固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的認(rèn)知與操作-靜態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器

填充床式生物反應(yīng)器（1）填充床式生物反應(yīng)器填充床式生物反應(yīng)器的特點(diǎn)是靜態(tài)的發(fā)酵基質(zhì)填充在圓柱中，圓柱的下面是打扎的支撐板，通過(guò)孔板強(qiáng)制通風(fēng)來(lái)給發(fā)酵過(guò)程供氧，調(diào)節(jié)基質(zhì)的濕度和溫度。在這個(gè)基本的特點(diǎn)下可以有各種各樣的設(shè)計(jì)。典型的設(shè)計(jì)是一個(gè)高而細(xì)的圓柱。當(dāng)然也有其他類型的填充床式反應(yīng)器，比如木箱式、蓋蓋平板式、垂直的或傾斜的培養(yǎng)室等。最普通的強(qiáng)制通氣是用在填充床的底部，但在某些情況下也可以從發(fā)酵基質(zhì)的頂部通氣。通氣一般是從可以調(diào)溫的水中通過(guò)、以調(diào)節(jié)發(fā)酵過(guò)程的溫度，增加發(fā)酵基質(zhì)的含水量，減小發(fā)酵過(guò)程中水分的損失。對(duì)于高度比較小的填充床，比如小于30cm，可以將填充床放置在恒溫的水浴中以調(diào)節(jié)溫度。對(duì)于比較大的填充床，則可以用夾套來(lái)調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)的溫度。填充床往往做成高而細(xì)的圓柱體，這樣的好處是增加物料和外界接觸的表面積，增加傳熱面積，這樣就不必要求較高的傳熱系數(shù)，對(duì)于直徑比較大的反應(yīng)器．夾套則是必需的。填充床反應(yīng)器的優(yōu)勢(shì)是設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)單，而且可以進(jìn)行較好的工藝控制，尤其是溫度和濕度。因此相對(duì)于托盤式反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，填充床反應(yīng)器使用更加廣泛。填充床反應(yīng)器的缺點(diǎn)托盤式生物反應(yīng)器托盤式生物反應(yīng)器托盤式生物反應(yīng)器是最簡(jiǎn)單的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，這種生物反應(yīng)器的基本特點(diǎn)是：①相對(duì)比較薄的發(fā)酵基質(zhì)鋪在一個(gè)面積相對(duì)比較大的托盤上；②沒(méi)有強(qiáng)制的通風(fēng)，但在托盤上可以有孔，空氣可以緩慢地在托盤的周圍循環(huán)；③發(fā)酵基質(zhì)的溫度隨著反應(yīng)器周圍環(huán)境的溫度而變化。因此可以通過(guò)控制反應(yīng)器所在的空間溫度來(lái)控制反應(yīng)器的內(nèi)部溫度。雖然這種反應(yīng)器已經(jīng)在各種規(guī)模得到應(yīng)用．但是它在大規(guī)很少產(chǎn)上卻存在一定的問(wèn)題：操作難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化．屑“勞動(dòng)密集型”反應(yīng)器；由于發(fā)酵基質(zhì)是靜態(tài)的。因此傳質(zhì)、傳熱困難，這就使托盤上所添加的基質(zhì)的厚度讓讓只有幾厘米到十幾厘米。由此可見(jiàn)，這種反應(yīng)器在放大后就需要更大的面積一個(gè)托盤式生物反應(yīng)器由一個(gè)小空間組成，它可能是一個(gè)小的培養(yǎng)器．也可以是一個(gè)大的房間，在這個(gè)空間內(nèi)放置著一系列可能是各種材質(zhì)做成的托盤。這個(gè)環(huán)境的控制一般是通過(guò)抑制通入這個(gè)空間的空氣的濕度和濕度來(lái)完成的托盤式工藝有著悠久的歷史．人們很早就用來(lái)生產(chǎn)發(fā)酵食品，近來(lái)又用來(lái)生產(chǎn)各種酶制劑。但是，這種工藝一般都是小到中等規(guī)模的，而遠(yuǎn)非大規(guī)模。由于這些托盤的操作很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因而仍由手工來(lái)完成，所以這種工藝只有在勞動(dòng)力比較便宜的地方才只有商業(yè)價(jià)值。實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型研究均證明熱量傳遞是托盤式反應(yīng)器的主要問(wèn)題，僅僅在發(fā)酵基質(zhì)的8cm下面就觀察到了高于外部20℃左右的溫度差。這種現(xiàn)象的發(fā)生是由于熱量的傳導(dǎo)受到了顯著的限制。培養(yǎng)基中溫度梯度的存在會(huì)導(dǎo)致自然對(duì)流的產(chǎn)生，這就不僅要影響到熱量的傳遞，而且使氧氣、二氧化碳的傳遞與轉(zhuǎn)移以及水分的蒸發(fā)受到影響。發(fā)酵基質(zhì)的高溫大大影響到發(fā)酵過(guò)程的生產(chǎn)能力。有研究考做過(guò)試驗(yàn)．如果將培養(yǎng)基的料層高度由40cm加別80cm．其單位產(chǎn)量?jī)H為原來(lái)的20％。通過(guò)模型研究證明。托盤式的科層高度，對(duì)于生長(zhǎng)迅速的微生物來(lái)說(shuō)，只能是幾厘米，在這種工藝過(guò)程中，最容易操作的參數(shù)為料層的高度和外界環(huán)境的溫度。雖然可以通過(guò)降低空氣的濕度來(lái)增加基質(zhì)中水分的燕發(fā)，從而降低基質(zhì)溫度。但實(shí)踐證明它將很快使基質(zhì)的表面干燥，大大降低這些區(qū)域的微生物生長(zhǎng)和生產(chǎn)能力。效學(xué)模型顯示，在托盤式反應(yīng)器中溫度梯度對(duì)于微生物生長(zhǎng)的影響大于氧氣梯度的影響。總而言之，托盤式反應(yīng)器的前景有限。雖然根據(jù)時(shí)間、位置和托盤特性的不同氧氣也會(huì)成為微生物生長(zhǎng)的限定因素，但是最大的問(wèn)題仍然是傳熱問(wèn)題。除了減少基質(zhì)的厚度以外，幾乎沒(méi)有別的辦法解決這一問(wèn)題。這就意味著托盤式反應(yīng)器的放大就是增加托盤的數(shù)量。所以它只能是用于小規(guī)模的生產(chǎn)，并且應(yīng)選擇勞動(dòng)力廉價(jià)的地區(qū)。托盤式固態(tài)發(fā)酵工藝的一般程序?yàn)椋河脫u瓶或種子培養(yǎng)罐制備種子→固態(tài)培養(yǎng)基經(jīng)蒸汽滅菌后接種→接種后的培養(yǎng)基統(tǒng)一地排放在經(jīng)過(guò)滅菌的托盤里→將托盤被放置在密閉的發(fā)酵罐或者密閉的可以調(diào)節(jié)溫度和濕度的房間里→發(fā)酵結(jié)束，將培養(yǎng)基收集到提取罐內(nèi)，提取胞外產(chǎn)物→進(jìn)一步提純和精制。這里以固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)紅曲霉素過(guò)程為例說(shuō)明利用托盤式生物反應(yīng)器進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵的一般過(guò)程。①將以碳源為主要原料的發(fā)酵物料，經(jīng)過(guò)浸泡、濾干加入氮源和無(wú)機(jī)鹽，在120℃下滅菌60min；②將上述發(fā)酵物料均勻地堆放在密閉發(fā)酵罐的一層或多層水平放置的托盤上，接入10％紅曲霉菌種。每層托盤的一側(cè)均留有氣體流動(dòng)口，每相隔兩層托盤的氣體流動(dòng)口在同一側(cè)，氣體在密閉反應(yīng)器中沿著托盤呈折流流動(dòng)，流速小于5m／s。密閉容器內(nèi)壓力小于10kgf／cm2。密閉容器內(nèi)部或外部安裝一臺(tái)或多臺(tái)霧化裝置自動(dòng)地間歇或連續(xù)地給密閉容器內(nèi)地發(fā)酵原科補(bǔ)充水分和養(yǎng)分，養(yǎng)分包括碳源、有機(jī)氯源、無(wú)