【工艺设备】 浅谈生物发酵饲料固体发酵工序“大批次、小单元”的适用性

1  理论基础

1.1  固体发酵与液体发酵的区别

现有酶制剂产品的发酵方式主要有固体发酵与液体发酵两种，而一些市场销售人员及消费者对此有许多困惑和偏见，有人认为液体发酵的酶产品纯度高，染菌少，品质好;也有人认为固体发酵的产品酶谱广，使用效果好。其实两种发酵形式各有优劣。首先，我们来了解一下什么是固体发酵。固体发酵是指没有或者几乎没有自由水存在下，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过程。固体发酵所用原料一般为经济易得、富含营养物质的工农业副、废产品，如麸皮、薯粉、大豆饼粉、高粱、玉米粉等。固体发酵是以气相为连续相的生物反应过程。固体发酵一般采用开放式，所需设备简单，易于操作。一般过程为:原料经蒸煮灭菌等预加工后，制成含一定水分的固体物料，接入预先培养好的菌种，进行发酵。发酵成熟后适时出料，并进行适当处理，或进行产物的提取。效率相对较高，提取工艺简单可控。这种方法的缺点是:劳动强度大、不便于机械化操作。液体发酵是以液相为连续相的生物反应过程。液体发酵整个生产过程中易于消毒灭菌和自动化操作。液体发酵比固体发酵过程要复杂，生产设备投资大。液体发酵又包括通风发酵(液体深层发酵)和厌氧发酵。根据操作方法的差异又可以分为分批发酵、分批补料发酵和连续发酵。在此不再累述。值得一提的是，液体发酵起源于抗生素发酵，后发展到有机酸、氨基酸、酶制剂发酵。抗生素与有机酸对细菌有抑制作用，因此给人的印象是液体发酵不易受杂菌污染，产品质量好。其实不然，液体发酵必须注重包括对设备以及操作严格要求在内的每一个细节，否则极易发生杂菌污染。如酶制剂发酵生产，它的发酵产物是酶蛋白，不仅不能象抗生素那样抑制杂菌，而且还是杂菌的良好养料，它受杂菌污染威胁比固态发酵大一些，一旦发生污染往往整罐料就报废，运作风险大些。两种发酵方式各有各的优缺点，不论哪一种发酵方式，都可以生产出固体酶与液体酶产品。固体发酵可以生产出固、液体酶产品，液体发酵也同样如此。产品的状态和使用哪种发酵方式没有必然联系。酶产品品质的优劣关键在于生产过程中每个细节每个步骤的严格控制，而并非在于发酵方式的区别上。康地恩在应用实践中，采用固液联合的先进生产工艺，完整的整合了这两种发酵方式的优点，生产出广酶谱、多酶系的复合酶产品，通过这种方式所生产出的酶产品无论是在酶谱广度上还是在产品的纯度上都有较强的优势，从而可以更好的为我们的饲料业服务，更有力度地推动饲料产业的整体提升，为广大用户创造更大的价值。

1.2  真菌进行固体发酵的优势

1 能在较低含水分下生长(适水活性在0.7-0.93-0.98)，而细菌兴酵母菌的适水活性则大于0.99。

2 细菌一般在低pH下就不易生长，而一般真菌能在低pH下也能生长良好。而固态培养基的pH很难调控，故真菌的此项特点有利于固体发酵。

3 固态基质常为大分子化合物，如淀粉、纤维素、半纤维素、果胶、木质素、蛋白质和脂质等，真菌常能分泌这类的胞外分解酵素而利用其周围的培养基质作为碳源及氮源。

4 真菌若具有产孢特性，则易于存放及接种，人员不需要太多训练即能进行孢子接种工作。

5 菌丝的生长模式优于单细胞的生长方式，菌丝顶端延伸并分枝产生新的菌丝端，能迅速覆盖固体基质表面而有效利用基质。

6 菌丝有分隔者，能透过孔洞(septalpore)传送物质，遇危险则孔洞自动封住，以避免细胞质流失;若为无分隔者，其细胞质内物质的传送迅速而使菌落快速繁衍。

7 菌丝的生长渗透到固体培养基的力量强，形成很高的机械压力，配合尖端分泌的水解酵素，使穿入固体基质容易。

1.3 固体发酵罐

产品适用于液体制种固体发酵的生物制品。物料的灭菌、冷却、接种、发酵在同一工位完成，减少了染菌因素，能耗低，无污水排放，是一种最佳固态物料生物发酵设备。

主要特点：

1、落地式结构，个性化设计，结构紧凑，集中度高，方便使用。

2、罐体设计压力0.3MPa，短期灭菌压力≤0.13 MPa，发酵时的工作压力约为0.05~0.07MPa，夹套传热控温，罐体内外表面抛光处理，抛光精度Ra≤0.4，罐体及管路在位灭菌，安全可靠。

3、设备配有多个发酵罐专用标准接口，如温度口、温控接口、接种口等，满足您对各种发酵参数的检测及控制。

4、采用交流电机机械搅拌，无级调速，转速:50~120rpm，采用发酵专用机械密封件，德国技术，安全可靠，减少泄漏和染菌的机率。

5、螺带式搅拌器，配合导流筒使用，使料液混合更均匀。

6、空气过滤系统采用先进的膜过滤技术，二级双重过滤，精度可达0.01μm，截留率达99.9999%，大大降低了染菌的机率。

7、采用符合微生物发酵要求的不锈钢抛光管路及阀门，表面抛光光处理。

8、基本控制参数包括:温度、湿度、转速、pH、压力等，控制方式分A、B、C、D四种，具体内容详见自动控制部分。

2  生物发酵饲料“大批次、小单元”工艺的适用性

发酵过程是以微生物反应为核心的，有很多过程环节参与的综合结果，整个过程贯穿着以“速率”为内容的基础研究。固体发酵的反应装置中基因、细胞和反应装置不同尺度网络之间存在着以时间为坐标多输入多输出的互动关系。表现在同一尺度下多过程的耦合，不同尺度下也往往会有不同过程发生。在酿酒及传统固体发酵饲料行业采用的堆料固体发酵模式存在明显的弊端，体现在：

1. 传统堆料固体发酵，限于低湿状态下生长的微生物，发酵水分要求较高，故可能的流程及产物较受限。

2. 传统堆料在较致密的环境下发酵，其代谢热的移除常造成问题，尤其是大量生产时，常限制其大规模的产能。

3. 固态下各项参数不易侦测，尤其是液体发酵的各种探针不适用于固体发酵，pH值、湿度、基质浓度不易调控，Biomass不易量测，每批次发酵条件不易一致，再现性差。

4. 不易以搅拌方式进行质量传递(massstransfer)，因此发酵期间，物质的添加无法达到均匀。

5. 由于不易侦测，从发酵工程的观点来看，许多工作都只是在定性或观察性质，故不易设计反应器，难以量化生产或设计合理化的发酵流程。

轨道窑炉式固体发酵隧道与传统固体发酵的堆料模式相比存在较大的技术优势与实用价值。固体发酵隧道内采用轨道式料车模式，蒸汽加热，隧道内设置有支撑发酵车的输送轨道，顶部设置维持隧道温度的送热管道，隧道的外壁上设有用于显示隧道温度和湿度的显示屏；隧道内还设有用于空气流通和交换的风机。轨道窑炉式固体发酵隧道通过在隧道内设置送热管道来保证窑内的发酵温度，并由风机搅动内部的热空气流动，同时，发酵车在窑内的输送轨道上保持移动状态，这样不仅是变相的改善了空气流通状况，防止局部热量过高导致的发酵质量降低，而且也提高了发酵的效率。

其具体优势主要体现在：

1、环境稳定。整个发酵过程中，隧道内温度波动在0.5℃内，湿度波动在2%以内，有利于发酵菌种的生长繁殖和提高外源性添加的消酶的活性。

2、自动控制。生产过程全电脑控制，减少人为操作误差。

3、受热均匀。发酵车受热面积均匀，物料发酵温度稳定，避免物料发酵层次不均的问题。

4、移动发酵。生产线采用自动控制移动式发酵，使每一批次物料在一致的条件下完成发酵过程，避免人为移动过程中产生杂菌污染和发酵条件不均等因素影响。

5、低成本、低消耗。隧道式发酵采用连续性作业，发酵流程流畅，发酵各工段自动衔接，具有产能大，操作误差小的特点，能够大幅降低单位人工成本、能耗和物料消耗，传统发酵工艺（发酵罐或发酵池）不能与之相提并论。

固体发酵工序以分批操作形式进行，随着细胞生长和代谢过程的变化，自动检测或实验室测定各种发酵参数：温度、湿度、pH、菌数、有机酸等，多尺度反馈发酵程度，使固体发酵稳定地、可控制地进行，以及持续优化发酵过程。