淺析工業(yè)化固態(tài)發(fā)酵設(shè)備研究問題

張向國 任向陽 郭端陽

摘 要：結(jié)合當(dāng)前的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器發(fā)展的情況，探討了固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與放大過程中需要注意的問題，并結(jié)合實(shí)際情況比較和分析了工業(yè)化固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器功能和特點(diǎn)，希望對(duì)于今后的工業(yè)化固態(tài)發(fā)酵設(shè)備研發(fā)有所幫助。

關(guān)鍵詞：固態(tài)發(fā)酵設(shè)備；發(fā)酵工業(yè)；工業(yè)化；設(shè)備生產(chǎn)

1 引言

我國在農(nóng)業(yè)廢棄物方面具有最大的產(chǎn)出量，其中，相應(yīng)的蔬菜廢棄物、農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便等廢棄物已經(jīng)超過50億噸。當(dāng)前，隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)廢棄物利用技術(shù)的發(fā)展正在朝著材料化、飼料化、基質(zhì)化以及能源化的發(fā)展。在此過程中，固態(tài)發(fā)酵技術(shù)往往在實(shí)踐生產(chǎn)中體現(xiàn)出產(chǎn)品附加值比較高、處理效果好、適用范圍廣等特點(diǎn)，在眾多企業(yè)中得到應(yīng)用。

對(duì)于 固態(tài)發(fā)酵技術(shù)來說，簡稱SSF，主要是利用低含水量液體、高含量的固體以及配置相應(yīng)濃度的氣體成為三相混合物，在這樣的環(huán)境中，充分利用好微生物的特性，保證其能夠?qū)崿F(xiàn)正?；纳L以及繁殖，充分利用周圍以及固體基質(zhì)的營養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)固體基質(zhì)特性的改善，從而進(jìn)一步體現(xiàn)出其利用價(jià)值。我國在古代的時(shí)候，就能充分發(fā)揮相關(guān)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)酒、醋等產(chǎn)品的釀造。當(dāng)前，人們對(duì)于SSF技術(shù)的不斷深入研究，以及生物質(zhì)資源的不斷鉆研，SSF在諸多領(lǐng)域有著不同程度的發(fā)展，特別是在相應(yīng)的環(huán)境、視頻、制藥、生物能源等方面[1]。

在機(jī)械化程度不斷提升的過程中，人們對(duì)于SSF技術(shù)理論認(rèn)識(shí)得越來越深刻，人們開發(fā)了很多類型的新型的工業(yè)化固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，并結(jié)合其自身的特點(diǎn)來投入使用。這里結(jié)合自身的情況，探討了固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器工業(yè)放大的相關(guān)問題，并介紹了相應(yīng)的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器及其配套的生產(chǎn)設(shè)備情況。

2 固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與放大

在整個(gè)SSF系統(tǒng)中，其主要核心內(nèi)容則是反應(yīng)器，反應(yīng)器相關(guān)設(shè)計(jì)中應(yīng)該保證產(chǎn)品的最大化要求。一般來說，在具體的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該考慮以下幾個(gè)方面的問題[2]：一是，杜絕微生物進(jìn)入到內(nèi)部反應(yīng)器中，同時(shí)，內(nèi)部的微生物也不會(huì)擴(kuò)散至外面；二是，具有較強(qiáng)的抗腐蝕性，同時(shí)，應(yīng)有效降低其對(duì)于微生物的毒害性；三是，對(duì)于相應(yīng)的溫度、攪拌以及曝氣進(jìn)行控制；四是，結(jié)合系統(tǒng)要求，利用特殊方式實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的熱質(zhì)均勻的要求；五是，具有相應(yīng)的接種、底物滅菌以及產(chǎn)品回收等功能。所以，在此過程中，應(yīng)該重點(diǎn)考慮到相應(yīng)的pH、水分、溫度、通氣氧傳遞以及攪拌等參數(shù)。在不同的情況下，相關(guān)微生物則有著不同的需氧要求，而厭氧微生物不需要，如果不能實(shí)現(xiàn)有效控制，則可能會(huì)造成需氧微生物在固體基質(zhì)表面生長并使基質(zhì)變鉆的問題，這樣則不會(huì)有利于實(shí)現(xiàn)微生物的生長要求。一般來說，為了實(shí)現(xiàn)氧傳遞的增加則是通過通氣與攪拌的方式，同時(shí)這樣會(huì)使得熱交換效率的提升。在不同的攪拌方式下，微生物具有不同的剪切力，其相應(yīng)的剪切力承受力也有所不同。對(duì)于微生物的生長過程來說，還應(yīng)該重視溫度和PH值的影響。水含量直接影響到到基質(zhì)的氣體交換以及膨松程度等，則是微生物生存環(huán)境中不可或缺的重要因素。對(duì)于發(fā)酵后期來說，基質(zhì)水分受到微生物呼吸、通風(fēng)以及溫度等方面影響。

在進(jìn)行放大過程中，最為困難的問題則是有效構(gòu)建微生物的發(fā)酵環(huán)境。在進(jìn)行反應(yīng)器控制發(fā)酵中，微生物的多樣性以及固態(tài)原料則會(huì)造成難度增加，這就要求進(jìn)行反應(yīng)器設(shè)計(jì)則應(yīng)該考慮相關(guān)的動(dòng)力學(xué)以及化學(xué)計(jì)量學(xué)的內(nèi)容。另外，還應(yīng)遵從微生物的習(xí)性要求，選擇符合要求的曝氣、攪拌等功能。正是由于上述的復(fù)雜性因素，容易出現(xiàn)再現(xiàn)性差、過程標(biāo)準(zhǔn)化困難等工業(yè)實(shí)踐中的難題，這些也是進(jìn)行工業(yè)放大限制因素。

3工業(yè)化固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器功能和特點(diǎn)比較

對(duì)于當(dāng)前的固態(tài)發(fā)酵技術(shù)來說，其在工業(yè)化的生物制品加工方面具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢，通過比較當(dāng)前工業(yè)化固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器相關(guān)情況，其中，攪拌式固態(tài)反應(yīng)器則是通過淀粉質(zhì)材料的原料情況，而其他大部分的原料都是采用農(nóng)業(yè)廢棄物，包括相關(guān)的固體垃圾、有機(jī)廢棄物以及秸稈等。經(jīng)過技術(shù)進(jìn)步，大部分發(fā)酵反應(yīng)設(shè)備能夠用于生產(chǎn)沼氣、乙醇等范圍，體現(xiàn)出新型化的生物能源的特點(diǎn)。反應(yīng)器能夠較大規(guī)模地處理農(nóng)業(yè)廢棄物，因而具有比較高的生產(chǎn)附加值。

由于當(dāng)前國內(nèi)的能源、農(nóng)業(yè)以及環(huán)境方面的具體發(fā)展，以及對(duì)于發(fā)酵產(chǎn)品市場需求的影響下，相應(yīng)的國內(nèi)固態(tài)發(fā)酵設(shè)備技術(shù)進(jìn)步非?？?。當(dāng)前，國內(nèi)使用的固態(tài)發(fā)酵設(shè)備絕大部分都能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、機(jī)械化的特點(diǎn)，完全智能化而脫離人工操作則是需要前進(jìn)的方向。在研究固態(tài)發(fā)酵發(fā)展的過程中，主要方向則是進(jìn)行農(nóng)業(yè)廢棄物的處理。結(jié)合固態(tài)發(fā)酵設(shè)備具體應(yīng)用實(shí)踐來看，則是能有效對(duì)于生物質(zhì)材料發(fā)酵有所利用，能夠?qū)崿F(xiàn)丁醇、乙醇等產(chǎn)品的生產(chǎn)，能有效保證生物質(zhì)材料的營養(yǎng)價(jià)值的進(jìn)一步提升，能充分實(shí)現(xiàn)相關(guān)的利用廢棄物來服務(wù)于生產(chǎn)沼氣等。在具體的實(shí)踐中，功能性產(chǎn)品往往具有比較廣闊的市場，且具有較大的需求量，但對(duì)于產(chǎn)品的品質(zhì)方面的要求比較高。在進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵設(shè)備的設(shè)計(jì)過程中，主要問題則是涉及到提高產(chǎn)品質(zhì)量、優(yōu)化發(fā)酵過程控制以及擴(kuò)大處理量等方面。在當(dāng)前的反應(yīng)器設(shè)計(jì)中，結(jié)合多種情況來有效實(shí)現(xiàn)結(jié)合降低質(zhì)、熱不均的問題，這些都是后續(xù)設(shè)計(jì)的良好基礎(chǔ)工作。但在固態(tài)發(fā)酵設(shè)備研制中，應(yīng)該更加關(guān)注如何有效解決其中的傳質(zhì)傳熱問題。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著人們生活水平和質(zhì)量的不斷提升，造成社會(huì)上的廢棄物數(shù)量直線上升。在進(jìn)行廢棄物的處理過程中，固態(tài)發(fā)酵技術(shù)具有高效性特點(diǎn)，應(yīng)該結(jié)合實(shí)際應(yīng)用來有效擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模，應(yīng)該重視增加固態(tài)發(fā)酵企業(yè)，不斷拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，加強(qiáng)相應(yīng)的固態(tài)發(fā)酵設(shè)備的生產(chǎn)能力，這就要不斷加大研發(fā)力度，重視開發(fā)和研制更大型固態(tài)發(fā)酵設(shè)備以及配套的控制系統(tǒng)。

當(dāng)前，我國的固態(tài)發(fā)酵工業(yè)化設(shè)備的開發(fā)工作呈現(xiàn)出如火如荼的發(fā)展態(tài)勢，在實(shí)踐生產(chǎn)中已經(jīng)應(yīng)用了多種的大型化、機(jī)械化、自動(dòng)化的發(fā)酵設(shè)備，能不斷提升我國的生物發(fā)酵技術(shù)水平。在實(shí)踐的應(yīng)用過程中，有效解決傳質(zhì)和傳熱的問題則是設(shè)計(jì)和制造研發(fā)固態(tài)發(fā)酵的反應(yīng)器產(chǎn)品中應(yīng)該重視的問題，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量過硬，性能符合使用要求，解決當(dāng)前的工業(yè)化發(fā)展的需要。當(dāng)前，在我國制造業(yè)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，隨著固態(tài)發(fā)酵理論的不斷深入，通過廣大科研工作者的努力，大批的先進(jìn)的固態(tài)發(fā)酵工業(yè)化設(shè)備將會(huì)出現(xiàn)在社會(huì)生產(chǎn)中，這樣才能進(jìn)一步有效提升我國的發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展速度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐自明. 現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵設(shè)備研究進(jìn)展[J]. 內(nèi)江科技， 2007，（1）.

[2] 黃達(dá)明， 吳其飛， 陸建明，等. 固態(tài)發(fā)酵技術(shù)及其設(shè)備的研究進(jìn)展[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè)， 2003，（6）.