決于轉鼓的轉速和填充率。將流型與臨界轉速（NC）聯系起來，NC定義為由于離心作用使顆粒保持與轉鼓內壁接觸時的轉速[18]。對于水平放置的轉鼓，NC與直徑的關系式為：

NC=42.3 D。

式中：NC為轉鼓轉速，r/min；D為直徑，m。

靜止轉鼓和處于臨界狀態下的轉鼓，床內都沒有產生混合。當低于臨界速度10%時，流型為滑移和坍塌，固體顆粒基本整體移動，床層內的固體顆粒幾乎未混合。轉速增加至臨界速度的10%～60%時，床層先出現滾翻，以平滑表面為特征，然后是溢流，以曲面為特征。在兩種流型中床層自身內有顆粒的流動，但也有可能存在死區。當轉速大于臨界速度的60%或低于臨界速度時，則會出現瀑泄流，物料被甩入空中[19]，各狀態見圖3。由于帶直折流板的轉鼓增加了固體顆粒在軸向上的混合，大多數轉鼓式反應器都是在形成塌陷的條件下進行操作，所以為了增強效果，通常在轉鼓內表面設置折流板，相較于無折流板轉鼓高速下運行才能使得固體顆粒混合，添加折流板能夠大幅度減少能耗。

Schutyser等[20]模擬了折流板對混合的影響。在一個直徑為30 cm的轉鼓中分別安裝了4塊5 cm和10 cm寬的直折流板進行比較。得出盡管在低轉速下它們也有助于防止坍塌流動，但較小的折流板對增強翻滾狀態時的混合效果不大。隨后Schutyser等又對轉鼓中心軸線進行傾斜，使其呈現20°～35°的傾斜角。進一步實驗發現，固體顆粒的動態休止角是轉鼓中心軸傾斜角的上限，見圖4。在水平轉動一段時間后進行傾斜能夠更加充分地對物料進行混合，且傾斜時物料會坍塌，以更好地對其內部散熱。

4.2 轉鼓頂空的空氣流型對通風的影響

在轉鼓式反應器中，頂空流型對散熱效果的影響很重要，頂空對流散熱計算公式為：

Rconv=hA（T床層-T頂空）。

式中：Rconv為對流散熱，W;h為傳熱系數，W/（m2·℃）；A為床層與頂空的接觸面積，m2；T床層為床層溫度，℃；T頂空為頂空溫度，℃。

如果頂空氣體混合均勻，則傳熱推動力保持不變，床層表面各處的傳熱速率都相同。但如果頂空的流型為栓塞流，則傳熱推動力會減小。這種情況下，轉鼓入口端附近的床層與頂空的熱交換速率大于出口端，從而導致轉鼓尾部溫度過高，影響產品質量。Hardin等[21]用CO作為示蹤劑，研究了200 L轉鼓中的流型，發現中心栓塞流區被死區包圍，見圖5。死區包括一部分頂空氣體和床層顆粒間隙中的所有氣體，死區在徑向上有良好的混合效果，但在軸向上無運輸。折流板的有無影響著死區所占轉鼓的體積分數以及栓塞流與死區間的傳遞速率。與無折流板相比，帶折流板時栓塞流與死區間的交換更多，意味著死區在轉鼓中占據的體積更小。

5 反應器工藝參數的監控

由于在發酵過程中需要及時高溫滅菌以及對密封性的要求，所以對傳感器有特殊要求：耐高溫，耐腐蝕，在結構上防止雜菌進入以及避免死角，能經受各種惡劣環境[22]。

5.1 轉鼓內溫度自控原理

轉鼓內溫度的測量，選用不銹鋼套管封裝的pt100溫度傳感器探頭，從轉鼓側面開口處斜插入罐內。pt100溫度傳感器直接與執行器連接，執行器產生的控制信號經電氣閥門傳遞給冷卻盤上的氣動調節閥門，從而形成一個閉合回路。通過調節冷卻水的流量來控制罐內溫度；溫度升高，冷卻盤上的閥門開口增大，冷卻液流量增多，從而達成降溫的效果；溫度下降則反之。

5.2 轉鼓內溫度自控模式及特點

由于對轉鼓內溫度監測具有一定的滯后和時變，當滯后時間較長時，PID控制會引起系統的響應發生振蕩，所以可以采用模糊控制的方法，雖然傳統的控制理論對于明確系統有著強有力的控制能力，但對于復雜或者變幻莫測的系統則顯得無能為力，所以采用模糊數學來處理這些系統[23]。模糊控制系統結構見圖6，由模糊化、模糊推理、知識庫、清晰化這四部分組成。模糊化模塊中僅包含模糊化方法的確定；知識庫分為數據庫和規則庫；數據庫包括設計輸入輸出變量的尺度參數；清晰化模塊指清晰化方法的確定[24]。

模糊控制工作流程：首先通過溫度傳感器將被監測的物理量轉換成電量，再通過A/D轉換器將電量轉換成數字量并與給定值進行比較，得到一個精確量的偏差e作為模擬控制器的輸入；其次經過輸入量尺度變換和模糊化處理，得到模糊量E，模糊量E與模糊關系R合成，得到模糊推理的結果C；最后模糊量C經清晰化處理得到清晰度c，并由A/D轉換及輸出尺度變換后送到執行器進行控制。模糊控制結構圖見圖6[25]。

6 結果與展望

轉鼓式固態反應器因其獨特的結構在工業生產中有著廣泛的用途。隨著轉鼓式反應器結構與功能的進一步完善，其逐步替代傳統的發酵設備。轉鼓式反應器增加了反應時的表面積，使反應物更充分地接觸并發生反應，從而提高了反應效率，這意味著更高的產量和更低的廢料生成量。對發酵過程進行自動控溫，對固體物料的含氧量進行監測和控制，大大改善了勞動環境，穩定了產物質量，縮短了發酵周期，節省了勞動成本。但目前轉鼓式固態反應器自動化程度不夠，對易揮發產品尾氣回收效率過低，甚至有時無法達到預期的轉換率，延長了發酵周期，給工業生產帶來損失。新型轉鼓式固態反應器的功能結構優化是一項長期工作，我們要在今后的學習中進一步提升反應器的智能化、程序化[26-28]。

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