（农产品加工及贮藏工程专业论文）新型转筒式固态发酵反应器的研制与开发.pdf

。dj- l吲 弋 | r 苣 【 学位论文版权使用授权书 l i i ii ii ii ii i iii ii iii l 18 0 9 911 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密囹 本学位论文属于 在岁年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：? 争自。碉 签字同期：矽西年6 月，7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师 签字 电话： 邮编： f 7 b r ， ， 。，r、krr e一 ，。 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论支弋 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的、 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人i j 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。， ：三论文i j 签i ：? 笋包谓 l 日期：。户口9 年6 月l7 日 一 江苏大学硕士学位论文 摘要 2 0 世纪9 0 年代以来，西方主要工业国家对现代固态发酵技术与设备进行了 大量的研究开发。然而在我国该技术还处于试验研究阶段。本研究致力于研制固 念发酵试验装置，主要研究内容和结论如下： ( 1 )完成了g t t l 0 0 转筒式固态发酵反应器的整机设计。对反应器零部件进行 了选型和理论计算，优化了结构设计。 ( 2 ) 采用螺带搅拌改善传质传热。 筒内设置了适合于固态物料混合的螺带搅拌器，强化了基质的混合，改善 了固态基质的传质传热。克服了传统转筒式反应器混合不均匀、基质容易 结块的缺点。 采用了间歇搅拌的方法，减少了搅拌易损伤菌丝体的负面影响。 ( 3 ) 设计了对温度、空气湿度及通气量等重要参数的在线检测和控制。 ( 4 ) 设计了蒸汽灭菌、空气过滤和无菌取样等辅助装置，免去了传统转盘式固 体发酵设备固体物料蒸料锅、无菌物料输送系统等辅助设备。 ( 5 ) 通过以醋糟为基质的发酵工艺的试验研究，验证了新型转筒式固态反应器 的可行性。 关键词：固态发酵，反应器，控制，醋糟，蛋白饲料 ，i。p卜|i卜， 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c e9 0 si n2 0c e n t u r i e s ，m o d e ms o l i ds t a t ef e r m e n t a t i o na n di t se q u i p m e n t ， w h i c ht h ep e o p l eo n c et r e a tc o l d l y ，h a sr e c e i v e dm o r ea n dm o r ei n t e r e s ta n dg r a d u a l l y d e v e l o p e di nm a i nw e s t e mi n d u s t r i a ld e v e l o p e dc o u n t r i e s b u tt h i st e c h n i q u ei ss t i l li n e x p e r i m e n t a lp o s i t i o ni no u rc o u n t r y t h u s ，a u t h o rw a se n g a g e di nt h i sr e s e a r c hw o r k o fs o l i ds t a t ef e r m e n t a t i o nl a b o r a t o r ye q u i p m e n t t h er e s e a r c hp r o c e s sa n dt h em a i n c o n c l u s i o n sa r ep r e s e n t e da st h ef o l l o w i n g ： 1 t h ed e s i g ns c h e m ee n a c tt h er o t a t i n gd r u ms o l i ds t a t ef e r m e n t a t i o n ( s s f ) b i o r e a c t o rb yr e f e r r i n gag r e a td e a lo fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l r e l a t e d r e s e a r c hd a t aa n di n f o r m a t i o no fb i o r e a c t o r ，c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f s s f 2 s u c c e s s f u l l yd e v e l o p m e n to ft h es s fb i o r e a c t o ri nv i e wo ff u n c t i o n ，s i m p l e o p e r a t i o na n dg e n e r a lu s eo ft h ee q u i p m e n t o nt h eb a s i so ft h i s ，c a r e f u l l y c h o o s et h ev a r i o u st y p eo fs p a r ep a r t sa n dc a r r yo nt h et h e o r e t i cc a l c u l a t i o ni n o r d e rt oe x c e lt h es t r u c t u r ed e s i g n 3 h e l i c a lm i x e ra n df o r c e da e r a t i o ni m p r o v em a s sa n dh e a tt r a n s f e r ad o u b l eh e l i c a lm i x e rh a sb e e na s s e m b l e da n dc a l le x h a n c et h em i x i n g o f t h es o l i dm e d i u mt oi m p r o v es i m u l t a n e o u sc o n t r o lo fm a s sa n dh e a tt r a n s f e ra n d o v e r c o m et h ed r a w b a c ko ft h et r a d i t i o n a lr o t a t i n gd r u mss fb i o r e a c t o ri nw h i c ht h e m i x i n gi sl e s se f f i c i e n t t h e b i o r e a c t o ri sr o t a t e d i n t e r m i t t e n t l y r a t h e rt h a nc o n t i n u o u s l y i n t e r m i t t e n tr o t a t i o np r e v e n t st h em y c e l i u mf r o mk n i t t i n gt h eb e dt o g e t h e ra n di s p o t e n t i a l l yl e s sd a m a g i n gt of u n g a lm y c e l i u mt h a nt h ec o n t i n u o u sr o t a t i o nt h a t i s t y p i c a l l yu s e dw i t hr o t a t i n gd r u m s t h ee f f e c to ft h em i x i n gs p e e da n dt h ef i l l i n g v o l u m eo nm i x i n gt i m e m a k es u r et h ec r i t i c a lf l u i d i z e ds p e e do f s u b s t r a t ep a r t i c l e s 4 t h es y s t e mr e a l i z e sc o n t r o lo ft e m p e r a t u r e ，h u m i d i t ya n da e r a t i o nr a t e 5 t h eb i o r e a c t o rh a v es o m ea u x i l i a r yd e v i c e s ( s y s t e mo fs t e a ms t e r i l i z i n g ，s y s t e m 一 每 产 江苏大学硕士学位论文 o fa i rf i l t e r i n ge t c ) ，w h i c hc a ne n s u r et h es s fp r o c e s ss u c c e s s f u l l y 6 f e r m e n tt h ev i n e g a rr e s i d u ew i t hs s fb a s eo nb i o r e a c t o rt h a td e s i g no u r s e l v e s o nd i f f e r e n tc o n d i t i o n ，m e a s u r i n gb i o m a s s ，e n z y m ea c t i v i t ya n dc o n t e n to f p r o t e i nr e s p e c t i v e l y ，w em a k es u r et h a tt h eo p t i m a lc r a f tc o n d i t i o ni s ：o p t i m a l t e m p e r a t u r ei s3 0 ，o p t i m a la e r a t i o nr a t ei s6 5 l m i n ，o p t i m a ls t i rf r e q u e n c yi s o n c e 4h o u r ，o p t i m a li n i t i a lc o n t e n to fw a t e ri s6 5 ，o p t i m a lp e r i o do f f e r m e n t a t i o ni s4 8h o u r s e x p e r i m e n t a t i o ns h o wt h a tt h eb i o r e a c t o rt h a td e s i g n o u r s e l v e si sf e a s i b l e k e y w o r d s ：s o l i d s t a t ef e r m e n t a t i o n ，b i o r e a c t o r ，c o n t r o l ，v i n e g a rr e s i d u e ， p r o t e i nf e e d s i i i 江苏大学硕士学位论文 目录 第章绪论1 1 1 固态发酵的基本概念1 1 2 固态发酵的特点1 1 3 固态发酵反应器的进展2 1 3 1国外研究概况2 1 3 2国内研究概况2 1 4 影响固态发酵过程的主要参数与控制3 1 4 1 温度与热量传递3 1 4 2 通风与传质过程4 1 4 3 p h 值：5 1 5 固态发酵趋势和应用前景5 1 6 课题研究的目的与意义一6 1 7 本课题拟解决的主要任务和关键问题一8 第二章新型转筒式固态发酵反应器总体方案设计9 2 1 国际上几例固念发酵反应器评价9 2 1 1 填充床反应器9 2 1 2 搅拌式反应器1 1 2 1 3 浅盘式反应器1 2 2 2典型几种固态发酵反应器优缺点对比13 2 3新型转筒式固态发酵反应器总体方案的制定1 4 2 3 1g t t l 0 0 固态发酵反应器的功能设计一1 4 2 3 2g t t l 0 0 固态发酵反应器的方案设计一1 4 2 3 3g t t l 0 0 型转筒式固态发酵反应器的特点1 4 2 4小结1 6 第三章g t t l 0 0 滚筒式固态发酵反应器的设计1 7 3 1滚筒式固态发酵反应器的传热传质模型1 7 3 2g t t l 0 0 滚筒式固态发酵反应器结构设计2 0 3 2 1反应器结构设计的基础要求2 0 3 2 2 反应器罐体内压薄壁圆筒的设计2 1 3 2 4 反应器搅拌装置的设计2 3 3 2 5 传动装置设计2 5 i v 江苏大学硕士学位论文 3 2 6 密封件的设计2 5 3 2 7 其他零部件的设计。2 6 3 2 8g t t 一1 0 0 固态发酵反应器的设计。2 6 3 3 反应器设计中主要考虑的参数设计和控制2 7 3 3 1 反应器中的温度控制2 7 3 3 2 反应器中的压力及其控制2 8 3 3 3反应器中的通气量及其调节2 9 3 3 4反应器搅拌转速的控制3 4 3 3 5 反应器基质水分的调节3 8 3 3 6 反应器中基质p h 值及其监控。3 8 3 4 反应器中辅助装置的设计3 9 3 4 1 无菌取样装置3 9 3 4 2 设备及管路的灭菌装置3 9 3 4 3 空气净化除菌装置4 1 3 5 本章小结4 1 第四章醋糟固态发酵工艺的试验研究4 2 4 1醋糟固态发酵试验方法4 2 4 1 1试验工艺路线的确定4 2 4 1 2 试验设备材料与方法4 3 4 2 试验结果与讨论4 7 4 2 1 摇瓶培养试验4 7 4 2 2 固态反应器培养试验4 8 4 3本章小结5 4 第五章主要结论与展望5 6 5 1主要结论5 6 5 2 展望5 7 参考文献5 8 致 谢6 l 攻读硕士期间发表的文章6 2 附录6 3 v l 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1固态发酵的基本概念 一般发酵工艺过程按照培养基物理性状不同，将发酵方式分为两大类：固态 发酵( s o l i ds t a t ef e r m e n t a t i o n ) 和液态发酵( 1 i q u i ds t a t ef e r m e n t a t o n ) 。液态发酵主 要有表面发酵( s u r f a c el i q u i df e r m e n t a t i o n ) 和深层发酵( s u b m e r g e dl i q u i d f e r m e n t a t i o n ) 。 而一切使用不溶性固态基质来培养微生物的工艺过程，称之为固体基质发酵 ( s o l i ds u b s t r a t ef e r m e n t a t i o n ) 。按照这样的理解，即包括将固体悬浮在液体中的 深层发酵，也包括在没有( 或几乎没有) 游离水的湿固体材料上培养微生物的工 艺过程。而对于固态发酵来讲，是指没有或几乎没有自由流动水存在下，在有一 定湿度的水不溶性固态基质中，用一种或多种微生物的一个生物反应器过程【l 】。 由于人们对于固态发酵传统的认识是从固态基质开始，它既是微生物生长代 谢的碳源能源，又是微生物生长的微环境，上述对于固态发酵的定义难以反映出 固态发酵的内涵。从生物反应过程的本质考虑，固态发酵是以气相为连续相的生 物反应过程；与此相反，液态发酵是以液相为连续相的生物反应过程。从这个定 义中可以充分认识固态发酵的特点，以及液态发酵本质的区别【2 j 。 1 2 固态发酵的特点 固态发酵具有以下特点：使用的原料不必经过复杂的加工，简化了操作程 序、节约能源d 1 ：由于存在明显的气、液、固三相界面，可以得到液体发酵难 以于得到的产物h 1 ；没有发酵有机废水的产生，因此没有环境污染问题；固 体基质是多孔固体颗粒基质，有较大的用于微生物生长的气固表面积 ( 1 0 3 - 1 0 6 m 2 c m 3 ) ，因此固态发酵的气体传递速率比液体发酵高的多晴1 ；固态发 酵是非均相反应，测定和控制都比较困难，用于工程设计参数较少，大多发酵过 程都依赖经验拍3 ；发酵结束后处理简单，许多产品可以直接烘干而无须提取， 产品易于储藏，稳定性好。 江苏大学硕士学位论文 1 3 固态发酵反应器的进展 1 3 1国外研究概况 近年来法国、日本、美国等国家竟相对固态发酵的关键设备进行研究，迄今 为止已有许多类型的固态发酵反应器问世( 包括实验室、中试) 。b l o n s a n e 在其 研究中归纳出九种不同形式的s s f 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、圆盘式、混合式h 1 。 以基质的运动情况则可以分为两种：( 1 ) 静态固态反应器，包括浅盘式和塔柱式 反应器；( 2 ) 动态固态发酵反应器，包括机械搅拌的筒、柱式、转筒式反应器等 【3 1 。第一类反应器内发酵基质在发酵过程中基本处于静止状态。其优点是结构简 单，操作方便，放大问题小；其明显的缺点是：由于发酵基质的相对静止，热量、 氧气和其他营养物质的传递困难，从而导致基质内部温度、湿度、酸碱度和菌体 生长状态的严重不均。第二类反应器中的基质处于间断或连续的运动状态，而强 化了传热和传质，设备结构紧凑，自动化程度相对较高；但由于机械部件多，结 构复杂，灭菌消毒比较困难，固态基质的搅拌能耗过大，发酵物料的持续运动有 可能会破坏菌丝体，从而影响菌体的生长与代谢哺3 。 但固态发酵必须解决反应器的过程放大，防止发酵过程污染，以及过程检控 等一系列问题，到目前为止尚未见到有关工业化规模固态反应器的专题报道。 1 3 2 国内研究概况 目前国内固态发酵设备主要是传统的开放式反应器。对固态反应器的研制还 刚刚开始，许多科研单位和企业非常重视固态反应器的研制与开发，如中国科学 院过程工程研究所开发的压力脉动固态发酵反应器阻1 ；镇江东方生物工程设备技 术有限责任公司研制开发的s f 一5 0 、s f 一1 0 0 、s f - - 2 0 0 系列固态发酵罐；常州 三环生物工程成套设备有限公司开发s f g x 移动床式固态发酵罐，但都处于试验 研究阶段。 在考虑研制新型固态反应器时，强制通风，温控，物料不宜长时间处于静止 状态，能增温，机械化程度高，易于操作，便于清洗，投资少等因素是关键。 2 江苏大学硕士学位论文 1 4 影响固态发酵过程的主要参数与控制 固态发酵含有不溶于水的固体、少量的水分及空气，微生物代谢过程生成的 热导致水分蒸发，使发酵体系具有气、液、固不均匀三相，易产生浓度梯度及传 热和传质困难，同时也很难控制p h 值、最佳反应温度等，使产量大大下降。现 代固态发酵工程在p h 值的调控、传质与传热等领域的研究取得了较大的进展。 要具体了解每一个固态发酵过程中的宏观、微观特点并用之来实现发酵中的 最佳控制是有意义的，也是非常困难的。实际上多数固态发酵控制手段是采用提 供宏观最佳的温度、含水量、通风量及适宜的p h 值条件来实现发酵控制。 1 4 1 温度与热量传递 1 4 1 1 固态发酵过程中温度梯度的产生 在固态发酵过程中，热传递与微生物的代谢活动紧密相关，一般来说，在固 态发酵过程中，会产生大量的热。在发酵初期，温度和氧浓度在发酵底物的各个 部分都是相同的。随着发酵的进行，氧不断被利用而发生生化反应，释放热量， 由于基质不良的热传导性，产生的热不容易散发n0 1 。随着发酵的进一步发展，基 质开始收缩，底物间的孔隙也不断减小，进一步阻止热量的传递，产生很大的温 度梯度n 川。例如，在一堆堆肥中，温度能达n t o 。c n2 1 。 固态发酵的热量传递过程包括两个方面：一是固态培养基颗粒内热量的传 递过程；二是热量在颗粒表面到颗粒间气相的传递。由于固态基质多为有机物质， 导热性能差，没有自由流动的液相，导致在固态发酵过程中热量传递困难，基质 内存在着较大的温度梯度，有时高达3 c m ，因此不利于微生物的生长和产酶 1 3 0 1 4 1 2 散热是固态发酵反应器设计的一大难题 在常规静止浅盘式发酵过程中，由于散热困难，常导致在发酵过程中，固 体培养基内温度远远偏离设定温度。如在固态曲的发酵中，培养基内的温度波动 可从设定温度3 0 升高到4 0 c 甚至更高口4 1 。由于固态发酵反应器内部传热和传 统夹套散热的局限性，传热问题是固态发酵过程中最大的障碍。实验室规模的小 型反应器，放置到恒温室中、水浴中或在反应器的导流管或夹套中通冷水来散热， 可满足实验的要求。大型反应器一般也将这些措施与其它外部散热装置一起使用 3 江苏大学硕士学位论文 【1 5 】。值得注意的是，在反应器的放大过程中，其体积以线尺寸的立方增大，而 其表面积则以线尺寸的平方增大，这种热交换面积的相对减少，使得大型反应器 的放大体积不能超过一个极限值。大部分固态发酵系统中缺少搅拌，或搅拌系统 中的搅拌速率太低以及固体基质的导热性太差，因此通过传导和对流散热效果均 很差。基于上述种种原因，在常规的大型固态发酵反应器中，散热被认为是一个 难以克服的问题n 6 1 。 1 4 1 3 目前国外固态发酵传热方面的研究。 o u t i e r r e z r o z a s 口7 1 等比较了固态发酵生产柠檬酸填料床反应器对流、传导、 蒸发三种传热机制，结果表明，蒸发传热占6 4 7 ，对流2 6 6 5 ，导热占8 6 5 。 s a u c e d o c a s a n e d aq n 羽等研究出一个模拟固态发酵产热及传热数学模型，此模 型被实验证实，显示热传导是固态发酵的阻力，使人们更好地理解发酵中的传热 现象，是自动控制固态发酵静态反应器的基础。g h i l y a ln e n 鲫等研究填料床固 态发酵反应器中温度梯度对产物的影响，温度梯度严重影响酶活，利用强制通风、 冷凝蛇管或夹套冷却来消除上述问题，促进传热，酶活相应增加。s a n g s u r a s a k 舱町 等提出一个把填料床固态发酵反应器液体蒸发包括在内的二维传热数学模型，精 确描述了静态发酵水分蒸发的重要性。但是这个模型为包括水平衡，过于强调对 流传热，忽略温度对空气速度的影响。在1 9 9 9 年，f a n sj w e b e r 乜妇等提出一个包 括上述因素的简化物质与能量守衡数学模型，实验证实了其可行性，为反应器的 放大奠定了理论基础。s t u a r td m 乜2 3 等研究转筒固态发酵反应器操作变量通过传 递现象对反应器性能的影响，发现反应过程中的变量互相制约，互相影响，共同 决定反应器发酵效果。发酵过程中传递现象是把反应器的设计、操作和温度、传 质联系起来的纽带，人们对固态发酵传热、传质及动量传递的有限理解限制了反 应器的放大。 1 4 2 通风与传质过程 固态发酵的传质过程包括这些方面：( 1 ) 空气进入和排出生物反应器的过程； ( 2 ) 在没有强制通风的情况下，随着空气的流动而发生的自然对流、扩散过程 等；( 3 ) 在生物反应器壁内与周围环境之间发生的传质过程；( 4 ) 搅拌过程中剪 切效果。传递过程的主要方面是氧在颗粒间的传质过程。该过程受颗粒间的空 隙率高低的影响。而颗粒间空隙的大小受底物颗粒的大小、结构等以及含水量的 4 江苏大学硕士学位论文 影响。湿度应该优化，如果湿度高了，空隙被水填满，空气被排出，引起缺氧； 如果湿度过低，微生物的生长受到抑制。搅拌和通风提供了颗粒间有效传递氧的 方法，其效率也受到空隙率和含水量的影响。 固态发酵没有自由流动水，微生物直接从空气中汲取氧，但很多操作因素与 培养基特性影响氧的传递速率如空气压力、通风率、基质的空隙率、料层厚度、 基质湿度、反应器几何特征及机械搅拌装置的转速等。基质表面湿度足以形成一 层液膜，是传质的控制因素。g h i l d y a ln p 等研究浅盘固态发酵反应器气体浓 度梯度对产物产率的影响，结果表明浅盘中c 0 ：、o ：浓度梯度随料层变化很大， 严重影响产物与产量。 g o w t h a m a nm k 瞳3 3 等研究填料床固态反应器气体浓度梯 度对产物的影响，发现强制通风填料床固态反应器可以消除气体浓度梯度，大大 增强传质能力，酶活升高。 在固态发酵过程中，颗粒间氧的传递可通过强制通风或搅拌来实现。对丝状 微生物的固态发酵来说，因搅拌对其损伤作用较大，所以对固态培养基强制通风 是常选的一种手段。 1 4 3 p h 值 固态发酵系统中p h 值难以测控，因为目前用p h 探头直接测量湿的物料比较 困难。p h 值在固态发酵过程中的变化及调控方面的研究很少。l a n s a n e 乜铂认为只 调节好培养基初始p h 值，发酵过程中可不检测微生物生长水环境的p h 值。然 而，许多发酵过程中p h 值都有特征性变化，只是物料中较低的水含量使常规的 p h 检测手段难以使用，因此限制了p h 值作为重要控制参数的可能性。目前，研 究固态发酵过程中p h 变化，尤其是p h 调控方面的研究比较少。 1 5 固态发酵趋势和应用前景 生物工程和技术被认为是2 1 世纪的主导技术，作为新技术革命的标志之 一，已受到世界各国的普遍重视。生物工程将为解决人类所面临的环境、资源、 人口、能源、粮食等危机和压力提供最有希望的解决途径，发酵工程和化学工程、 医药、食品、能源、环境保护和农牧业等许多领域关系密切，它的开发具有很大 的经济效益和社会效益。 江苏大学硕士学位论文 传统的固态发酵已有悠久的历史，很早以前就有中药神曲的固念发酵生产， 在许多食品中，通过固态发酵来提高食用和药用价值。2 0 世纪9 0 年代以来，随 着能源危机与环境问题的日益严重，固态发酵技术以其特有的优点( 如无“三废 排放) 引起人们极大的兴趣。与其他培养方式相比，固态发酵具有如下优点：( 1 ) 培养 基简单且来源广泛，多为便宜的天然基质或工业生产的下脚料；( 2 ) 投资少，能耗 低，技术较简单；( 3 ) 产物的产率较高；( 4 ) 基质含水量低，可大大减少生物反应器 的体积，不需要废水处理，环境污染较少，后处理加工方便；( 5 ) 发酵过程一般不 需要严格的无菌操作；( 6 ) 通气一般可由气体扩散或间歇通风完成，不需要连续通 风，空气一般也不需严格的无菌空气。随着微生物基因遗传技术的应用、优良菌 株的发现和筛选，以及生产工艺等方面的改进，利用固态发酵技术生产食( 药) 用菌食品、营养品、保健品、药品或其他生物制品将是产品开发的新领域，有着 十分广阔的发展前景乜5 埘1 。 1 6 课题研究的目的与意义 ， 我国是世界饲料生产大国，粮食饲料企业约1 2 万家。年产5 0 0 0 万吨糠，2 0 0 0 万吨糟渣、 3 0 0 0 万吨薯类物质、8 0 0 万吨棉菜籽饼。“十五”期间粮食饲料工业为适应畜牧业和养殖业 的发展，粮食饲料的产量预计可达n 1 亿吨，酵母粉添加量按5 1 0 来计，年需求量达5 0 0 万吨以上，而我国从1 9 9 8 年以来，固态发酵的酵母粉累计产量只有约三十万吨，供求矛盾十 分突出1 2 7 1 。同时，欧盟为了防止疯牛病和口蹄疫的蔓延，饲料中禁止添加动物骨肉粉，我 国也实施禁止和限制动物蛋白进口相关法规，再加上国内外鱼粉资源的减少，致使饲料蛋白 资源更加匮乏。因此，饲料开发及其产业化已成当务之急，国家将之列为“十五”期间重点 开发扶持发展的农业高科技项目。 我国加入w t o 后，各行各业迎来发展机遇的同时，也面临着挑战。特别是我国的农村 经济面临的形式更为严峻。为此国家各部门出台政策大力发展农业，提出了以畜牧养殖业带 动农村经济的发展策略，力求使与畜牧养殖业相关的饲料业占农业经济的百分比由目前的 1 8 提高到2 3 。这就对我国饲料资源开发与饲料添加剂的开发提出了更高的要求，这就 为糟渣发酵蛋白饲料产业带来了发展的商机。因此，加快我国糟渣蛋白饲料( 酵母粉) 产业 化生产、推广及应用的步伐，不仅能提高我国蛋白质生产能力，占领可观的市场份额，而且 可以降低农产品的生产成本，促进酋产品的国际化和标准化，增强我国畜产品在国际上的竞 6 江苏大学硕士学位论文 争力。 发酵饲料是利用微生物在饲料原料中的生长繁殖和新陈代谢，积累有用的菌 体、酶和中间代谢产物来生产加工和调制的饲料，因此也称为微生物饲料，己被 列为饲料资源开发和饲料添加剂开发的重点。发酵饲料有如下优点：( 1 ) 原料 来源广泛；( 2 ) 酶类催化，投资少；( 3 ) 代谢旺盛，产出率高：( 4 ) 不受生 产地区和气候条件的限制；( 5 ) 保护环境。我国糟渣资源丰富，种类多，数 量大。仅在生产调味品、味精、淀粉、白酒、黄酒、淀粉糖、生物农药及果品加 工等企业每年生产糟渣约6 0 0 0 万吨，是一种可利用的宝贵资源。目前，这些工 业糟渣资源直接饲喂或经脱水干燥处理后出售，这种处理方式存在很大弊端：( 1 ) 糟渣营养价值差，粗纤维含量高，饲用生物效价低；( 2 ) 新鲜糟渣水分高，贮 存运输困难，易腐败变质，污染环境；( 3 ) 干燥脱水能耗大。由于应用价值不 高，许多厂家把糟渣堆积在野外，造成严重的环境污染。自二十世纪四十年代以 来，利用这些固体糟渣废弃物为原料，通过生物转化使其具有酵母特殊香味，营 养丰富，适口性好，市场需求量大、附加值高、经济效益显著，因此酵母蛋白饲 料己经成为国内外广大学者同仁竞相开展的重大科研课题乜引。研究表明，糟渣资 源化利用生产酵母蛋白饲料是解决饲料蛋白短缺和糟渣污染环境的最为经济可 行的方法，可以有效的促进资源环境可持续的健康发展。 单细胞蛋白( s c p ) 作为蛋白饲料在发展畜牧业中的重要作用早己为世人所 公认，而利用非食用资源特别是废弃资源作原料通过微生物的作用以工业方式生 产s c p 更有变废为宝的重要意义啪1 。 传统的单细胞蛋白质饲料生产工艺采用液体深层发酵，它需要在发酵罐中进 行，需要通氧、搅拌，无菌程度要求高啪1 。培养方式有间歇、分批补料以及连续 培养三种。但随着生物技术的发展，人们开始采用固态发酵方法，它的培养条件 比较粗放。培养方式有分批式和半机械连续式。它们各有优缺点：( 1 ) 液体深 层发酵法，料液输送较为方便，但所用发酵反应器要求较高，投资较大，用于通 风与搅拌的能耗亦相当大。而固态法所用设备相对简单，投资较省，能耗小，但 物料的搅拌翻动困难，不易均匀发酵，操作时劳动强度较大。( 2 ) 液体发酵法 能较好的防止杂菌的污染，发酵温度较易控制。但对操作的要求难度大，相应的 设备投资也要增大。固态发酵法有不均匀性，培养温度、p h 、湿度和通气等较 7 江苏大学硕士学位论文 难稳定控制，但操作简单，成本也比液体发酵法低。( 3 ) 液体深层发酵法发酵 过程中温度、菌体量、溶氧和p h 值等参数较易测量，但也增加投资和成本。固 态发酵法常可直接利用植物粗原料作为发酵基质，变废为宝，充分利用资源，净 化环境，并可省略某些参数的测定和控制，而且无二次废弃物产生，因而相应的 降低成本，并且也易于处理和运输。( 4 ) 液体深层发酵单位碳底物的转化率较 高。固态发酵所得产物的产量高于深层发酵，特别是对于粗纤维含量高、通气性 较好的大曲酒糟，采用固态发酵的优势更明显。在发酵产品上，固体发酵的产 品和深层发酵的产品相比较有以下特点：固体发酵产物活细胞比例高；各种 酵母粗蛋白，蛋氨酸，赖氨酸水平接近；固体发酵产物免疫活性高；固体发 酵产物用肉鸡、蛋鸡等饲料试验时，其生物效价高于相同菌株深层产品聆。 镇江恒顺醋业集团公司作为全国最大的制醋企业，每天约产醋糟3 0 0 吨，酸 度大，销售难。前几年，为了解决醋糟销售问题，每年耗费6 0 多万元运输费， 无偿提供给用户使用。所以，对醋糟的资源化利用显得十分重要。近几年，恒顺 醋业集团也开展了利用醋糟生产蛋白饲料的相关研究。目前，以醋糟为原料发酵 生产蛋白饲料采用的生化反应器是浅盘式固态反应器。培养基经灭菌冷却后装入 浅盘，通过空气增湿器调节空间的温湿度，通入经过滤的无菌空气，满足菌体生 长对氧的需求。浅盘反应器操作简便，产率较高，产品均匀。但浅盘发酵存在对 流空气和散热效果不理想，发酵物料的厚度有一定限制。而且这类反应器体积过 大，耗费劳动力大，机械化自动化程度低，不适宜工业化生产。所以急需开发一 种机械化与自动化程度高、生产能力强，并能符合大规模工业化生产的固态发酵 反应器。 综上所述，本课题的研究工作具有十分重大的现实意义，不仅通过废料的资 源化利用保护环境可以取得巨大的社会效益，同时，发酵设备的研制成功及工艺 路线的确定也必将为企业带来可观的经济效益。 1 7 本课题拟解决的主要任务和关键问题 本课题的主要任务： ( 1 ) 固态发酵反应器整机设计。 ( 2 ) 应用自行研制的固态发酵反应器，以醋糟为原料固态发酵，工艺条件。 8 、 江苏大学硕士学位论文 第二章新型转筒式固态发酵反应器总体方案设计 2 1 国际上几例固态发酵反应器评价 为了在总体设计方案上保证待研制的固态发酵反应器具有较高的水平，本研 究首先分析比较了国际上几例典型的固态发酵反应器。 2 1 1 填充床反应器 填充床反应器中，固态基质是静止的，其顶端有一个分布着一些小孔的盘， 通过这些小孔可以实现反应器内部的通风。法国的0 r s t o m 小组早在1 9 8 0 年就开发 了一套填充床反应器( 如图2 1 ) b 羽。它由一些小的柱状管( 直径4 c m ，长2 0 c m ) 充满事先接种好的固态基质并放置在设置好温度的水浴中，饱和水的空气通入每 根管子。这种装置将固态基质置于空气之中，并通过取样机连接管子和气相色谱 仪，对微生物的呼吸进行分析。这个装置为研究菌种筛选、培养基最佳组成和二 氧化碳测量提供了便利。少量( 几克) 的固态基质以及玻璃管的表面形状有利于 保持反应器内的温度( 通过管壁的散热似乎是充分的) 。然而这种反应器在发酵 过程中每分析一次就要减少一根管子。由于这个装置具有强制通风，便宜，相对 简单易用等优点，被研究者们广泛使用。 新一代的小型反应器由法国的i n r a d 、组于此后几年研发( 如图2 2 ) 。反应 器致力于解决调节基质的含水量的问题。如图所示，该反应器的工作容积约为1 升。相对于图2 1 反应器，它主要的变化是：增加了一个相对湿度传感器，有冷 却管缠绕在空气回路上，管子上方增加了加热盖。该反应器增加了发酵过程中对 水含量的控制调节。同o r s t o m 的反应器一样，这套装置的管中也充满了事先在无 菌罩中接种好的固态基质。每个反应器都是由电脑进行自动控制的。此外，样品 还可以在发酵过程中被采样而不会被污染。在这个反应器中，温度和固态基质含 水量可以通过调节温度，相对湿度以及空气通过固态基质的流速来进行监控。对 不同进气口温度和流速的详细描述将为大规模反应器的研究提供有用的信息。 9 江苏大学硕士学位论文 图2 1o r s t o m 固态发酵装置 f i g 2 1o r s t o m sb i o r e a c t o r 图2 2i n r a 固态发酵装置 ( 1 ) 加热盖( 2 ) 培养基温度传感器( 3 ) 不锈钢虑网( 4 ) 进气口温度传感器( 5 ) 相对 湿度传感器( 6 ) 电阻加热器( 7 ) 水温传感器( 8 ) 流量计( 9 ) 水平传感器( 1 0 ) 隔热夹套 f i g 2 2p h o t o g r a p h ya n ds c h e m m i co f al a b - s c a l es t e r i l er e a c t o r ( 1 ) h e a t i n gc o v e r ( 2 ) m e d i u mt e m p e r a t u r ep r o b e ( 3 ) s t a i n l e s ss t e e ls i e v e ( 4 ) a i r - i n l e t t e m p e r a t u r ep r o b e ( 5 ) r e l a t i v eh u m i d i t yp r o b e ( 6 ) r e s i s t i v eh e a t e r ( 7 ) w a t e rt e m p e r a t u r e p r o b e ( 8 ) m a s s i cf l o wm e t e r ( 9 ) l e v e lp r o b e ( 1 0 ) i n s u l a t i n gj a c k e t 近十年来，针对填充床反应器做了许多试验研究。研究表明：由于通风的方 向是从底部到顶部，在反应器内轴向梯度是不可避免的口3 1 。而温度梯度是影响反 应器性能的主要因素。针对这种情况，r o u s s o s 设计出z y m o t i s 填充床反应器( 如 图2 3 ) 。z y m o t i s 反应器的内部由一些带循环水冷却的垂直散热片组成，每个散 热片之间装有事先接种好的固态基质。调节好温度的空气通过每个间隔的底部。 可以改善径向传热状况，实验证明可以散发出去代谢热的8 口4 | 。该反应器很难 进行无菌操作。 1 0 江苏大学硕士学位论文 。，一一一一一 茎i _ 薹爹霎摹l 薹量 孽妒芝藩 擎懑陬 4 簟 熬竺鲨茹；l 蕊赫藏是绒兰矗墨蕾囊鼻i 薯两“。0 驻蝴畔藏j 矗逡蒜 2 1 2 搅拌式反应器 图2 3z y m o t i s 反应器 另一种反应器的设计思路是基于对固态基质连续的搅拌。反应器可以是一个 转筒( 如图2 4 ) ，或者是带孔的鼓( 如图2 5 ) ，或者是一个水平浆搅拌器( 如 图2 6 ) 。这类反应器可以装有散热夹套，需要连续的搅拌来增加反应器壁和固 态基质的接触，同时也为微生物提供所需的氧气。对转筒式反应器来说，作为水 平的圆柱体，混合是通过固态基质的翻转来实现的，转筒内壁的阻力有助于这种 混合( 有孔或没孔) 。然而这些反应器的混合都没有浆式搅拌器充分船别。事实上， 随着菌丝的生长固态基质的凝结将增加对温度调控的难度。而且，固态基质颗粒 内的氧气传递由于菌丝的凝结和固态底物黏性变得很低甚至为零。此外，反应器 的散热夹套随着尺寸的放大也将出现一些问题。 2 0 0 1 年，华盛顿大学的d u t c h 小组研制了连续混合水平浆式搅拌反应器( 如 图2 5 ) 。这种无菌反应器提高了对温度和湿度控制的水平。虽然搅拌使反应器 壁的传热提高，但是器壁传热的效率随着容积的增大而降低。 图2 4 转筒式反应器( 1 ) 进气口( 2 ) 旋转接头( 3 ) 联接器( 4 ) 空气喷嘴 ( 5 ) 气管( 6 ) 滚轮( 7 ) 转筒( 8 ) 固态基质( 9 ) 轮圈 f i g 2 4r o t a t i n gd r u mb i o r e a c t o r( 1 ) a i r - i n l e t ( 2 ) r o t a t i n gj o i