自吸式發酵罐用于酵母生產工藝的研究進展

竇冰然，郭會明，駱海燕，洪厚勝*

（1.南京工業大學理學院，江蘇南京211816；2.南京工業大學生物與制藥工程學院，江蘇南京211816）

自吸式發酵罐用于酵母生產工藝的研究進展

竇冰然1，郭會明1，駱海燕2，洪厚勝2*

（1.南京工業大學理學院，江蘇南京211816；2.南京工業大學生物與制藥工程學院，江蘇南京211816）

自吸式發酵罐的研究始于20世紀50年代，最初應用于醋酸的生產，60年代嘗試運用于酵母生產，相對于鼓泡式發酵罐和傳統機械攪拌式發酵罐，自吸式發酵罐具有發酵過程中傳質混合好、溶氧量高、耗電量小、體積生產率高、占用面積少等優點。本文對自吸式發酵罐應用于酵母生產工藝，發酵罐的結構，通氣原理以及相對于其他發酵罐的優缺點等方面進行了綜述。

自吸式發酵罐；酵母；通氣量；生產工藝

酵母是一種與人類生活有密切關系的單細胞微生物，其細胞形態分為圓形、卵圓形、橢圓形、檸檬形、香腸形，大小隨菌種不同而有差異。在發酵工業上利用酵母進行生產的產品可分為兩大類。一類是厭氧發酵，其產品是酵母的代謝產物，如酒精、各種酒類及甘油發酵等；另一類是耗氧發酵，其產品是酵母細胞或細胞組成成分，如面包酵母、商品釀酒酵母、藥用酵母、食用酵母和飼料酵母等。

自吸式發酵罐目前分為兩種類型：一種是不需要羅茨風機和空壓機，利用攪拌渦輪和液體流動的噴射作用所產生的真空自吸入空氣的發酵罐；另一種具有相同的裝置，并輔以羅茨風機進行通氣的發酵罐。兩者區別在于，前者是真正意義上的自吸式發酵罐，后者則在前者的基礎上進行了改進。由于自吸式發酵罐運用于酵母生產不需要空氣壓縮機，消除了空壓機帶來的噪音污染問題，減少了廠房面積，同時節省了基建投資費用。

1 酵母生產工藝

1.1 酵母概述及其應用

酵母是一種單細胞微生物，氨基酸含量高，蛋白質含量50%左右，富含B族維生素，還有豐富的酶系和多種經濟價值高的生理活性物質。

目前，國內外一般都按產品用途分類，將酵母產品分為五大類[1]：（1）面包酵母類：包括鮮酵母和活性干酵母兩類；（2）釀酒用活性干酵母類：按產品用途分為酒精活性干酵母、葡萄酒活性干酵母、啤酒活性干酵母等；（3）藥用酵母類；（4）營養酵母類：包括高核酸酵母、高鐵酵母、含硒酵母等微量元素酵母；（5）飼料酵母類。

酵母是一種很有應用價值的微生物，在食品工業方面被廣泛用作人類主食（面包、饅頭、餅干糕點等食品）的優良發酵劑和營養劑[2]；在醫藥工業方面[3-4]，酵母被作為輔助治療藥劑或用作培養基；在基礎研究領域，酵母是微生物學家、遺傳學家開展基礎研究的最佳模式材料[5]；此外，從酵母中提取的脂肪，可以用于肥皂制造，還可用于浮選鎢礦，而從酵母中提取的蛋白質可以作為飼料[6]。由此可見，酵母的應用范圍極為廣泛。

1.2 酵母工業概況

酵母工業在國外已有相當的基礎，以1981年為例，全球酵母總產量已達222萬t。酵母不僅年產量大，而且隨著酵母工業發展，酵母成分利用的工業也發展起來。歐美等國家對酵母抽提物[7-8]的開發利用約有70多年的歷史。

國內酵母生產始于1922年，解放前國內酵母廠很少，1957年建立了廣東江門甘蔗化工廠酵母車間，相繼又建立了石硯造紙廠飼料酵母車間、廣東梅山-馬利酵母公司、廣東東莞糖廠酵母分廠、湖北宜昌安琪酵母基地等，各類酵母廠已遍及全國十幾個省市。產品從單一的面包酵母發展為鮮酵母、活性干酵母、藥用酵母、飼料酵母、核酸酵母、釀酒用酵母、營養功能性酵母等多品種系列化產品。

1.3 生產工藝簡介

酵母的生產工藝可分為菌種配制、連續發酵、細胞提取、過濾等幾個步驟，若生產活性干酵母，還包括干燥、真空包裝及相應的儲存環節[9]。接種酵母菌后，細胞從靜止到大量繁殖的生長反應過程為需氧過程，這就要求在發酵過程中大量氧氣的供給。

在酵母的生產過程中，生物反應器（即發酵罐）有著十分重要的作用，占據著整個工藝的核心位置。發酵罐的結構、操作方式及操作條件對發酵產品的生產有著相當重要的影響。酵母發酵裝置的高效供氧和節能，對于酵母發酵生產極其重要。目前用于酵母生產的發酵罐多為鼓泡式發酵罐及傳統機械攪拌發酵罐。

2 傳統發酵罐介紹

傳統發酵罐主要有鼓泡式發酵罐和機械攪拌式發酵罐。

2.1 鼓泡式發酵罐

鼓泡式發酵罐是酵母發酵最常見的發酵罐，其結構較為簡單且容易清洗。鼓泡式發酵罐主要有罐體，清洗裝置，空氣分布裝置和消泡裝置。其中最重要的空氣分布裝置的作用是吹入無菌空氣，并使空氣分布均勻，分布裝置的形式主要是魚刺式。管口與罐底的距離約40 mm，這樣空氣分散效果較好，若距離過大，空氣分散效果則較差，可根據溶氧情況適當調整，空氣大部分由分布管吹出上升時，少部分吹向底部，然后折返回來再向上運動。這樣，空氣和醪液可以進一步充分混合，增加了氣液傳遞效果。

2.2 機械攪拌式發酵罐

機械攪拌式發酵罐是一種經典的發酵類設備。它是利用機械攪拌器的作用，使空氣和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保證供給酵母生長繁殖、發酵所需要的氧氣。由于攪拌受到機械的局限，一般情況下，在實驗室和小型酵母發酵工廠使用攪拌式發酵罐。另外一種情況是在高濃度發酵時，也使用攪拌增加發酵液的供氧。但是對于某些菌種來說，激烈地攪拌有可能使菌體損傷，導致發酵失敗，因此，對于不同的發酵過程，通氣攪拌要求也會有所不同[10]。張超等[11]利用10 L機械攪拌式發酵罐對富硒紅發夫酵母進行連續補料培養，獲得了細胞質量濃度為26.7 g/L，色素含量為764.3 μg/g，硒含量為1 012.5 μg/g的研究結果。

傳統發酵罐都需要羅茨風機和空壓機向罐體通入空氣，并不能將空氣自吸入發酵罐，而自吸式發酵罐的出現就解決了這一問題。

3 自吸式發酵罐介紹

3.1 自吸式發酵罐的結構及類型

自吸式發酵罐主要由發酵罐、定子、轉子、冷卻裝置、進氣管、空壓機、排氣管、消泡裝置、補料裝置、儀表等組成。

自吸式發酵罐根據操作特性可分為機械攪拌自吸式反應器，利用噴射抽吸作用的自吸式反應器，利用循環泵作用的噴射自吸式反應器三個類型。在使用機械攪拌式自吸式發酵罐時，因其負壓吸入空氣的特點，可采用自吸氣與鼓風相結合的鼓風自吸式發酵系統，維持空氣正壓，可減少染菌的幾率。在采用噴射自吸式發酵罐時吸氧效率高，氣、液、固三相混合均勻，傳熱效能高，設備簡單，無需空氣壓縮機及攪拌器，動力消耗少[12]。王定昌[13]利用粉絲廢水生產飼料酵母，通過使用100 L循環噴射自吸式發酵罐，裝60 L發酵液，每天發酵2.5罐，即150 L，用電量為13.5 kW·h，1 L發酵液耗電度數0.09 kW·h。

3.2 通氣原理介紹

發酵罐通氣和攪拌的目的是：向微生物供給氧氣，強化液體湍流，促進液固三相接觸。

自吸式發酵罐的主要結構是自吸攪拌部分和導輪，簡稱為轉子和定子。機械攪拌主要利用葉輪的空穴作用，其工作原理是：具有空腔的葉輪在定子中高速旋轉，會在開孔處產生壓差，局部壓降克服液壓頭時，氣體通過進氣管到達轉子的開孔處，在定子內混合好后高速噴射出完成供氧和攪拌的功效，滿足微生物發酵過程的需求。

3.3 自吸式發酵罐應用簡介

自吸式發酵罐現已成為應用最廣泛的生化反應設備之一，在制藥、發酵、化工、環境、冶金等多個方面有所應用[14-22]。在眾多的發酵設備中，自吸式發酵罐作為一種高效節能的新型反應器，對于它的研究已經取得了很大的進展。工業中采用自吸式發酵罐進行食醋以及酵母的發酵生產，具有經濟實惠、高效節能的特點。

自吸式發酵罐20世紀50年代初期首先用于食醋的生產，當時被稱為Frings發酵罐，Frings醋酸發酵罐又稱自吸式醋酸發酵罐，是深層液態食醋生產常見的關鍵設備[23]。澳大利亞HROMATCA等對醋酸菌深層培養研究成果被德國Frings公司應用，并于1954年成功開發出用于工業化生產的醋酸液態深層發酵裝置ACetator。自吸式發酵罐在制醋工業中于60年代后期由西德開始發展，并在1969年首先取得了美國專利，70年代日本也引進了這一裝置并加以改進。

上海醫藥工業研究院于1971年開始自吸式發酵罐的研究，1973年以來在抗菌素、有機酸、維生素等醫藥工業逐步推向生產。1978年上海醋廠年產6 000 t自吸式發酵醋車間正式建成投產。這在我國近代食醋工業上是一項重大技術發展，使我國食醋生產進入國際先進行列。這一應用提高了原料利用率、機械化程度和勞動生產率，同時減少了廠房占地面積，縮短了發酵周期[24]。20世紀90年代初，河北省調味食品研究所對“高濃度醋酸工藝研究”獲得成功，通過采用結合自吸式發酵罐的深層發酵法，使食醋產酸含量＞11%，并用于生產。2011年南京匯科生物工程設備有限公司的30 m3自吸式發酵罐被上海寶鼎釀造有限公司采用，并將對其原來的自吸式發酵罐車間進行設備改造。

4 自吸式發酵罐應用于酵母工藝

自吸式發酵罐自20世紀50年代開始研究，最初應用于醋酸的生產，60年代開始用于酵母發酵，目前在酵母生產方面多用來生產飼料酵母和藥用酵母，從80年代開始在活性酵母的生產方面上有所運用。奧地利的奧高步蘇公司和德國的菲林氏公司代表了世界上自吸式發酵罐的最先進技術。我國20世紀70年代開始使用自吸式發酵罐，現在已取得較大發展，并且在醋酸生產研究方面取得了顯著地效果[25-26]。

自吸式發酵罐用于面包酵母生產，生產效率高，經濟效益好。在自吸式發酵罐中，高速轉子使氣液分散，減少液膜阻力，被轉子吸入的空氣形成微小的氣泡，使氣液接觸更加均勻，氣液接觸表面不斷更新，增加溶氧，提高氧的利用率，促進微生物代謝的傳質作用，強化熱交換。由于面包酵母擁有很強的耐受剪切力，因此自吸式發酵罐應用于面包酵母生產能較好的發揮其優勢，具有產量高、質量好的優點。陳建元等[27]通過實驗發現，利用50 m3自吸式發酵罐連續培養酵母，平均酵母含量為20.53 g/L，而對于機械攪拌式發酵罐，平均酵母含量為8.58 g/L，相比于機械攪拌式發酵罐，自吸式發酵罐發酵時間縮短近一半，每培養1 t酵母，節電率為41.3%。

5 自吸式發酵罐與傳統發酵罐的對比

5.1 傳統發酵罐的特點

對于鼓泡式發酵罐和機械攪拌式發酵罐兩種類型的傳統發酵罐，都需要一個供給壓縮空氣的設備，如空壓機或者羅茨風機。一是動力消耗較大，二是在空氣凈化過程中，需要去除壓縮空氣中夾帶的水霧和油霧，需要一套較為復雜的空氣凈化系統，因此可能因為空氣供應系統中的油、水分離不徹底，導致染菌，影響酵母的生產[28]。此外，機械攪拌發酵罐傳熱傳質性能較好，固體顆粒懸浮性好，因此機械攪拌罐在化學工業中得到了廣泛的應用，但考慮到其氣體利用能力不足，需要增加氣體壓縮機對未反應的循環氣體進行處理，增加了操作成本。鼓泡塔或氣升式發酵罐同樣具有較好的傳質傳熱性能，氣體的處理量較高，但需要的壓降也相對較高，為使固體粒子充分分散，需要形成液體的外循環；與機械攪拌罐一樣，需要氣體壓縮機對未反應的氣體進行處理。這種類型的反應器在大規模工業生產中比較經濟[29]。高孔榮等[30]在使用50 m3自吸式發酵罐生產酵母時，相比于通氣攪拌式酵母發酵罐，單位容積的酵母產量提高了3～4倍，動能消耗降低約40%，產品質量高，從而顯示了自吸式發酵罐的優越性。

5.2 自吸式發酵罐的特點

自吸式發酵罐可以利用攪拌渦輪或液體流動的噴射作用所產生的真空自吸入空氣，所以不需要羅茨風機或空壓機[31]。因此能耗也相對較小。自吸式發酵罐的攪拌轉速比傳統發酵罐高，攪拌功率也較高，但由于不需要空壓機，自吸式發酵罐的總動力消耗反而減少約30%。根據奧地利高布蘇公司數據，其在飼料酵母生產中，每生產1 000 kg含92%固形物的飼料酵母需要消耗1 000 kW·h的電能，每生產1 000 kg的30%固形物的鮮酵母需要260～310 kW·h的電能，若使用傳統的鼓泡式發酵罐，耗電量與自吸式發酵罐相比多出60%乃至1倍[32]。而且使用自吸式發酵罐可以減少空壓機房建設用地，從而減少工廠建設所需面積。此外發酵過程中溶氧利用率高，自吸式發酵罐空氣利用率也相對有所提高，相對生產酵母的發酵濃度也高，這樣在設計相同生產能力的酵母工廠時，發酵設備可以減少30%左右。廣東省江門甘蔗化工廠對2 m3自吸式發酵罐連續生產酵母的研究發現，在自吸式發酵罐平均干酵母含量在4 h、3 h、2.4 h的培養條件下，分別相當于鼓泡式發酵罐的2.25、2.28、1.82倍；自吸式發酵罐生產能力在4 h、3 h、2.4 h相當于鼓泡式發酵罐的2.28、2.27、2.75倍。由于自吸式發酵罐發酵周期比較短，故生產能力分別為鼓泡式發酵罐的3.82、4.56、4.55倍。在產率方面，發酵24 h后，自吸式發酵罐為46.7%，鼓泡式發酵罐產率為43.99%，而在節能方面，自吸式發酵罐每公斤干酵母耗電量相對于鼓泡式發酵罐節省30%～40%[33]。在所有的通氣反應器中，自吸式反應器的氣液傳質性能最好，向發酵液中通入1 m3空氣產生的氣液接觸面面積可達2 315 m2，在生產酵母時，得到同樣的產率，通氣量僅為通用攪拌反應器的1/3～1/4[34-35]。我國在20世紀80年代初已利用味精發酵廢水自吸式反應器發酵生產飼料酵母，有良好的經濟效益。之后采用玉米淀粉糖廠的玉米浸泡水和玉米皮渣水解液等廢水生產飼料酵母，引進噴射自吸式反應器，優化了噴射器和氣液兩相泵等的設計和加工，有效節約電力30%左右。發酵后濃縮、干燥生產出的飼料酵母收率可達65%～70%，化學耗氧量（chemical oxygen demand，COD）可減少60%～65%。產品質量也相對較高，節約成本，而且無廢水污染環境，經核算，凈利潤約為1 000元/t，一座年產20×104t淀粉的加工廠，投資為6 498.79萬元，每年可生產飼料酵母5×104t，年凈利潤約為4 000～5 000萬元[36]。

5.3 自吸式發酵罐目前存在的問題

由于自吸式發酵罐底部機械裝置較多，尤其是底部需要特殊材料的機械密封，因此維修復雜，特別是在生產過程中如果出現故障，較難排除。另外由于自吸式發酵罐相對于傳統發酵罐較難清洗，因此在生產過程中，易出現染菌。

6 自吸式發酵罐的前景展望

自吸式發酵罐因其相比于傳統發酵罐的在溶氧、節能、傳質方面的顯著優勢正受到越來越多發酵相關企業的重視，國內發酵行業各個生產企業也在用自吸式發酵罐逐步代替傳統發酵罐，隨著裝置和材料的不斷改進，自吸式發酵罐必將向高產、高效、低能耗的方向發展。

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Research progress of gas-inducing fermentor in the yeast production process

DOU Bingran1,GUO Huiming1,LUO Haiyan2,HONG Housheng2*
(1.College of Sciences,Nanjing Tech University,Nanjing 211816,China; 2.College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 211816,China)

The research of gas-inducing fermentor began in 1950s,it was applied to the acetic acid production initially.The fermentor was used in the yeast production from 1960s,compared to the bubbling fermentors and traditional mechanical agitation fermentor,the gas-inducing fermentor had such advantages such as higher mass transfer,better mixing effect,higher dissolved oxygen,lower power consumption,higher volume production and less occupied area.The application of gas-inducing fermentor in yeast production,the structure of the fermentor,the ventilation principle,as well as the advantages and disadvantages relative to other fermentors were reviewed in this paper.

gas-inducing fermentor;yeast;ventilation volume;production technology

TS264.2

A

0254-5071（2015）06-0001-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2015.06.001

2015-05-14

國家高技術研究發展計劃‘863計劃’（No.2012AA021201）

竇冰然（1991-），女，碩士研究生，研究方向為活性干酵母生產工藝及代謝動力學。

*通訊作者：洪厚勝（1965-），男，教授，博士，研究方向為生物過程及生化反應設備。