七种封闭固态发酵系统

随着科技的发展，固态发酵由传统的开放式发酵变为密闭式发酵，由经验式发酵变为控制式发酵，由手工发酵变为机械化发酵，实现了发酵过程中参数的控制。

密闭固态发酵技术

固态发酵（SSF）是微生物在不含或几乎不含自由水的固体基质上进行发酵的方式，该基质不仅为微生物提供了营养物质和生长环境，而且还有连续的气相和少量的液态水，使体系持续稳定地进行。

固体基质表面附着一层水膜，但液相并不连续，空隙中大部分被气相填充，体系中的水主要吸附在固体基质颗粒之间。因此，在缺乏或极少自由水的情况下，微生物仍能利用固体基质中足够的水完成生长和代谢。

密闭固态发酵系统是在固体基质上为微生物的生长代谢提供适宜环境和条件的空间，能防止外界微生物的进入和内部物质的外溢，必须无毒、耐震动、不易腐蚀。

它必须具有良好的搅拌、通风、散热和冷却系统，并能进行无菌操作。由于所用底物和生物的性质，封闭式固态发酵系统中的混合通常不均匀，不利于传热和传质。因此，使用不同类型的封闭式固态发酵系统可以解决相应的问题。

01 盘式固态发酵系统

它一般由多个托盘叠放在密闭的培养室或培养箱内组成，托盘之间留有一定的间隙，使空气在托盘之间和发酵基质表面之间流通。系统不含搅拌装置或强制通风措施，实现真正的静态固态发酵。

该发酵系统结构简单，制作容易，成本低，但散热性较差。发酵过程中，微生物的生长代谢会产生大量热量，而盘式固态发酵系统若没有强制通风措施，会导致温度梯度差异的出现，影响最终产品的质量和产量。

02 填料床固态发酵系统

其主体是一个垂直放置的圆柱体，底部有多孔板或筛网，用以支撑发酵基质，形成一定高度的柱床，上下端分别设有进气口和出气口，供空气流通，维持发酵的正常进行。

该发酵系统效率高、操作方便、结构简单，采用强制通风措施强化传热、传质过程，但传质系数、传热系数相对较低。随着床层高度的增加，通风量减小，发酵系统内温度梯度逐渐增大，当温度超过一定值时，微生物的生长代谢受到抑制，对菌体会造成伤害。
另外，强制通风虽然可以通过空气循环促进蒸发，从而达到控制温度的目的，但是过度的通风会导致发酵基质变得干燥，水分流失过多不利于发酵过程。

03 转鼓固体发酵系统

其主体为卧式或倾斜式圆筒，内装有发酵基质，由顶部通入氧气，在发酵系统内部循环，满足微生物生长代谢的需要，密闭设计可防止湿热空气外溢，保证良好的发酵卫生条件。

随着圆筒的旋转，发酵基质能被翻转混合，有利于氧气和热量的传递，提高发酵效率，同时也能防止基质粘附在发酵系统内壁上。但旋转速率过高，产生的剪切力过大，会阻碍微生物的生长代谢，甚至造成微生物死亡。

04 搅拌转鼓固体发酵系统

它与转鼓固体发酵系统的基本结构和运行参数相似，不同之处在于搅拌筒主体保持静止，而床层为动态。

发酵系统在中心轴上设置搅拌装置，通过连续或间歇搅拌使发酵基质保持混合均匀，避免发酵基质凝结成块，改善传热、通气及水分分布不均，促进微生物生长代谢，增加氧气和营养物质的转移和利用，提高发酵效率和产量。

05 搅拌床固体发酵系统

它与填料床固体发酵系统类似，但不同的是搅拌床在床层中嵌入有搅拌装置，可以间歇或连续地搅拌固体发酵基质。

此设计使发酵基质混合更均匀，内部通风调节发酵系统内部湿度，达到内部散热更均匀的发酵效果。因此，在搅拌床的设计和操作中，搅拌器的设计和操作也是一个重要的考虑因素。

06 摇床固态发酵系统

是一种通过自身运动引起搅拌的发酵设备，主要由三个水平放置的带孔内筒、带孔外筒和最外面的实心壳体外筒组成，发酵基质位于两个带孔内筒之间，呈松散排列。

发酵过程中，最内侧圆筒内通入空气和少量水，空气作径向运动，水则向下渗透进入床层，同时发酵系统外侧两个圆筒绕中心圆筒旋转，促使床层内混合，实现发酵基质的基本混合。

该发酵系统中，流动的空气和水可以控制温度、湿度和氧气浓度，有利于微生物的生长代谢，但其自身运动带来的搅拌效果不够理想，有待进一步改进。

07 气固流化床固态发酵系统

它由一个带有多孔底板的垂直室组成，气体由发酵床底部引入，底部还装有解体装置，使团聚物解体并悬浮，从而提高气固流化床的发酵效果。

发酵体系基质混合均匀，可以防止发酵过程中出现温度、湿度梯度，有利于发酵工艺参数的控制，通气、传质、传热效果优良，也有利于好氧微生物的生长。

但如果发酵基质黏度过高或颗粒大小不一致，都会导致发酵过程中颗粒悬浮性的差异，需要通过优化床层厚度、空气流量等操作参数来调节发酵系统中床层的流化行为。