簡介
自從固態發酵工業誕生至今，一直為人類提供生活必須品，但對其本質的研究較少，發展緩慢。20世紀40年代以來，丙酮-丁醇和青黴素的需求量激增帶動了整個發酵工業的迅速崛起，傳統的固態發酵工業亦獲得新的發展契機，脫除農產品加工的色彩，在化工、製藥、環境領域發揮重要作用。然而，從整個發酵工業來看，固態發酵僅占很小的份額。較之於液態發酵，固態發酵質熱傳遞效率低、參數難於監測控制，反應器的設計和放大，工藝調控困難。儘管固態發酵本身所需能耗和水量較低，但在以產品快速供應為主要目標的上世紀後半葉，固態發酵本身的優勢被液態發酵的便捷性所掩蓋，沒有得到重視。上世紀末以來，液態發酵所帶來的能源、環境問題日益凸顯。液態發酵過程中的能耗高、有機廢水量大等問題成為限制發酵工業可持續發展的主要問題。人們開始重新注意到固態發酵節水、節能、成本低等優勢，固態發酵的原理和套用成為近年來發酵工業的研究熱點，為整個生物、化工產業的可持續發展指出了更為明朗的方向。
固態發酵反應器是目前限制固態發酵用於現代生物反應工程的一個重要因素。目前，固態發酵工藝及設備的自動化水平仍然不高，對於傳統固態發酵工藝系統多採用是開放式的或半開放式的發酵設備，現行的生產用固態發酵反應器還是傳統的淺盤式與厚層通風池式裝置，發酵可控性差，效率低。而現代純種固態發酵設備，雖然實現了現代固態發酵的純種大規模培養的基本要求，但是對於反應器放大過程中影響傳熱傳質效果及發酵性能的因素和調控方法缺乏足夠的認識。另一方面現有發酵工業的工程設計主要還是以液態發酵技術為主，缺乏對固態發酵，尤其是純種固態發酵，配套的工程化技術設計與集成最佳化研究，造成發酵過程自動化、可控化程度低、發酵能量利用率低、反應器利用率低等現象。固態發酵必須解決反應器的過程放大，防止發酵過程污染，進行過程監控等一系列問題，目前，國內固態發酵設備主要是傳統的開放式反應器，與國外的發展水平有著極大的差距，因此設計符合我們要求，適合生產的固態發酵設備迫不及待。各種固態反應器中，在工業上已得到套用的還是盤式、轉鼓式及攪拌式反應器，國內對各種性能固態反應器的研製還剛剛開始。由於必須解決反應器的過程放大，防止發酵過程污染，及過程監控等一系列問題。到目前為止尚未見到有關工業化規模固態反應器的專文報導。在考慮研製新型固態發酵反應器時，強制通風、溫控，物料不宜長時間處於靜止狀態，能增溫，機械化程度高，易於操作，便於清洗消毒，投資少等因素是關鍵。
中國科學院過程工程研究所陳洪章研究員，從基礎理論著手，改變思維方式，基於原料特性，和生物特性開發設計新型反應器。提出了以壓力脈動法向力為動力源的“外界周期刺激強化生物反應及細胞內外傳遞過程”的生物反應器設計新原理，設計開發出具有完全自主智慧財產權的“壓力脈動固態發酵新技術”。從實驗室的0.5升試驗到800升，到25000升、直至放大到50000升工業規模。1998年建成了固態發酵大規模純種培養的示範性工廠，結果表明該項技術經濟指標優於液體深層發酵。在此基礎上，逐步發展為氣相雙動態固態純種發酵新技術，成為現代固態發酵技術之一。
在傳統固態發酵工藝中，通常採用機械翻動強化傳質、傳熱過程，即氣相不動，固相連續翻動，以達到固體基質顆粒完全混合，強化顆粒間或氣體分子間的接觸，使料層間的氣體 由分子擴散變為對流擴散。氣相雙動態固態發酵可以克服傳統固態發酵中的一些缺點，提高傳質、傳熱速率，減小溫度、O2及CO2濃度梯度。在微生物代謝活躍階段，較高的壓力脈衝可以更好地促進微生物生長，利於酶產量的提高。
氣相雙動態固態發酵技術特點
氣相雙動態固態發酵反應器的特點可歸納如下：（1）無機械翻動裝置，傳質與傳熱由氣體循環風機實現；
（2）反應器結構簡單容易密封，便於工業放大；
（3）發酵罐為一耐壓容器，可用壓力蒸汽進行嚴格的空罐或實罐滅菌；
（4）反應過程始終維持在正壓階段，易於保持無菌過程；
（5）周期刺激促進微生物代謝、強化細胞內外的傳質，減少代謝產物的反饋抑制；
（6）反應器內的溫度、濕度均勻一致，易於控制；發酵過程實現自控。
氣相雙動態固態發酵罐的技術瓶頸
周期性壓力脈衝有利於發酵過程的傳熱與傳質，利於微生物生長。但同時較高的頻率會加速固體基質水分損失，導致水活度下降影響菌體的生長。因此需要對脈衝周期進行適當控制。實際操作中通常根據溫度探針反應基質溫度變化，建立底物溫度變化與菌體生長曲線，通過上述曲線結合實際情況來最佳化氣體脈衝周期。發酵罐中氣體內循環使氣相始終處於對流擴散狀態，隨著微生物代謝活動的加劇，氣體內循環速率也應增加。但風速太大時，料層表面基質將被吹起，影響發酵的進行。氣相雙動態固態發酵的工藝流程
氣相雙動態發酵過程中壓力脈動通過無菌空氣的衝壓與瀉壓實現：一個周期由衝壓階段，維壓階段，瀉壓階段及低壓四段組成。充壓過程時間較長，曲線上昇平緩。瀉壓速度要快，時間要求儘可能短，一般在數秒至一分鐘之內完成，使固體培養基潮濕顆粒因氣體發生突然膨脹而鬆動。不同的發酵過程，高壓時間與常壓時間可自由設定。一般在微生物對數生長期，變化頻率高，延遲期與穩定期頻率小。周期一般為15分鐘到150分鐘。氣相雙動態固態發酵裝置是在淺盤發酵技術的基礎上施以周期變化的氣相壓力，通過快速泄壓強化了氣相與固相料層間均勻傳質，傳熱的目的，且發酵過程中引入了快開門裝置，無菌操作技術，線上監測，自動化控制系統。氣相雙動態固態發酵罐的套用前景
氣相雙動態固態發酵技術無論在理論上，還是在生產套用上都具有開創性意義。氣相雙動態固態發酵技術打破了現代發酵工業中液體深層發酵技術的壟斷局面，而由於固態發酵所獨有的優勢，可以替代目前很多液態發酵技術。如殺蟲劑Bt發酵、纖維素酶發、果膠酶發酵、赤黴素發酵、核黃素髮酵等。利用氣相雙動態固態發酵技術可以生產出很多新產品，開創眾多的新產業，更重要的是可以以木質纖維素原料為底物，實現木質纖維素的生物轉化，如纖維素乙醇，生物有機肥料，飼料等。
相對於傳統固態發酵生產技術，氣相雙動態固態發酵技術往往可使發酵時間縮短三分之一，變溫操作往往可提高菌體活性。另外在混菌發酵方面也發揮著重要作用。在傳統的白酒釀造，風味食品的生產，甚至可以創製新的風味發酵食品、保健食品等。
