自吸式发酵罐用于酵母生产工艺的研究进展

窦冰然，郭会明，骆海燕，洪厚胜*

（1.南京工业大学理学院，江苏南京211816；2.南京工业大学生物与制药工程学院，江苏南京211816）

自吸式发酵罐用于酵母生产工艺的研究进展

窦冰然1，郭会明1，骆海燕2，洪厚胜2*

（1.南京工业大学理学院，江苏南京211816；2.南京工业大学生物与制药工程学院，江苏南京211816）

自吸式发酵罐的研究始于20世纪50年代，最初应用于醋酸的生产，60年代尝试运用于酵母生产，相对于鼓泡式发酵罐和传统机械搅拌式发酵罐，自吸式发酵罐具有发酵过程中传质混合好、溶氧量高、耗电量小、体积生产率高、占用面积少等优点。本文对自吸式发酵罐应用于酵母生产工艺，发酵罐的结构，通气原理以及相对于其他发酵罐的优缺点等方面进行了综述。

自吸式发酵罐；酵母；通气量；生产工艺

酵母是一种与人类生活有密切关系的单细胞微生物，其细胞形态分为圆形、卵圆形、椭圆形、柠檬形、香肠形，大小随菌种不同而有差异。在发酵工业上利用酵母进行生产的产品可分为两大类。一类是厌氧发酵，其产品是酵母的代谢产物，如酒精、各种酒类及甘油发酵等；另一类是耗氧发酵，其产品是酵母细胞或细胞组成成分，如面包酵母、商品酿酒酵母、药用酵母、食用酵母和饲料酵母等。

自吸式发酵罐目前分为两种类型：一种是不需要罗茨风机和空压机，利用搅拌涡轮和液体流动的喷射作用所产生的真空自吸入空气的发酵罐；另一种具有相同的装置，并辅以罗茨风机进行通气的发酵罐。两者区别在于，前者是真正意义上的自吸式发酵罐，后者则在前者的基础上进行了改进。由于自吸式发酵罐运用于酵母生产不需要空气压缩机，消除了空压机带来的噪音污染问题，减少了厂房面积，同时节省了基建投资费用。

1 酵母生产工艺

1.1 酵母概述及其应用

酵母是一种单细胞微生物，氨基酸含量高，蛋白质含量50%左右，富含B族维生素，还有丰富的酶系和多种经济价值高的生理活性物质。

目前，国内外一般都按产品用途分类，将酵母产品分为五大类[1]：（1）面包酵母类：包括鲜酵母和活性干酵母两类；（2）酿酒用活性干酵母类：按产品用途分为酒精活性干酵母、葡萄酒活性干酵母、啤酒活性干酵母等；（3）药用酵母类；（4）营养酵母类：包括高核酸酵母、高铁酵母、含硒酵母等微量元素酵母；（5）饲料酵母类。

酵母是一种很有应用价值的微生物，在食品工业方面被广泛用作人类主食（面包、馒头、饼干糕点等食品）的优良发酵剂和营养剂[2]；在医药工业方面[3-4]，酵母被作为辅助治疗药剂或用作培养基；在基础研究领域，酵母是微生物学家、遗传学家开展基础研究的最佳模式材料[5]；此外，从酵母中提取的脂肪，可以用于肥皂制造，还可用于浮选钨矿，而从酵母中提取的蛋白质可以作为饲料[6]。由此可见，酵母的应用范围极为广泛。

1.2 酵母工业概况

酵母工业在国外已有相当的基础，以1981年为例，全球酵母总产量已达222万t。酵母不仅年产量大，而且随着酵母工业发展，酵母成分利用的工业也发展起来。欧美等国家对酵母抽提物[7-8]的开发利用约有70多年的历史。

国内酵母生产始于1922年，解放前国内酵母厂很少，1957年建立了广东江门甘蔗化工厂酵母车间，相继又建立了石砚造纸厂饲料酵母车间、广东梅山-马利酵母公司、广东东莞糖厂酵母分厂、湖北宜昌安琪酵母基地等，各类酵母厂已遍及全国十几个省市。产品从单一的面包酵母发展为鲜酵母、活性干酵母、药用酵母、饲料酵母、核酸酵母、酿酒用酵母、营养功能性酵母等多品种系列化产品。

1.3 生产工艺简介

酵母的生产工艺可分为菌种配制、连续发酵、细胞提取、过滤等几个步骤，若生产活性干酵母，还包括干燥、真空包装及相应的储存环节[9]。接种酵母菌后，细胞从静止到大量繁殖的生长反应过程为需氧过程，这就要求在发酵过程中大量氧气的供给。

在酵母的生产过程中，生物反应器（即发酵罐）有着十分重要的作用，占据着整个工艺的核心位置。发酵罐的结构、操作方式及操作条件对发酵产品的生产有着相当重要的影响。酵母发酵装置的高效供氧和节能，对于酵母发酵生产极其重要。目前用于酵母生产的发酵罐多为鼓泡式发酵罐及传统机械搅拌发酵罐。

2 传统发酵罐介绍

传统发酵罐主要有鼓泡式发酵罐和机械搅拌式发酵罐。

2.1 鼓泡式发酵罐

鼓泡式发酵罐是酵母发酵最常见的发酵罐，其结构较为简单且容易清洗。鼓泡式发酵罐主要有罐体，清洗装置，空气分布装置和消泡装置。其中最重要的空气分布装置的作用是吹入无菌空气，并使空气分布均匀，分布装置的形式主要是鱼刺式。管口与罐底的距离约40 mm，这样空气分散效果较好，若距离过大，空气分散效果则较差，可根据溶氧情况适当调整，空气大部分由分布管吹出上升时，少部分吹向底部，然后折返回来再向上运动。这样，空气和醪液可以进一步充分混合，增加了气液传递效果。

2.2 机械搅拌式发酵罐

机械搅拌式发酵罐是一种经典的发酵类设备。它是利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证供给酵母生长繁殖、发酵所需要的氧气。由于搅拌受到机械的局限，一般情况下，在实验室和小型酵母发酵工厂使用搅拌式发酵罐。另外一种情况是在高浓度发酵时，也使用搅拌增加发酵液的供氧。但是对于某些菌种来说，激烈地搅拌有可能使菌体损伤，导致发酵失败，因此，对于不同的发酵过程，通气搅拌要求也会有所不同[10]。张超等[11]利用10 L机械搅拌式发酵罐对富硒红发夫酵母进行连续补料培养，获得了细胞质量浓度为26.7 g/L，色素含量为764.3 μg/g，硒含量为1 012.5 μg/g的研究结果。

传统发酵罐都需要罗茨风机和空压机向罐体通入空气，并不能将空气自吸入发酵罐，而自吸式发酵罐的出现就解决了这一问题。

3 自吸式发酵罐介绍

3.1 自吸式发酵罐的结构及类型

自吸式发酵罐主要由发酵罐、定子、转子、冷却装置、进气管、空压机、排气管、消泡装置、补料装置、仪表等组成。

自吸式发酵罐根据操作特性可分为机械搅拌自吸式反应器，利用喷射抽吸作用的自吸式反应器，利用循环泵作用的喷射自吸式反应器三个类型。在使用机械搅拌式自吸式发酵罐时，因其负压吸入空气的特点，可采用自吸气与鼓风相结合的鼓风自吸式发酵系统，维持空气正压，可减少染菌的几率。在采用喷射自吸式发酵罐时吸氧效率高，气、液、固三相混合均匀，传热效能高，设备简单，无需空气压缩机及搅拌器，动力消耗少[12]。王定昌[13]利用粉丝废水生产饲料酵母，通过使用100 L循环喷射自吸式发酵罐，装60 L发酵液，每天发酵2.5罐，即150 L，用电量为13.5 kW·h，1 L发酵液耗电度数0.09 kW·h。

3.2 通气原理介绍

发酵罐通气和搅拌的目的是：向微生物供给氧气，强化液体湍流，促进液固三相接触。

自吸式发酵罐的主要结构是自吸搅拌部分和导轮，简称为转子和定子。机械搅拌主要利用叶轮的空穴作用，其工作原理是：具有空腔的叶轮在定子中高速旋转，会在开孔处产生压差，局部压降克服液压头时，气体通过进气管到达转子的开孔处，在定子内混合好后高速喷射出完成供氧和搅拌的功效，满足微生物发酵过程的需求。

3.3 自吸式发酵罐应用简介

自吸式发酵罐现已成为应用最广泛的生化反应设备之一，在制药、发酵、化工、环境、冶金等多个方面有所应用[14-22]。在众多的发酵设备中，自吸式发酵罐作为一种高效节能的新型反应器，对于它的研究已经取得了很大的进展。工业中采用自吸式发酵罐进行食醋以及酵母的发酵生产，具有经济实惠、高效节能的特点。

自吸式发酵罐20世纪50年代初期首先用于食醋的生产，当时被称为Frings发酵罐，Frings醋酸发酵罐又称自吸式醋酸发酵罐，是深层液态食醋生产常见的关键设备[23]。澳大利亚HROMATCA等对醋酸菌深层培养研究成果被德国Frings公司应用，并于1954年成功开发出用于工业化生产的醋酸液态深层发酵装置ACetator。自吸式发酵罐在制醋工业中于60年代后期由西德开始发展，并在1969年首先取得了美国专利，70年代日本也引进了这一装置并加以改进。

上海医药工业研究院于1971年开始自吸式发酵罐的研究，1973年以来在抗菌素、有机酸、维生素等医药工业逐步推向生产。1978年上海醋厂年产6 000 t自吸式发酵醋车间正式建成投产。这在我国近代食醋工业上是一项重大技术发展，使我国食醋生产进入国际先进行列。这一应用提高了原料利用率、机械化程度和劳动生产率，同时减少了厂房占地面积，缩短了发酵周期[24]。20世纪90年代初，河北省调味食品研究所对“高浓度醋酸工艺研究”获得成功，通过采用结合自吸式发酵罐的深层发酵法，使食醋产酸含量＞11%，并用于生产。2011年南京汇科生物工程设备有限公司的30 m3自吸式发酵罐被上海宝鼎酿造有限公司采用，并将对其原来的自吸式发酵罐车间进行设备改造。

4 自吸式发酵罐应用于酵母工艺

自吸式发酵罐自20世纪50年代开始研究，最初应用于醋酸的生产，60年代开始用于酵母发酵，目前在酵母生产方面多用来生产饲料酵母和药用酵母，从80年代开始在活性酵母的生产方面上有所运用。奥地利的奥高步苏公司和德国的菲林氏公司代表了世界上自吸式发酵罐的最先进技术。我国20世纪70年代开始使用自吸式发酵罐，现在已取得较大发展，并且在醋酸生产研究方面取得了显著地效果[25-26]。

自吸式发酵罐用于面包酵母生产，生产效率高，经济效益好。在自吸式发酵罐中，高速转子使气液分散，减少液膜阻力，被转子吸入的空气形成微小的气泡，使气液接触更加均匀，气液接触表面不断更新，增加溶氧，提高氧的利用率，促进微生物代谢的传质作用，强化热交换。由于面包酵母拥有很强的耐受剪切力，因此自吸式发酵罐应用于面包酵母生产能较好的发挥其优势，具有产量高、质量好的优点。陈建元等[27]通过实验发现，利用50 m3自吸式发酵罐连续培养酵母，平均酵母含量为20.53 g/L，而对于机械搅拌式发酵罐，平均酵母含量为8.58 g/L，相比于机械搅拌式发酵罐，自吸式发酵罐发酵时间缩短近一半，每培养1 t酵母，节电率为41.3%。

5 自吸式发酵罐与传统发酵罐的对比

5.1 传统发酵罐的特点

对于鼓泡式发酵罐和机械搅拌式发酵罐两种类型的传统发酵罐，都需要一个供给压缩空气的设备，如空压机或者罗茨风机。一是动力消耗较大，二是在空气净化过程中，需要去除压缩空气中夹带的水雾和油雾，需要一套较为复杂的空气净化系统，因此可能因为空气供应系统中的油、水分离不彻底，导致染菌，影响酵母的生产[28]。此外，机械搅拌发酵罐传热传质性能较好，固体颗粒悬浮性好，因此机械搅拌罐在化学工业中得到了广泛的应用，但考虑到其气体利用能力不足，需要增加气体压缩机对未反应的循环气体进行处理，增加了操作成本。鼓泡塔或气升式发酵罐同样具有较好的传质传热性能，气体的处理量较高，但需要的压降也相对较高，为使固体粒子充分分散，需要形成液体的外循环；与机械搅拌罐一样，需要气体压缩机对未反应的气体进行处理。这种类型的反应器在大规模工业生产中比较经济[29]。高孔荣等[30]在使用50 m3自吸式发酵罐生产酵母时，相比于通气搅拌式酵母发酵罐，单位容积的酵母产量提高了3～4倍，动能消耗降低约40%，产品质量高，从而显示了自吸式发酵罐的优越性。

5.2 自吸式发酵罐的特点

自吸式发酵罐可以利用搅拌涡轮或液体流动的喷射作用所产生的真空自吸入空气，所以不需要罗茨风机或空压机[31]。因此能耗也相对较小。自吸式发酵罐的搅拌转速比传统发酵罐高，搅拌功率也较高，但由于不需要空压机，自吸式发酵罐的总动力消耗反而减少约30%。根据奥地利高布苏公司数据，其在饲料酵母生产中，每生产1 000 kg含92%固形物的饲料酵母需要消耗1 000 kW·h的电能，每生产1 000 kg的30%固形物的鲜酵母需要260～310 kW·h的电能，若使用传统的鼓泡式发酵罐，耗电量与自吸式发酵罐相比多出60%乃至1倍[32]。而且使用自吸式发酵罐可以减少空压机房建设用地，从而减少工厂建设所需面积。此外发酵过程中溶氧利用率高，自吸式发酵罐空气利用率也相对有所提高，相对生产酵母的发酵浓度也高，这样在设计相同生产能力的酵母工厂时，发酵设备可以减少30%左右。广东省江门甘蔗化工厂对2 m3自吸式发酵罐连续生产酵母的研究发现，在自吸式发酵罐平均干酵母含量在4 h、3 h、2.4 h的培养条件下，分别相当于鼓泡式发酵罐的2.25、2.28、1.82倍；自吸式发酵罐生产能力在4 h、3 h、2.4 h相当于鼓泡式发酵罐的2.28、2.27、2.75倍。由于自吸式发酵罐发酵周期比较短，故生产能力分别为鼓泡式发酵罐的3.82、4.56、4.55倍。在产率方面，发酵24 h后，自吸式发酵罐为46.7%，鼓泡式发酵罐产率为43.99%，而在节能方面，自吸式发酵罐每公斤干酵母耗电量相对于鼓泡式发酵罐节省30%～40%[33]。在所有的通气反应器中，自吸式反应器的气液传质性能最好，向发酵液中通入1 m3空气产生的气液接触面面积可达2 315 m2，在生产酵母时，得到同样的产率，通气量仅为通用搅拌反应器的1/3～1/4[34-35]。我国在20世纪80年代初已利用味精发酵废水自吸式反应器发酵生产饲料酵母，有良好的经济效益。之后采用玉米淀粉糖厂的玉米浸泡水和玉米皮渣水解液等废水生产饲料酵母，引进喷射自吸式反应器，优化了喷射器和气液两相泵等的设计和加工，有效节约电力30%左右。发酵后浓缩、干燥生产出的饲料酵母收率可达65%～70%，化学耗氧量（chemical oxygen demand，COD）可减少60%～65%。产品质量也相对较高，节约成本，而且无废水污染环境，经核算，净利润约为1 000元/t，一座年产20×104t淀粉的加工厂，投资为6 498.79万元，每年可生产饲料酵母5×104t，年净利润约为4 000～5 000万元[36]。

5.3 自吸式发酵罐目前存在的问题

由于自吸式发酵罐底部机械装置较多，尤其是底部需要特殊材料的机械密封，因此维修复杂，特别是在生产过程中如果出现故障，较难排除。另外由于自吸式发酵罐相对于传统发酵罐较难清洗，因此在生产过程中，易出现染菌。

6 自吸式发酵罐的前景展望

自吸式发酵罐因其相比于传统发酵罐的在溶氧、节能、传质方面的显著优势正受到越来越多发酵相关企业的重视，国内发酵行业各个生产企业也在用自吸式发酵罐逐步代替传统发酵罐，随着装置和材料的不断改进，自吸式发酵罐必将向高产、高效、低能耗的方向发展。

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Research progress of gas-inducing fermentor in the yeast production process

DOU Bingran1,GUO Huiming1,LUO Haiyan2,HONG Housheng2*
(1.College of Sciences,Nanjing Tech University,Nanjing 211816,China; 2.College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 211816,China)

The research of gas-inducing fermentor began in 1950s,it was applied to the acetic acid production initially.The fermentor was used in the yeast production from 1960s,compared to the bubbling fermentors and traditional mechanical agitation fermentor,the gas-inducing fermentor had such advantages such as higher mass transfer,better mixing effect,higher dissolved oxygen,lower power consumption,higher volume production and less occupied area.The application of gas-inducing fermentor in yeast production,the structure of the fermentor,the ventilation principle,as well as the advantages and disadvantages relative to other fermentors were reviewed in this paper.

gas-inducing fermentor;yeast;ventilation volume;production technology

TS264.2

A

0254-5071（2015）06-0001-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2015.06.001

2015-05-14

国家高技术研究发展计划‘863计划’（No.2012AA021201）

窦冰然（1991-），女，硕士研究生，研究方向为活性干酵母生产工艺及代谢动力学。

*通讯作者：洪厚胜（1965-），男，教授，博士，研究方向为生物过程及生化反应设备。