转鼓式固态生物反应器的研究进展

杨闻 刘会鹏 邰燕翔 洪厚胜

摘要：固态发酵是指微生物在含水量极低的固体物料上进行生长、代谢，以获得初生代谢产物和次生代谢产物。固态反应器因其各种工艺参数的在线监测与自动控制，在食品发酵、生物制药、饲料生产等领域有着越来越广泛的用途。根据罐温、溶氧、pH等工艺参数而采用不同的控制模式。在固态发酵过程中，由于微生物生长环境、物料、传质等诸多因素的差异，设计反应器并实现智能化、程序化是有待解决的关键性共同问题。主要对转鼓式生物固态反应器的应用、特征进行分析并对一些目前存在的弊端提出疑问。

关键词：固态发酵；代谢产物；转鼓式固态反应器；在线监测；工艺参数；智能化

中图分类号：TS201.3      文献标志码：A     文章编号：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：国家高技术研究发展计划项目（2012AA021201）

作者简介：杨闻（1999—），男，硕士研究生，研究方向：生化工程与反应器。

*通信作者：洪厚胜（1965—），男，教授，博士，研究方向：生物反应工程及生化反应器。

固态发酵利用固体物作为发酵原料，固体物中含有少量游离水，微生物以此作为发酵环境[1]。作为发酵工程的传统形式，从中国人制作山西陈醋起，传统固态发酵已有3 000多年的历史，主要用于食品和调味品中[2]。相较于液态发酵，没有液相和含水量低的固态发酵可以使用更小的发酵罐，在代谢产物回收过程中节省试剂、减少细菌污染以及在某些情况下对无菌要求不是很高[3]，所以20世纪以后，传统固态发酵逐渐与现代工业生产融合。为了提高产品的产量与稳定性，以规模化、工业化为基础的固态反应器应运而生，目前固态反应器由传统的简单容器正逐渐朝着机械化、自动化、程序化的方向发展，不断融入计算机科学领域的新科技与新理念，实现工艺参数的监测与精准控制[4]。目前在酶制剂、有机酸、抗生素、维生素、食品等行业有着广泛的应用。

1 固态发酵反应器的原理

固态发酵的本质是将微生物培养在固体表面，利用微生物代谢产生的酶分解代谢底物，再经过微生物本身的代谢途径分泌出人们所需要的初生代谢产物或次生代谢产物。这个过程包括固（固体物料）、液（液态水膜）、气（空气）三相和微生物相内部及相互之间的热量传递，营养、水分、代谢产物和氧的质量传递，以及动态混合过程中的能量传递[5-6]。

上述“三传一反”需要反应器有着相应的结构及功能。然而，由于含水固体物料的传质、传热阻力难以控制，反应器中温度、固体物料含水量、养料、代谢物浓度分布不均，对发酵效率产生影响，这对固态生物反应器的结构和功能提出了较高的要求，也是固态发酵罐大量投入使用道路上的一大阻碍[7-8]。但固态反应器的开发是一项非常有意义的研究，在生产工艺、产品质量、劳动资源等方面都比传统液态或发酵池固态发酵更优越。

2 常见的固态生物反应器

目前常见的固态反应器分为两类：静态固态发酵反应器和动态固态发酵反应器。浅盘固态反应器是最典型的静态反应器；动态反应器除了最常用的转鼓式固态反应器外还有4种，分别是搅拌式水平鼓反应器、摇鼓式反应器、填充床反应器、流化床反应器。这些反应器着重考虑的依然是“三传一反”，其中搅拌与通风的方式及强度是两个重要的方面。为了散热，通常会增加通风量，但这会使培养物表面水分流失严重，而通入潮湿的空气再配合一定量的搅拌可以使培养物内部更易散热并保留更多的水分[9-11]。

3 转鼓式生物反应器在工业生产中的应用

3.1 传统食醋发酵的变革

传统食醋发酵主要由蒸、酵、淋3种工艺构成。近30年来，大部分醋厂以池代缸，在发酵阶段的主要生产设备为发酵池（防腐、防漏水泥池），池長10 m、宽1.5 m、高0.8 m。将物料放入发酵池中，发酵期间需要不停进行人工翻醅，保证发酵池中的物料能够与空气充分接触并控制发酵温度。发酵结束后用吊车抓斗高压蒸汽熏醅[12]。相较于目前先进的转鼓式固态反应器，传统酿造工艺不仅耗费大量的人力及空间资源，而且会因卫生条件简陋而导致生产效率降低、产品质量参差不齐[13]。

转鼓式固态反应器是一种卧式圆筒型反应容器，内部设有数个折流板，通过圆筒整体的转动带动里面的醋醅，使粘连在一起的醋醅被刮板打散，更好地与空气结合，省去人工搅拌。在出料时，成熟的醋醅直接从出料口排出。反应器可以通过控制空气流速来控制内部温度。余永建等[14]参考卧式转筒反应器和立式回流反应器的优缺点，将食醋发酵与淋醋工艺整合到一个反应器中，设计出了食醋固态酿造一体机。其结构为传统的卧式罐体，在罐内设有螺旋翻料叶片，通过罐体自身旋转和翻料叶片进行散热。在罐体内醋醅上方设置喷淋装置，用于淋醋使用。在罐体内侧底部上方安置滤板，滤板与罐底之间形成空腔，用于收集醋卤或淋醋醋液，可以缩短发酵周期并保证产出食醋具有良好的风味。

3.2 特殊转鼓式生物反应器的开发及应用

Nagel等[15]研制了一种特殊转鼓式反应器并将其用于米曲霉发酵产果胶酶，见图1。

该反应器是在原本的圆柱形转鼓内部设置一个矩形桨叶，高压空气穿过桨叶末端的孔使床层通风。在连续发酵过程中，米曲霉在熟小麦上生长，可将温度控制在35 ℃。该反应器是填充床反应器和转鼓式反应器的融合，相较于原本的填充床反应器，改善了其物料厚度、传热性不同等导致的空气通入后其内部热量质量不均匀以及水分分布不均匀的缺点。20世纪40年代早期，一家生产盘尼西林的工厂制造了40台直径1.22 m、长11.28 m，即每台反应器容量为13 m3的转鼓式生物反应器，见图2[16]。

该套反应器已集接种与发酵为一体。此外，Du等[17]报道了一种内部设置布料板的转鼓式固态发酵反应器，总容积达550  m3 ，用于高粱原料固态发酵产乙醇。

4 转鼓式反应器中的搅拌和传递现象

4.1 物料搅拌与传递现象

转鼓式反应器的性能主要由床层与顶空气体之间的水、能量交换效率决定。转鼓有两种不同的设计，分别为无折流板转鼓与带4块直折流板的转鼓。无折流板转鼓主要用于非固态发酵。该流型取决于转鼓的转速和填充率。将流型与临界转速（NC）联系起来，NC定义为由于离心作用使颗粒保持与转鼓内壁接触时的转速[18]。对于水平放置的转鼓，NC与直径的关系式为：

NC=42.3 D。

式中：NC为转鼓转速，r/min；D为直径，m。

静止转鼓和处于临界状态下的转鼓，床内都没有产生混合。当低于临界速度10%时，流型为滑移和坍塌，固体颗粒基本整体移动，床层内的固体颗粒几乎未混合。转速增加至临界速度的10%～60%时，床层先出现滚翻，以平滑表面为特征，然后是溢流，以曲面为特征。在两种流型中床层自身内有颗粒的流动，但也有可能存在死区。当转速大于临界速度的60%或低于临界速度时，则会出现瀑泄流，物料被甩入空中[19]，各状态见图3。由于带直折流板的转鼓增加了固体颗粒在轴向上的混合，大多数转鼓式反应器都是在形成塌陷的条件下进行操作，所以为了增强效果，通常在转鼓内表面设置折流板，相较于无折流板转鼓高速下运行才能使得固体颗粒混合，添加折流板能够大幅度减少能耗。

Schutyser等[20]模拟了折流板对混合的影响。在一个直径为30 cm的转鼓中分别安装了4块5 cm和10 cm宽的直折流板进行比较。得出尽管在低转速下它们也有助于防止坍塌流动，但较小的折流板对增强翻滚状态时的混合效果不大。随后Schutyser等又对转鼓中心轴线进行倾斜，使其呈现20°～35°的倾斜角。进一步实验发现，固体颗粒的动态休止角是转鼓中心轴倾斜角的上限，见图4。在水平转动一段时间后进行倾斜能够更加充分地对物料进行混合，且倾斜时物料会坍塌，以更好地对其内部散热。

4.2 转鼓顶空的空气流型对通风的影响

在转鼓式反应器中，顶空流型对散热效果的影响很重要，顶空对流散热计算公式为：

Rconv=hA（T床层-T顶空）。

式中：Rconv为对流散热，W;h为传热系数，W/（m2·℃）；A为床层与顶空的接触面积，m2；T床层为床层温度，℃；T顶空为顶空温度，℃。

如果顶空气体混合均匀，则传热推动力保持不变，床层表面各处的传热速率都相同。但如果顶空的流型为栓塞流，则传热推动力会减小。这种情况下，转鼓入口端附近的床层与顶空的热交换速率大于出口端，从而导致转鼓尾部温度过高，影响产品质量。Hardin等[21]用CO作为示踪剂，研究了200 L转鼓中的流型，发现中心栓塞流区被死区包围，见图5。死区包括一部分顶空气体和床层颗粒间隙中的所有气体，死區在径向上有良好的混合效果，但在轴向上无运输。折流板的有无影响着死区所占转鼓的体积分数以及栓塞流与死区间的传递速率。与无折流板相比，带折流板时栓塞流与死区间的交换更多，意味着死区在转鼓中占据的体积更小。

5 反应器工艺参数的监控

由于在发酵过程中需要及时高温灭菌以及对密封性的要求，所以对传感器有特殊要求：耐高温，耐腐蚀，在结构上防止杂菌进入以及避免死角，能经受各种恶劣环境[22]。

5.1 转鼓内温度自控原理

转鼓内温度的测量，选用不锈钢套管封装的pt100温度传感器探头，从转鼓侧面开口处斜插入罐内。pt100温度传感器直接与执行器连接，执行器产生的控制信号经电气阀门传递给冷却盘上的气动调节阀门，从而形成一个闭合回路。通过调节冷却水的流量来控制罐内温度；温度升高，冷却盘上的阀门开口增大，冷却液流量增多，从而达成降温的效果；温度下降则反之。

5.2 转鼓内温度自控模式及特点

由于对转鼓内温度监测具有一定的滞后和时变，当滞后时间较长时，PID控制会引起系统的响应发生振荡，所以可以采用模糊控制的方法，虽然传统的控制理论对于明确系统有着强有力的控制能力，但对于复杂或者变幻莫测的系统则显得无能为力，所以采用模糊数学来处理这些系统[23]。模糊控制系统结构见图6，由模糊化、模糊推理、知识库、清晰化这四部分组成。模糊化模块中仅包含模糊化方法的确定；知识库分为数据库和规则库；数据库包括设计输入输出变量的尺度参数；清晰化模块指清晰化方法的确定[24]。

模糊控制工作流程：首先通过温度传感器将被监测的物理量转换成电量，再通过A/D转换器将电量转换成数字量并与给定值进行比较，得到一个精确量的偏差e作为模拟控制器的输入；其次经过输入量尺度变换和模糊化处理，得到模糊量E，模糊量E与模糊关系R合成，得到模糊推理的结果C；最后模糊量C经清晰化处理得到清晰度c，并由A/D转换及输出尺度变换后送到执行器进行控制。模糊控制结构图见图6[25]。

6 结果与展望

转鼓式固态反应器因其独特的结构在工业生产中有着广泛的用途。随着转鼓式反应器结构与功能的进一步完善，其逐步替代传统的发酵设备。转鼓式反应器增加了反应时的表面积，使反应物更充分地接触并发生反应，从而提高了反应效率，这意味着更高的产量和更低的废料生成量。对发酵过程进行自动控温，对固体物料的含氧量进行监测和控制，大大改善了劳动环境，稳定了产物质量，缩短了发酵周期，节省了劳动成本。但目前转鼓式固态反应器自动化程度不够，对易挥发产品尾气回收效率过低，甚至有时无法达到预期的转换率，延长了发酵周期，给工业生产带来损失。新型转鼓式固态反应器的功能结构优化是一项长期工作，我们要在今后的学习中进一步提升反应器的智能化、程序化[26-28]。

参考文献：

[1]KRISHNA C. Solid-state fermentation systems： an overview[J].Critical Reviews in Biotechnology，2005，25（1）：1-30.

[2]邱立友.固态发酵工程原理及应用[M].北京：中国轻工业出版社，2008：123-130.

[3]VARZAKAS T H， ROUSSOS S， ARVANITOYANNIS I S. Glucoamylases production of Aspergillus niger in solid state fermentation using a continuous counter-current reactor[J].International Journal of Food Science & Technology，2008，7（43）：1159-1168.

[4]GARRO M S， PIVAS F P， GARRO O A. Solid state fermentation in food processing： advances in reactor design and novel applications[J/OL].Innovative Food Processing Technologies，2021：1-18.http：//doi.org/10.1016/B978-0-08-100596-5.23049-7.

[5]MITCHELL D A， KRIEGER N. Solid-State Cultivation Bioreactors[M].Gewerbestrasse：Springer Nature Switzerland AG，2022：246-252.

[6]CHEN H. Modern Solid State Fermentation[M].Zuideruitweg：Springer，2013：317-321.

[7]SRIVASTAVA N， SRIVASTAVA M， MISHRA P K， et al. Bioprocessing for Biofuel Production： Strategies to Improve Process Parameters[M].Kallang：Springer，2021：70-74.

[8]ZERVAKIS G I， KOUTROTSIOS G. Solid-state fermentation of plant residues and agro-industrial wastes for the production of medicinal mushrooms[J].Medicinal Plants and Fungi：Recent Advances in Research and Development，2017，4：365-396.

[9]HARDIN M. Design of Bioreactors for Solid-State Fermentation[M]//ASHOK P.Concise Encyclopedia of Bioresource Technology， Binghamton：Food Products Press，2004：83-96.

[10]GUMBIRA-SAID E.Packed-bed solid state cultivation systems for the production of animal feed[J].Journal of Scientific and Industrial Research，1996，55（5-6）：431-438.

[11]MITCHELL D A，VON MEIEN O F，KRIEGER N.Recent developments in modeling of solid-state fermentation： heat and mass transfer in bioreactors[J].Biochemical Engineering Journal，2003，13（2-3）：137-147.

[12]孙宏韬，李伟，朱曼丽，等.食醋的固态发酵工艺及其反应器进展[J].中国调味品，2018，43（12）：89-93．

[13]孙浩，郭蕾，郭会明，等.固态醋酿造影响因素及其发酵反应器的开发[J].中国调味品，2022，47（10）：98-102.

[14]余永建，奚宽鹏，朱胜虎，等.一种智能化食醋固态酿造一体机：中国，CN201621060743.9[P].2017-03-29.

[15]NAGEL F J I， TRAMPER J， BAKKER M S N， et al. Temperature control in a continuously mixed bioreactor for solid-state fermentation[J].Biotechnology and Bioengineering，2001，72（2）：219-230.

[16]BRCK F， UFER K， MANSFELDT T， et al.Continuous-feed carbonation of waste incinerator bottom ash in a rotating drum reactor[J].Waste Management，2019，99：135-145.

[17]DU R， YAN J， FENG Q， et al. A novel wild-type Saccharomyces cerevisiae strain tsh1 in scaling-up of solid-state fermentation of ethanol from sweet sorghum stalks[J].PLoS One，2014，9（4）：94480.

[18]STUART D M， MITCHELL D A， JOHNS M R， et al. Solid-state fermentation in rotating drum bioreactors： operating variables affect performance through their effects on transport phenomena[J].Biotechnology and Bioengineering，1999，63（4）：383-391.

[19]HARDIN M T， HOWES T， MITCHELL D A. Residence time distributions of gas flowing through rotating drum bioreactors[J].Biotechnology and Bioengineering，2001，74（2）：145-153.

[20]SCHUTYSER M A I， WEBER F J， BRIELS W J， et al. Heat and water transfer in a rotating drum containing solid substrate particles[J].Biotechnology and Bioengineering，2003，82（5）：552-563.

[21]HARDIN M T， MITCHELL D A， HOWES T. Approach to designing rotating drum bioreactors for solid-state fermentation on the basis of dimensionless design factors[J].Biotechnology and Bioengineering，2000，67（3）：274-282.

[22]周忠明.發酵生产工艺参数的在线监测与自动控制[J].自动化与仪器仪表，2015（12）：7-9.

[23]刘振亚.智能电网技术[M].北京：中国电力出版社，2010：108-112.

[24]李辉.基于DSP的数字PWM发电机逆变器与显示模块的设计[D].天津：河北工业大学，2008.

[25]肖坚红，严小文，周永真，等.基于数据挖掘的计量装置在线监测与智能诊断系统的设计与实现[J].电测与仪表，2014（14）：1-5.

[26]MITCHELL D A， VON MEIEN O F， KRIEGER N. Modeling in Solid-State Fermentation[M]//ASHOK P. Concise Encyclopedia of Bioresource Technology，Binghamton：Food Products Press，2004：709-718.

[27]STUART D M， MITCHELL D A. Mathematical model of heat transfer during solid-state fermentation in well-mixed rotating bioreactors[J].Journal of Chemical Technology and Biotechnology，2003，78：1180-1192.

[28]SRIVATAVA N， SRIVATAVA M， RAMTEKE P， et al. Solid-State Fermentation Strategy for Microbial Metabolites Production： An Overview[M]//New and Future Developments in Microbial Biotechnology and Bioengineering，New York：Elsevier，2019：345-354.