固态发酵是微生物在接近自然条件状况下的生长，可产生一些通常在液体培养中不产生的酶及其他代谢产物，而且固态发酵因成本低、能耗小、可利用资源丰富、对环境污染小等特点，在许多方面要优于液态发酵。为提高固态发酵的质量，解决固态发酵本身的弱点(如：发酵条件不易控制、传质传热不均匀、自动化程度低等)，研制改进固态发酵设备成为人们研究的一个重点。本文就现阶段主要的固态发酵设备原理、优缺点、应用领域及发展趋势作一个简单的分析，以期为固态发酵的研究者和固态发酵产品生产商提供一定的科学参考和数据支持。
1固态发酵反应器的特点
　　生物反应器是发酵过程的中心。理想的固态发酵生物反应器有以下特征：①用于建造的材料坚固、耐腐蚀且对发酵过程的微生物无毒。②防止发酵过程污染物的进入，同时控制发酵过程有机体释放到环境。前者特别难以控制，这是因为固体的处理不能象深层发酵的液体那样用泵输送，因此产生污染物自由封闭体系。

 而后者同样是一个非常重要的必备条件，因为大多数的固态发酵过程含有真菌孢子，它可能是致病的，会对周围环境产生危害。③有效的通风调节、混合和热的移除来控制温度、水活度、气体的氧浓度等操作参数。④维持基质床层内部的均匀性。⑤总的固态发酵过程包括培养基的制备、培养基的灭菌、产品回收之前生物量的灭菌、接种体的准备、生物反应器的安装和拆卸。
2静态密闭式固态发酵设备的特点及应用
　　静态密闭式固态发酵，是指发酵过程中的固体基质保持相对静止状态，传统的固态发酵即是此种发酵方式。该类设备中不含有搅拌装置，与液体发酵相比，静态密闭式固态发酵最大的弊端是无法提供生产微生物的一致性，不能及时有效地进行发酵过程的控制并进而控制微生物的生理活动。常见的发酵设备是托盘式或填充床式反应器。
2.1托盘式生物反应器
　　托盘式反应器又称浅盘式反应器，是最简单的固态发酵反应器。它由一个密闭空间和许多可移动的小托盘组成。其基本特点是：①相对比较薄的发酵基质铺在一个面积相对比较大的托盘上；②没有强制的通风，但托盘上可以有孔，空气可以缓慢的在托盘周围循环；③发酵基质的温度随着反应器周围环境温度而变化，因此可以通过控制反应器所在的空间温度来控制反应器的内部温度。托盘式固态发酵工艺程序一般为：种子→固态培养基灭菌后接种→培养基排放在托盘中→将托盘放置于密闭的发酵罐或者密闭可以调节温度和湿度的房间里进行发酵→发酵结束，提纯和精制。理论上来说，托盘反应器的放大可以通过增加基质厚度和增加托盘数量来解决。但由于热量传递是托盘式反应器的主要问题，研究者发现，仅仅在发酵基质8cm下面就观察到了高于外部20℃左右的温度差，如果将培养基的料层高度由40cm增加到80cm，其单位产量仅为原来的20%。因此，托盘上所添加基质的厚度往往只有几厘米到十几厘米。这就意味着托盘反应器的放大就是增加托盘的数量，所以它不适合大规模生产。托盘式工艺有着悠久的历史，人们很早就用来生产发酵食品，近来又用来生产各种酶制剂。但这种工艺一般都是小到中规模的，而远非大规模。由于这些托盘的操作很难实现自动化，因而仍由手工来完成，所以这种工艺只有在劳动力比较便宜的地方才具有商业价值。德国的Prophyta公司设计了一类该反应器用来在无菌状态下生产生物杀虫剂，该反应器为塔状结构，由许多穿孔的盘子构成，无菌空气通过小孔穿过基质，在盘子下方有热交换器去除发酵过程中产生的多余热量。
2.2填充床式生物反应器
　　填充床式生物反应器的特点是静态的发酵基质填充在圆柱中，圆柱的下面是打孔的支撑板，通过孔板强制通风来给发酵过程供氧，调节基质的湿度和温度。在这个基本特点下可以有各种各样的设计，比如木箱式、盖盖平板式、垂直或倾斜培养室等，典型的设计是一个高而细的圆柱。具有强制通气功能是填充床式反应器与托盘式反应器最大的区别，一般来说通气设备都设在填充床的底部，也可以从发酵基质的顶部通气。通气一般是从可以调温的水中通过，既调节了发酵过程的温度，又可增加发酵基质的氧气供应和含水量，减小发酵过程中水分的损失。即使如此，由于在空气进口和出口之间空气温度的增加使得空气的持水性增加，水分出大于进，水分蒸发不可避免。对于体积较小的填充床反应器，可以将填充床放置在恒温的水浴中以调节温度；对于比较大的填充床，则可以通过增加夹套来调节反应器内的温度。填充床反应器的优势是设计要求简单，而且可以进行较好的工艺控制。因此相对于托盘式反应器来说，填充床反应器使用更加广泛。然而，大型的填充床反应器，传热冷却板的安装常受到条件限制，设计和操作所考虑的主要参数是反应器高度、空气流量和空气进口温度。这样的反应器中，轴向的温度梯度可以忽略，而在径向的温度梯度却十分明显。在反应器底部，温度很低，因此微生物生长很快，其产生的热量不能径向传导全部带走，因而就加速了向上的空气，造成了越往上温度越高，所以，微生物最高可以承受的温度就决定了反应器的高度，这个高度称之为临界高度，它取决于所用的微生物和操作条件。这样，就限制了该反应器的扩大，比较适合对剪切力较为敏感的微生物，因为在操作过程中发酵基质保持静止。静态密闭式固态发酵由于无法保证微生物生长环境的一致性，而不能及时有效地进行发酵过程的控制并进而控制微生物的生理活动，且在易污染程度上也要高于液态发酵，但是，这不能否定静态密闭式发酵的存在价值。某些用作食物的发酵产品，如印度尼西亚豆鼓和日本清酒曲的生产，一定要使用静态床式固态发酵过程进行生产，才能使其具有特殊的风味。可见，通过人们长期的经验累积，有效的控制发酵程度和效果，静态密闭式固态发酵可以完成其独特的发酵成果。

[1] [2] [3] 下一页