真菌固态发酵放大：从实验室到工业化的技术挑战与未来展望

《Journal of Environmental Management》：Current status and future perspectives on fungal solid-state fermentation scale-up

　　

真菌固态发酵（SSF）放大现状与未来展望 本综述旨在提供真菌固态发酵（Solid-State Fermentation，SSF）生物工艺放大的当前现状，重点关注研究进展，同时考察专利活动。本文仅限于真菌生物工艺的放大，不包括基于其他微生物的发酵。同时，信息仅限于至少达到技术就绪水平4（Technology Readiness Level，TRL 4）（通常对应于实验室规模反应器）的工艺，排除仅在小型实验室体积下测试的概念验证以及尚未达到该阶段的反应器构型。本工作旨在对为使该技术在工业TRL水平上全面实施而应解决的主要挑战提供批判性视角。SSF包括任何涉及固体且不存在或几乎不存在游离水的发酵，包括废弃物和非废弃物基质。近年来，SSF已成为生物质增值的关键技术，因为它允许使用农业工业废弃物作为基质。真菌具有多种优势，使其成为SSF的优选方案：能够在广泛的基质中生长（包括各类生物废弃物，特别是具有重要木质纤维素含量的废弃物），与其他微生物相比能够合成更广泛的生物产品，以及在标记为GRAS（generally recognized as safe，公认安全）时能够生成具有多种应用的生物质，包括食品、饲料和生物聚合物。所有这些有利特性为真菌SSF提供了在当前生物精炼方案中发挥关键作用的潜力，并使其成为循环生物经济不可或缺的组成部分。放大方法的建立是每个旨在达到商业生产规模的工艺的核心部分。尽管工艺具有特异性，但建立通用框架以定义技术成熟度的尝试已经做出，其中最准确和最通用的或许是使用技术就绪水平（TRL）。TRL水平反映了给定技术在1至9级范围内的成熟度。本文涵盖了四种最常用构型的放大：袋式、托盘式、填充床式和旋转滚筒式。在Scopus和Google Scholar数据库中针对每种反应器构型进行了检索，使用术语“真菌固态发酵”和“放大”，包括2017年至2026年（3月）期间的出版物。据作者所知，在本文发表时，科学文献中尚无任何反应器构型的真菌SSF超过TRL 5的已发表工作。本文重点在于如何弥合学术界与工业界之间的差距，强调放大过程中的TRL方面，通过结合学术论文和专利创新的完整最新技术现状，以及通过最相关的真菌SSF放大挑战进行深入讨论。真菌SSF面临若干阻碍其工业化的挑战，特别是对于填充床和水平滚筒构型。这些挑战包括传热传质问题、在现代生物精炼中的整合、复杂废弃物的增值、生产力提升以及其他挑战。传热和传质限制，特别是热量去除，构成了阻碍SSF放大的主要挑战，尤其是在填充床和托盘构型中。微生物生长和代谢产生代谢热，加上固体材料固有的低导热性和有限的传热传质速率，促进了整个固体床中温度、氧气和营养梯度的形成。数学建模已成为解决能量和质量传递平衡的有价值工具。模型可以考虑SSF放大的固有局限性，为反应器内的传热传质现象提供准确估计。工程解决方案基于主动冷却或局部温度控制可能有助于在反应器特定区域实现轻微的温度调节。克服热产生缺陷的另一种方法在于使用耐热和/或嗜热菌株。生物精炼被定义为将生物质转化为能源、化学品和材料的工业设施。由于SSF的灵活性和处理大量不同原料的能力，它有潜力成为生物精炼难题中的战略组成部分。大多数已放大至TRL 4的真菌SSF生物工艺使用不同类型的农业工业废弃物作为基质。尽管存在固有的变异性，这些废弃物可以作为唯一碳源，尽管在放大过程中使用填充剂来调节孔隙率和水分变得必要。生产力维持是放大议程中的悬而未决的问题之一。不同作者报告了在填充床中从实验室规模放大到实验室规模反应器时的生产损失。在特定情况下，实验室和实验室规模之间的生产一致性已经实现。生产力维持随着接近工业体积而变得越来越困难，主要是由于代谢热产生造成的限制。

真菌固态发酵放大的研究现状与未来展望：论文解读

一、研究背景与意义

固态发酵（Solid-State Fermentation，SSF）是指在不存在或几乎不存在游离水的条件下，利用固体基质进行发酵的生物过程。随着生物经济理念的深入发展，SSF已被重新定义为“将有机可生物降解废弃物进行生物固态好氧转化，从而获得可替代原材料和能源来源的生物产品”的技术，其在循环生物经济体系中的地位日益凸显。近年来，SSF作为生物质增值的关键技术受到广泛关注，尤其在利用农业工业废弃物作为基质方面展现出巨大潜力。对Scopus数据库的检索显示，1995至2025年间SSF相关发表文献总量接近11000篇，其中2025年一年即发表约977篇，占总量的约9%，反映出该领域持续升温的研究热度。

真菌因其独特的生物学优势成为SSF的理想微生物选择：能够在包括富含木质纤维素的各类生物废弃物在内的广泛基质上生长，能够合成较其他微生物更多样化的生物产品，以及在获得GRAS（公认安全）认证后可用于食品、饲料和生物聚合物生产。曲霉属和青霉属真菌已在多个工业化过程中发挥关键作用。然而，尽管真菌SSF具有广阔的应用前景，目前大多数生物产品尚未通过SSF实现商业化规模生产，其核心瓶颈在于放大过程中的技术挑战。

技术就绪水平（Technology Readiness Level，TRL）为评估技术成熟度提供了标准化框架，从TRL 1（基本原理观察）到TRL 9（实际系统在运行环境中得到验证）。欧盟委员会和生物基产业联合企业均采纳了这一体系。目前，科学文献中尚无任何反应器构型的真菌SSF工艺超过TRL 5的报道，这意味着该技术尚未在工业相关环境中得到充分验证。因此，系统梳理真菌SSF放大研究现状、分析专利创新动态、识别关键挑战，对于推动该技术从实验室走向工业化具有重要的学术价值和现实意义。

二、研究内容概述

本综述旨在从TRL视角全面评估真菌SSF放大的当前状态，重点聚焦研究进展与专利活动。研究范围限定为至少达到TRL 4（通常对应实验室规模反应器）的真菌生物工艺，排除了仅在小型实验室体积下验证的概念。研究覆盖了四种主要反应器构型：袋式、托盘式、填充床式和旋转滚筒式。作者采用统一的体积标度（实验室：≤4 L；实验室：4-50 L；中试：50-200 L；示范：200-500 L）以便于文献间的比较分析。通过系统检索Scopus和Google Scholar数据库（2017-2026年3月），并结合Espacenet专利数据库的专利分析（2017年1月至2026年3月），对真菌SSF放大研究进行了全面梳理。

三、关键技术与方法

研究人员采用了多维度的方法体系开展这项综述研究。首先，通过系统文献检索方法，在Scopus和Google Scholar数据库中针对每种反应器构型使用“真菌固态发酵”和“放大”等关键词进行检索，筛选出达到TRL 4以上的研究文献。其次，采用专利分析方法，在Espacenet数据库中以“固态发酵”和“大规模”为检索词，共获得928项专利结果，并对其中25项明确描述真菌发酵工业级改进创新的专利（2017年1月至2026年3月间发表）进行了深入分析。此外，研究还采用了TRL评估框架和统一的体积标度体系，对不同反应器构型的放大研究进行标准化比较。文献来源涵盖学术论文和专利文献两大类别，未涉及具体样本队列。

四、研究结果

4.1 袋式构型放大现状

袋式构型是最简单的反应器设计，由多个相对小体积（通常≤5 L）的静态袋组成，置于受控温度和相对湿度环境中。袋通常由聚丙烯等能够提供被动通风的材料制成。由于其放大方式主要是堆叠更多数量的小体积袋而非增加单袋工作体积，因此历来是商业层面最简单的构型，自20世纪90年代起已实现工业化，目前在巴西等国仍在使用。然而，该构型需要巨大的空间和密集的劳动才能实现商业可行性，且对每个袋的监测较为困难。文献检索仅发现3篇相关参考文献，是四种构型中文献量最少、研究潜力最低的构型。

4.2 托盘式构型放大现状

托盘式构型在袋式基础上进一步设计，由包含多个托盘的腔室组成，托盘通常具有开放顶部和穿孔底部，堆叠时留有足够间距以增加空气可用性。床层厚度通常在5 cm左右。与袋式类似，托盘构型操作和放大相对简单，若保持床层厚度不变，达到工业体积较填充床或旋转滚筒更容易。然而，托盘间大量空间未被用于生产，导致商业可行性需要大面积操作区域。床层厚度是该构型最关键的参数之一，多数研究在放大前优化该参数，通常在5-10 cm范围内观察到产量下降。文献共检索到12篇参考文献，是文献量第二多的构型。

4.3 填充床构型放大现状

填充床构型是更复杂的静态床设计，物料在垂直柱内填充，床层高度远大于托盘式反应器。床层基本保持静态，但可能提供间歇搅拌。氧气通过强制通风从底部向顶部供给。封闭空间允许监测温度和湿度等关键参数，使其最适合呼吸测量研究（O?消耗和CO?产生），进而用于确定比生长速率和Damk?hler数（考虑热产生、生长速率和基质密度的无量纲数）。填充床的空间利用率优于其他设计，大部分总体积用于每次发酵。然而，床层高度和厚度产生传热传质约束，温度梯度最为突出。文献共检索到17篇参考文献，是文献量最多的构型。多数研究显示床层存在温度梯度或最高温度超过最适值，梯度通常在5°C或更高。尽管调整参数并采用冷却技术，多数研究仍无法实现完全受控的床层温度，这阻碍了该构型的进一步放大。

4.4 旋转滚筒构型放大现状

旋转滚筒是水平柱体，固体物料在内部保持，床层非静态，可通过水平轴旋转连续或间歇搅拌，可能配合内部挡板。搅拌有助于充分通风和物料均匀性，同时促进热量去除和氧气传递。然而，只有滚筒保持显著空置部分时才能实现高效混合，仅30-40%的总体积用作工作体积。该设计不常用于真菌SSF，因为搅拌往往对真菌生长产生负面影响，特别是对丝状真菌。文献仅检索到5篇参考文献，少于填充床和托盘构型。由于设计特性使其易受污染，该构型主要用于次级代谢产物（如酶或有机酸）生产，很少用于分生孢子或真菌生长。工作体积通常占反应器总体积的30-60%，空间利用率优于托盘但低于填充床。

4.5 专利创新动态

专利分析揭示了真菌SSF放大的最新创新趋势。在袋式系统方面，有专利提出将单个袋置于配备气体循环和气候控制的腔室内，由外部控制模块管理，以增强发酵单元间的环境一致性。另有研究者提出并行化方法，即同时使用多个小体积生物反应器（≤50 L，优选1-10 L），依赖自动化填充、灭菌和接种支持高通量SSF，这种模块化设计有助于克服传统放大限制。在托盘系统方面，专利发展了多层腔室、集成轨道系统和环境调节模块，包括负压接种、温度控制和自动化托盘处理，主要用于食用真菌培养。在填充床反应器方面，创新集中在混合改进（如旋转套筒内进料螺杆、贯穿罐长的搅拌轴）、温度控制（热夹套、多深度温度传感器、自动反馈控制）、液相结合（固态与液态发酵混合系统）、操作改进（端到端SSF系统、原位孢子收集）以及辅助装置（微孔气体面板、三维搅拌机构）等方面。

五、讨论与结论

真菌SSF放大面临的核心挑战包括传热传质限制、生物炼制整合、复杂废弃物增值和生产力维持。传热和传质限制，特别是热量去除，是阻碍SSF放大的主要挑战，尤其在填充床和托盘构型中。微生物代谢产生代谢热，加上固体材料低导热性和有限传热传质速率，导致温度、氧气和营养梯度形成。丝状真菌因搅拌会损害菌丝形成和延长发酵时间，使热量消散更加困难。数学建模已成为解决能量和质量平衡的有价值工具，从1990年的一维模型发展到近年来的两相模型和计算流体动力学模拟。工程解决方案如蒸发冷却、内部叶轮和局部温度控制可能有助于特定区域温度调节。使用耐热或嗜热菌株（如嗜热毁丝霉和嗜热霉属）作为克服热产生的策略已在酶生产中探索，并已放大至实验室体积和TRL 4。在生物炼制整合方面，SSF有潜力成为生物精炼体系中的战略组成部分，特别是在厌氧消化消化物的转化中，但多数工作仍处于实验室或实验室规模，需配套技术经济评估。在复杂废弃物增值方面，消化物和生物废弃物具有巨大潜力，但真菌SSF研究仍限于实验室规模，相比之下，苏云金芽孢杆菌的消化物增值已通过填充床构型达到290 L示范规模和TRL 5。在生产力维持方面，从实验室放大到实验室规模时普遍观察到产量损失，但在特定情况下（如利用罗伯茨绿僵菌在22 L和100 L体积下生产分生孢子）已实现实验室和中试规模的一致性。

研究结论指出，真菌SSF放大目前仍主要停留在TRL 4水平，尚无超过TRL 5的已发表工作。不同反应器构型各有优劣：袋式构型简单但空间利用率低；托盘构型相对易放大但需大面积操作区域；填充床空间利用率高但传热传质问题突出；旋转滚筒混合效果好但易污染且对真菌生长有负面影响。专利活动呈现增长趋势，从2006年的8项增至2025年的67项，创新集中在混合改进、温度控制、液相结合和操作优化等方面。研究人员强调，学术界与工业界之间的强制性合作是推动真菌SSF放大成功的关键，只有具有实际应用价值的技术才能吸引私人投资，从而推动技术从TRL 4-7阶段向商业化迈进。