一、从土办法到新宠儿在这个行业里沉淀了几十年我对固体发酵Solid-State Fermentation, SSF的感情是很复杂的。早年间固体发酵在很多同行眼里是土办法——找个托盘、铺层麸皮、接上菌种、扔进培养室剩下的交给时间。和那些动辄几十吨发酵罐、DCS控制系统、在线检测一应俱全的液体深层发酵Submerged Fermentation, SmF比起来固体发酵怎么看都不够高级。但有意思的是自然界中丝状真菌本来就是在固体基质上生长的。落叶堆里的木霉、发霉面包上的根霉、粮堆里的曲霉——你什么时候见它们在液体里长过固体基质上的丝状真菌是它最自然、最舒服的状态。这个土办法被重新审视不是没有原因的。2025年12月西班牙Techmi Group正式发布了其工业级水平SSF生物发酵罐产品线来源Techmi Group, 2025-12覆盖六大应用领域生物肥料、工业酶、功能食品、菌丝蛋白、抗生素/生物活性代谢物和有机酸。设备具备工业卫生级设计、均匀温控、高级底物管理和混合系统、优化的气体交换等关键技术指标。当一家专业发酵设备商开始认真做固体发酵设备的时候你就知道这个赛道要变了。我这篇想讲清楚三件事固体发酵和液体深层发酵到底怎么选、放大过程中的实战经验以及这两条技术路线在真菌蛋白产业里是怎么分化的。二、SSF vs SmF一场全面的对比做了这么多年被问得最多的问题就是固体发酵和液体发酵到底哪个好这个问题没有标准答案。两条路线各有优势选哪条取决于你要做什么产品、做到什么规模、愿意承受什么代价。2.1 SSF的核心优势能耗和水耗的优势是实打实的。Natures Fynd用其独有的Fusarium strain flavolapis进行表面培养生产真菌蛋白Fy Protein™官方数据显示相比传统液体发酵工艺SSF路线能耗降低50%、水耗降低90%、几乎无废水排放。在双碳背景下这组数据的商业价值不言自明。底物利用率高。固体发酵的微生物直接生长在固体基质表面或颗粒间隙中营养物质的浓度远高于液体体系。对于产酶来说SSF往往能获得更高的胞外酶浓度下游提取成本更低。产物浓度高、废水少。没有大量游离水意味着你不需要处理庞大的废液。这对环保压力大的地区来说是一个实打实的成本优势。2.2 SSF的老问题传质、传热和批次间一致性——这三个问题困扰了固体发酵几十年到现在依然是放大的核心瓶颈。传质问题固体基质中的营养物质扩散依赖水分薄膜不像液体发酵里搅拌桨一开就能均匀混合。菌丝在基质表面长得欢内部的营养可能还没被充分利用。传热问题丝状真菌是好氧的代谢过程会产热。液体发酵里靠搅拌和夹套冷却就能控温固体发酵里基质本身就是保温层热量散不出去。我在工厂见过太多案例——培养室温度设的是25℃料堆中心的温度能飙到40℃以上菌长得再好也被热死了。批次间一致性固体基质的成分天然不均匀——同一批麸皮不同袋子的含水量、粒径、营养成分都可能不同。加上接种不均匀、料层厚度差异批次间的波动是常有的事。2.3 SmF的核心优势易自动化。搅拌罐发酵的参数——温度、pH、溶氧、补料——都可以实时监测和自动调控。操作人员坐在中控室看屏幕就行不需要一铲一铲地翻料。批次稳定性好。液体体系均匀性好只要种子质量过关、培养基配方一致批次间的差异可以控制得很小。产物分离方便。胞外产物直接过滤、离心就行胞内产物破壁后也比从固体基质里提取要容易得多。2.4 怎么选我的经验是大品种大规模走SmF特色菌种区域化走SSF。如果你要做万吨级的柠檬酸、葡萄糖淀粉酶液体发酵是确定性更高的选择。但如果你做的是生物农药孢子、传统曲药、特定风味酶制剂、或者利用当地农业废弃物做特色产品固体发酵可能更合适——投资小、能耗低、对原料要求灵活。这两种路线不是谁取代谁的关系而是互补的关系。对比维度固体发酵SSF液体深层发酵SmF水分含量34%–75%90%能耗低降低约50%高搅拌、通气、冷却水耗低减少约90%高废水排放几乎无需处理产物浓度高胞外酶取决于产物自动化程度较难高批次一致性波动较大稳定性好产物分离复杂简便适用场景特色菌种、区域化生产大品种、大规模工业化三、50L中试放大实战甘蔗固体发酵产乙醇说到固体发酵的放大很多人第一反应是这东西能放大吗2025年5月发表在BioEnergy Research上的一篇论文给出了一个漂亮的回答。3.1 从3L到50L研究团队首先在3L水平旋转反应器中完成了实验室规模的优化使用整根甘蔗whole milled sugarcane为底物、酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae strain Ethanol Red®为发酵菌种。实验室条件下的最优参数接种量3%w/w、转速5 rpm、粒径8–20 mm最高乙醇浓度86.7 g/L产率达到理论最大值的90.5%。随后放大到50L水平搅拌反应器。这台中试反应器的配置是这样的不锈钢水平圆筒体、带状叶片搅拌器、转速范围5–50 rpm、支持间歇搅拌模式、夹套循环水控温。装料量6 kg碎甘蔗放大倍数15倍接种量3%w/w发酵温度35℃运行96小时。搅拌策略为每30分钟以15 rpm搅拌1分钟的间歇模式。3.2 结果放大不降效50L中试的结果相当漂亮最高乙醇浓度87.5 g/L乙醇产率6.61 g/100 g湿甘蔗达到理论最大值的97%体积产率1.75 g/L·h比实验室规模提高了49.2%更关键的是——实验室和中试规模之间在乙醇浓度和产率上没有观察到显著的统计学差异p0.05。这意味着什么意味着固体发酵的放大不是放大必然降效的魔咒。只要操作参数设计得当小试的结果是可以平移到大一点的体系里的。3.3 放大成功的几个关键因素间歇搅拌策略。50L反应器采用了每30分钟转1分钟的间歇搅拌模式而非持续搅拌。这样做的好处是既保证了底物床层的传质均匀性又避免了持续搅拌对酵母细胞的机械损伤和过高的能耗输入。研究表明在间歇搅拌条件下底物床层液相中的传质充分乙醇浓度和产率未受到负面影响。放大倍数的克制。15倍的放大倍数3L→50L在工程上是比较稳妥的。固体发酵的放大不像液体发酵那样有成熟的无量纲数放大准则比如保持KLa恒定、P/V恒定更多依赖经验。小步快跑、逐级放大是目前最务实的策略。无菌控制策略的差异。50L中试并未对甘蔗进行灭菌处理仅对反应器本身进行了蒸汽灭菌但整个发酵过程中未检测到乳酸等细菌污染代谢物——pH全程维持在4.6以下这个酸性环境足以抑制大多数细菌的生长而酵母在其已知pH范围2.5–8.5内依然保持活性。这个案例给我最大的启发是固体发酵放大不能照搬液体发酵的思路。你得顺着固体体系的特点来设计——间歇搅拌、利用低pH防腐、控制放大倍数——而不是指望一个搅拌罐解决所有问题。四、工业级SSF设备Techmi给出了什么方案2025年12月Techmi Group正式发布了其工业级水平SSF生物发酵罐产品线来源Techmi Group, 2025-12。我仔细看了他们的技术方案有几个点值得关注4.1 六大应用领域Techmi的SSF设备覆盖了六个方向生物肥料和生物农业投入品——木霉、芽孢杆菌、青霉、菌根真菌、微生物联合菌群工业酶——纤维素酶、蛋白酶、脂肪酶、果胶酶功能食品和蛋白强化——改善消化率、降低抗营养因子、提高维生素和生物活性成分菌丝蛋白植物基肉类类似物——利用SSF生产具有天然肉类纹理的菌丝蛋白抗生素和生物活性代谢物——青霉素、他汀类、天然色素、抗菌代谢物有机酸和生物燃料——柠檬酸、乳酸、琥珀酸、二代乙醇4.2 关键技术特征从工程角度看Techmi这台设备解决的是固体发酵放大的几个核心痛点工业卫生级设计这是走向食品级和药品级生产的前提。很多固体发酵还停留在开放式培养的阶段卫生级设计意味着可以在法规框架内做食品和药品。均匀温控通过反应器结构设计避免固体床层中的温度梯度——这是前面说的料堆中心温度飙升问题的工程解决方案。高级底物管理和混合系统确保发酵过程中底物的均匀性解决SSF批次间一致性差的老问题。优化的气体交换好氧发酵的生命线。固体基质中的气体交换远比液体体系复杂这点的优化直接影响菌体的生长和代谢。4.3 放大路径Techmi的产品线覆盖了从5–50L的中试设备到最大30,000L的工业生产规模并且强调从实验室到工厂的参数可重复性。这种从小试到中试到量产的完整放大路径对于固体发酵这个长期停留在手工作坊阶段的领域来说是一个重要的推动力。当然设备只是硬件工艺才是软件。有了好的反应器还需要匹配的菌种、培养基配方、接种策略、过程控制参数——这些软功夫才是真正决定固体发酵能不能放大的关键。五、真菌蛋白的产业分化两条路线两种逻辑真菌蛋白这个赛道可能是最能说明SSF和SmF各有用武之地的案例。5.1 液态路线富祥生物的工业化打法2025年11月江西富祥生物的威尼斯镰刀菌Fusarium venenatum蛋白正式获批成为中国首个丝状真菌蛋白新食品原料。2026年3月富祥生物建成全球首条10万吨级丝状真菌蛋白产线。富祥走的是典型的液态深层发酵路线发酵周期36–48小时生物量浓度50–100 g/L蛋白含量45%–60%干重核心优势易自动化控制、批次稳定性好、产物易分离富祥的技术路线有一个有意思的特点——它是从药企跨界过来的。母公司富祥股份是江西的老牌药企在化学合成和生物制造领域有深厚积累。2023年成立富祥生物后团队发现医药生物合成装置与微生物蛋白发酵工艺高度契合于是将成熟的发酵技术和纯化工艺迁移到真菌蛋白领域。目前富祥已建成年产1,200吨微生物蛋白生产线稳定运行同时加速推进年产20万吨微生物蛋白及资源综合利用项目的一期工程。一期达产后将形成年产2万吨微生物蛋白及5万吨氨基酸水溶肥的产能规模。这条路线的核心逻辑是大规模、标准化、可复制。用制药级的发酵体系来做食品级蛋白品控标准高、产能扩展快、下游应用广。5.2 固体路线Natures Fynd的差异化选择美国的Natures Fynd走的是另一条路。他们使用的菌种是Fusarium strain flavolapis——一株从黄石国家公园热泉中分离出的嗜热真菌2022年获得美国FDA的GRAS认证。Natures Fynd采用表面培养surface fermentation方式生产Fy蛋白液体培养基铺在托盘底部真菌自上而下生长形成一层致密的菌丝垫。收获时直接提起菌丝体即可培养基可以循环使用。这条SSF路线的核心优势在于资源效率能耗降低50%水耗降低90%几乎无废水排放Natures Fynd的产品形态也比较独特——Fy蛋白是一种质地光滑的蛋白糊可以加工成早餐香肠饼、奶油芝士等多种形态。2021年正式推出产品已通过直接面向消费者的渠道销售。不过需要注意的是2025年9月EFSA欧洲食品安全局对Fusarium strain flavolapis生物质的新型食品安全评估中认为现有数据不足以确立其安全性主要基于90天大鼠喂养试验中观察到的甲状腺效应以及过敏原性方面的不确定性。这说明即使是已经在美国获批的菌种进入不同市场仍需独立的安全评估。5.3 两条路线的启示富祥生物和Natures Fynd的选择不是谁好谁坏的问题而是基于各自资源禀赋和市场定位的理性决策液态路线适合什么场景大规模工业化、需要标准化品控、面向全球多个监管体系、产品形态需要灵活调整。核心投入在于发酵罐和自动化控制系统。固体路线适合什么场景中小规模、区域化生产、对水资源和环保有严格要求、产品形态相对固定。核心优势在于资源效率和可持续性叙事。全球真菌蛋白市场预计以约11%的年复合增长率从2025年的76亿美元扩张至2036年的146亿美元。这个市场足够大容得下两种技术路线共存。六、球孢白僵菌的SSF放大一个孔隙率的故事如果说甘蔗乙醇的例子展示了SSF放大的可行性那球孢白僵菌Beauveria bassiana的案例则揭示了一个更深层的工程规律。6.1 从0.5L到22L2024年9月发表在FermentationMDPI上的研究由巴塞罗那自治大学Universitat Autònoma de Barcelona的Sala团队完成将球孢白僵菌的分生孢子生产从0.5L填充床反应器成功放大到22L。研究团队的工作路径很扎实底物筛选从多种农业和食品加工废弃物中选择最优底物实验设计优化DoE在0.5L反应器中优化关键参数放大到22L使用优化后的参数进行22L批次实验与托盘反应器对比比较两种反应器配置的差异6.2 优化参数经过DoE优化确定的最佳发酵参数为水分含量70%接种浓度6.5 × 10⁶ 分生孢子/mL通气量20 mL/min温度25℃碳氮比C/N40最终选定啤酒糟beer draff作为放大实验的首选底物。6.3 核心发现空气填充孔隙率AFP是关键这是这项研究最有价值的贡献。研究团队发现在真菌固体发酵的放大过程中空气填充孔隙率Air-Filled Porosity, AFP是最关键的物理参数。在22L填充床反应器中AFP维持在约80%是真菌分生孢子正常生产的必要条件。为什么孔隙率这么重要固体发酵体系中菌丝生长在固体颗粒表面氧气需要从颗粒间隙的空气中扩散到菌丝表面。如果孔隙率太低——比如基质压得太实、水分太多把间隙填满——空气进不去菌丝就窒息了。同时代谢产生的热量也散不出去二氧化碳积累整个床层的微环境急剧恶化。80%的AFP意味着什么意味着基质床层中80%的体积是被空气占据的只有20%是固体基质和水分。这为菌丝的生长提供了充足的氧气通道和散热空间。6.4 填充床 vs 托盘反应器22L填充床反应器的分生孢子产量达到2.5 × 10⁹ 孢子/g干基质高于同等条件下的托盘反应器原因是填充床反应器更好地利用了反应器的总体积。在整个反应器高度方向上取样分析分生孢子产量、水分和pH值没有观察到显著差异证明了过程的均匀性和鲁棒性。这个研究给我最大的启发是固体发酵放大不能只盯着生物参数菌种、培养基、温度物理参数——尤其是孔隙率——可能才是决定放大成功与否的关键变量。很多固体发酵在实验室里做得很好一到中试就不行问题往往不在生物学上而在物理学的层面。七、固体发酵放大的工程哲学做了这么多年发酵回过头来看固体发酵的放大问题我觉得有几个认知很重要第一别把液体发酵的思维套到固体发酵上。液体发酵放大靠的是保持KLa、P/V等无量纲数恒定——这套逻辑在固体发酵里基本不适用。固体发酵有自己的物理规律孔隙率、水分梯度、温度场你得顺着这些规律来设计。第二小步快跑、逐级放大。50L的甘蔗乙醇案例放大倍数只有15倍22L的白僵菌案例从0.5L放大到22L倍数是44倍——但研究者明确说了下一步要放大到至少100L。不要指望一步到位。第三过程监控是短板。固体发酵最大的工程挑战之一是缺乏可靠的在线监测手段。温度只能测几个点水分没法实时监测生物量的测定更是困难——你总不能把料都掏出来称一遍。2026年1月发表的一项研究用均质化结合超声处理改进了球孢白僵菌的生物量测定方法使检测精度RSD低至3.32%–3.75%这是一个有意义的技术进步。但总体来说固体发酵的过程监控水平远落后于液体发酵。第四不要忽视发酵热的管理。2025年4月福建省林业科学研究院的团队在Applied and Environmental Microbiology上发表了一项研究首次揭示了精氨酸代谢在球孢白僵菌固体发酵产热中的关键作用——外源添加2 g/L精氨酸可使发酵温度峰值降低5.2℃P0.001孢子产量提高14.3%单位能耗减少22%。这说明发酵热的管理不仅是工程问题也可以通过代谢调控来解决。八、写在最后固体发酵是丝状真菌最自然的生长方式也是人类最古老的发酵技术之一——做酱油、做豆豉、做腐乳都是固体发酵。这门老工艺正在被新的工程思维和装备技术重新定义。Techmi的工业级设备、50L甘蔗乙醇中试的成功、填充床反应器中孔隙率这一关键参数的发现——这些进展告诉我们固体发酵不是落后的代名词而是一个有大量工程优化空间的领域。我越来越觉得丝状真菌产业化的很多突破口不在于发现什么新菌种、新基因而在于把已知的事情做到极致。固体发酵的传质、传热、过程控制——这些老问题一旦被真正解决释放出的产能和效率将是惊人的。液体发酵和固体发酵不是替代关系是互补关系。选哪条路取决于你做什么、为谁做、在什么条件下做。做发酵工程最怕的不是技术难题而是一刀切的思维。下一篇预告第5篇 制剂加工生物制造深耕30多年
一、从土办法到新宠儿在这个行业里沉淀了几十年我对固体发酵Solid-State Fermentation, SSF的感情是很复杂的。早年间固体发酵在很多同行眼里是土办法——找个托盘、铺层麸皮、接上菌种、扔进培养室剩下的交给时间。和那些动辄几十吨发酵罐、DCS控制系统、在线检测一应俱全的液体深层发酵Submerged Fermentation, SmF比起来固体发酵怎么看都不够高级。但有意思的是自然界中丝状真菌本来就是在固体基质上生长的。落叶堆里的木霉、发霉面包上的根霉、粮堆里的曲霉——你什么时候见它们在液体里长过固体基质上的丝状真菌是它最自然、最舒服的状态。这个土办法被重新审视不是没有原因的。2025年12月西班牙Techmi Group正式发布了其工业级水平SSF生物发酵罐产品线来源Techmi Group, 2025-12覆盖六大应用领域生物肥料、工业酶、功能食品、菌丝蛋白、抗生素/生物活性代谢物和有机酸。设备具备工业卫生级设计、均匀温控、高级底物管理和混合系统、优化的气体交换等关键技术指标。当一家专业发酵设备商开始认真做固体发酵设备的时候你就知道这个赛道要变了。我这篇想讲清楚三件事固体发酵和液体深层发酵到底怎么选、放大过程中的实战经验以及这两条技术路线在真菌蛋白产业里是怎么分化的。二、SSF vs SmF一场全面的对比做了这么多年被问得最多的问题就是固体发酵和液体发酵到底哪个好这个问题没有标准答案。两条路线各有优势选哪条取决于你要做什么产品、做到什么规模、愿意承受什么代价。2.1 SSF的核心优势能耗和水耗的优势是实打实的。Natures Fynd用其独有的Fusarium strain flavolapis进行表面培养生产真菌蛋白Fy Protein™官方数据显示相比传统液体发酵工艺SSF路线能耗降低50%、水耗降低90%、几乎无废水排放。在双碳背景下这组数据的商业价值不言自明。底物利用率高。固体发酵的微生物直接生长在固体基质表面或颗粒间隙中营养物质的浓度远高于液体体系。对于产酶来说SSF往往能获得更高的胞外酶浓度下游提取成本更低。产物浓度高、废水少。没有大量游离水意味着你不需要处理庞大的废液。这对环保压力大的地区来说是一个实打实的成本优势。2.2 SSF的老问题传质、传热和批次间一致性——这三个问题困扰了固体发酵几十年到现在依然是放大的核心瓶颈。传质问题固体基质中的营养物质扩散依赖水分薄膜不像液体发酵里搅拌桨一开就能均匀混合。菌丝在基质表面长得欢内部的营养可能还没被充分利用。传热问题丝状真菌是好氧的代谢过程会产热。液体发酵里靠搅拌和夹套冷却就能控温固体发酵里基质本身就是保温层热量散不出去。我在工厂见过太多案例——培养室温度设的是25℃料堆中心的温度能飙到40℃以上菌长得再好也被热死了。批次间一致性固体基质的成分天然不均匀——同一批麸皮不同袋子的含水量、粒径、营养成分都可能不同。加上接种不均匀、料层厚度差异批次间的波动是常有的事。2.3 SmF的核心优势易自动化。搅拌罐发酵的参数——温度、pH、溶氧、补料——都可以实时监测和自动调控。操作人员坐在中控室看屏幕就行不需要一铲一铲地翻料。批次稳定性好。液体体系均匀性好只要种子质量过关、培养基配方一致批次间的差异可以控制得很小。产物分离方便。胞外产物直接过滤、离心就行胞内产物破壁后也比从固体基质里提取要容易得多。2.4 怎么选我的经验是大品种大规模走SmF特色菌种区域化走SSF。如果你要做万吨级的柠檬酸、葡萄糖淀粉酶液体发酵是确定性更高的选择。但如果你做的是生物农药孢子、传统曲药、特定风味酶制剂、或者利用当地农业废弃物做特色产品固体发酵可能更合适——投资小、能耗低、对原料要求灵活。这两种路线不是谁取代谁的关系而是互补的关系。对比维度固体发酵SSF液体深层发酵SmF水分含量34%–75%90%能耗低降低约50%高搅拌、通气、冷却水耗低减少约90%高废水排放几乎无需处理产物浓度高胞外酶取决于产物自动化程度较难高批次一致性波动较大稳定性好产物分离复杂简便适用场景特色菌种、区域化生产大品种、大规模工业化三、50L中试放大实战甘蔗固体发酵产乙醇说到固体发酵的放大很多人第一反应是这东西能放大吗2025年5月发表在BioEnergy Research上的一篇论文给出了一个漂亮的回答。3.1 从3L到50L研究团队首先在3L水平旋转反应器中完成了实验室规模的优化使用整根甘蔗whole milled sugarcane为底物、酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae strain Ethanol Red®为发酵菌种。实验室条件下的最优参数接种量3%w/w、转速5 rpm、粒径8–20 mm最高乙醇浓度86.7 g/L产率达到理论最大值的90.5%。随后放大到50L水平搅拌反应器。这台中试反应器的配置是这样的不锈钢水平圆筒体、带状叶片搅拌器、转速范围5–50 rpm、支持间歇搅拌模式、夹套循环水控温。装料量6 kg碎甘蔗放大倍数15倍接种量3%w/w发酵温度35℃运行96小时。搅拌策略为每30分钟以15 rpm搅拌1分钟的间歇模式。3.2 结果放大不降效50L中试的结果相当漂亮最高乙醇浓度87.5 g/L乙醇产率6.61 g/100 g湿甘蔗达到理论最大值的97%体积产率1.75 g/L·h比实验室规模提高了49.2%更关键的是——实验室和中试规模之间在乙醇浓度和产率上没有观察到显著的统计学差异p0.05。这意味着什么意味着固体发酵的放大不是放大必然降效的魔咒。只要操作参数设计得当小试的结果是可以平移到大一点的体系里的。3.3 放大成功的几个关键因素间歇搅拌策略。50L反应器采用了每30分钟转1分钟的间歇搅拌模式而非持续搅拌。这样做的好处是既保证了底物床层的传质均匀性又避免了持续搅拌对酵母细胞的机械损伤和过高的能耗输入。研究表明在间歇搅拌条件下底物床层液相中的传质充分乙醇浓度和产率未受到负面影响。放大倍数的克制。15倍的放大倍数3L→50L在工程上是比较稳妥的。固体发酵的放大不像液体发酵那样有成熟的无量纲数放大准则比如保持KLa恒定、P/V恒定更多依赖经验。小步快跑、逐级放大是目前最务实的策略。无菌控制策略的差异。50L中试并未对甘蔗进行灭菌处理仅对反应器本身进行了蒸汽灭菌但整个发酵过程中未检测到乳酸等细菌污染代谢物——pH全程维持在4.6以下这个酸性环境足以抑制大多数细菌的生长而酵母在其已知pH范围2.5–8.5内依然保持活性。这个案例给我最大的启发是固体发酵放大不能照搬液体发酵的思路。你得顺着固体体系的特点来设计——间歇搅拌、利用低pH防腐、控制放大倍数——而不是指望一个搅拌罐解决所有问题。四、工业级SSF设备Techmi给出了什么方案2025年12月Techmi Group正式发布了其工业级水平SSF生物发酵罐产品线来源Techmi Group, 2025-12。我仔细看了他们的技术方案有几个点值得关注4.1 六大应用领域Techmi的SSF设备覆盖了六个方向生物肥料和生物农业投入品——木霉、芽孢杆菌、青霉、菌根真菌、微生物联合菌群工业酶——纤维素酶、蛋白酶、脂肪酶、果胶酶功能食品和蛋白强化——改善消化率、降低抗营养因子、提高维生素和生物活性成分菌丝蛋白植物基肉类类似物——利用SSF生产具有天然肉类纹理的菌丝蛋白抗生素和生物活性代谢物——青霉素、他汀类、天然色素、抗菌代谢物有机酸和生物燃料——柠檬酸、乳酸、琥珀酸、二代乙醇4.2 关键技术特征从工程角度看Techmi这台设备解决的是固体发酵放大的几个核心痛点工业卫生级设计这是走向食品级和药品级生产的前提。很多固体发酵还停留在开放式培养的阶段卫生级设计意味着可以在法规框架内做食品和药品。均匀温控通过反应器结构设计避免固体床层中的温度梯度——这是前面说的料堆中心温度飙升问题的工程解决方案。高级底物管理和混合系统确保发酵过程中底物的均匀性解决SSF批次间一致性差的老问题。优化的气体交换好氧发酵的生命线。固体基质中的气体交换远比液体体系复杂这点的优化直接影响菌体的生长和代谢。4.3 放大路径Techmi的产品线覆盖了从5–50L的中试设备到最大30,000L的工业生产规模并且强调从实验室到工厂的参数可重复性。这种从小试到中试到量产的完整放大路径对于固体发酵这个长期停留在手工作坊阶段的领域来说是一个重要的推动力。当然设备只是硬件工艺才是软件。有了好的反应器还需要匹配的菌种、培养基配方、接种策略、过程控制参数——这些软功夫才是真正决定固体发酵能不能放大的关键。五、真菌蛋白的产业分化两条路线两种逻辑真菌蛋白这个赛道可能是最能说明SSF和SmF各有用武之地的案例。5.1 液态路线富祥生物的工业化打法2025年11月江西富祥生物的威尼斯镰刀菌Fusarium venenatum蛋白正式获批成为中国首个丝状真菌蛋白新食品原料。2026年3月富祥生物建成全球首条10万吨级丝状真菌蛋白产线。富祥走的是典型的液态深层发酵路线发酵周期36–48小时生物量浓度50–100 g/L蛋白含量45%–60%干重核心优势易自动化控制、批次稳定性好、产物易分离富祥的技术路线有一个有意思的特点——它是从药企跨界过来的。母公司富祥股份是江西的老牌药企在化学合成和生物制造领域有深厚积累。2023年成立富祥生物后团队发现医药生物合成装置与微生物蛋白发酵工艺高度契合于是将成熟的发酵技术和纯化工艺迁移到真菌蛋白领域。目前富祥已建成年产1,200吨微生物蛋白生产线稳定运行同时加速推进年产20万吨微生物蛋白及资源综合利用项目的一期工程。一期达产后将形成年产2万吨微生物蛋白及5万吨氨基酸水溶肥的产能规模。这条路线的核心逻辑是大规模、标准化、可复制。用制药级的发酵体系来做食品级蛋白品控标准高、产能扩展快、下游应用广。5.2 固体路线Natures Fynd的差异化选择美国的Natures Fynd走的是另一条路。他们使用的菌种是Fusarium strain flavolapis——一株从黄石国家公园热泉中分离出的嗜热真菌2022年获得美国FDA的GRAS认证。Natures Fynd采用表面培养surface fermentation方式生产Fy蛋白液体培养基铺在托盘底部真菌自上而下生长形成一层致密的菌丝垫。收获时直接提起菌丝体即可培养基可以循环使用。这条SSF路线的核心优势在于资源效率能耗降低50%水耗降低90%几乎无废水排放Natures Fynd的产品形态也比较独特——Fy蛋白是一种质地光滑的蛋白糊可以加工成早餐香肠饼、奶油芝士等多种形态。2021年正式推出产品已通过直接面向消费者的渠道销售。不过需要注意的是2025年9月EFSA欧洲食品安全局对Fusarium strain flavolapis生物质的新型食品安全评估中认为现有数据不足以确立其安全性主要基于90天大鼠喂养试验中观察到的甲状腺效应以及过敏原性方面的不确定性。这说明即使是已经在美国获批的菌种进入不同市场仍需独立的安全评估。5.3 两条路线的启示富祥生物和Natures Fynd的选择不是谁好谁坏的问题而是基于各自资源禀赋和市场定位的理性决策液态路线适合什么场景大规模工业化、需要标准化品控、面向全球多个监管体系、产品形态需要灵活调整。核心投入在于发酵罐和自动化控制系统。固体路线适合什么场景中小规模、区域化生产、对水资源和环保有严格要求、产品形态相对固定。核心优势在于资源效率和可持续性叙事。全球真菌蛋白市场预计以约11%的年复合增长率从2025年的76亿美元扩张至2036年的146亿美元。这个市场足够大容得下两种技术路线共存。六、球孢白僵菌的SSF放大一个孔隙率的故事如果说甘蔗乙醇的例子展示了SSF放大的可行性那球孢白僵菌Beauveria bassiana的案例则揭示了一个更深层的工程规律。6.1 从0.5L到22L2024年9月发表在FermentationMDPI上的研究由巴塞罗那自治大学Universitat Autònoma de Barcelona的Sala团队完成将球孢白僵菌的分生孢子生产从0.5L填充床反应器成功放大到22L。研究团队的工作路径很扎实底物筛选从多种农业和食品加工废弃物中选择最优底物实验设计优化DoE在0.5L反应器中优化关键参数放大到22L使用优化后的参数进行22L批次实验与托盘反应器对比比较两种反应器配置的差异6.2 优化参数经过DoE优化确定的最佳发酵参数为水分含量70%接种浓度6.5 × 10⁶ 分生孢子/mL通气量20 mL/min温度25℃碳氮比C/N40最终选定啤酒糟beer draff作为放大实验的首选底物。6.3 核心发现空气填充孔隙率AFP是关键这是这项研究最有价值的贡献。研究团队发现在真菌固体发酵的放大过程中空气填充孔隙率Air-Filled Porosity, AFP是最关键的物理参数。在22L填充床反应器中AFP维持在约80%是真菌分生孢子正常生产的必要条件。为什么孔隙率这么重要固体发酵体系中菌丝生长在固体颗粒表面氧气需要从颗粒间隙的空气中扩散到菌丝表面。如果孔隙率太低——比如基质压得太实、水分太多把间隙填满——空气进不去菌丝就窒息了。同时代谢产生的热量也散不出去二氧化碳积累整个床层的微环境急剧恶化。80%的AFP意味着什么意味着基质床层中80%的体积是被空气占据的只有20%是固体基质和水分。这为菌丝的生长提供了充足的氧气通道和散热空间。6.4 填充床 vs 托盘反应器22L填充床反应器的分生孢子产量达到2.5 × 10⁹ 孢子/g干基质高于同等条件下的托盘反应器原因是填充床反应器更好地利用了反应器的总体积。在整个反应器高度方向上取样分析分生孢子产量、水分和pH值没有观察到显著差异证明了过程的均匀性和鲁棒性。这个研究给我最大的启发是固体发酵放大不能只盯着生物参数菌种、培养基、温度物理参数——尤其是孔隙率——可能才是决定放大成功与否的关键变量。很多固体发酵在实验室里做得很好一到中试就不行问题往往不在生物学上而在物理学的层面。七、固体发酵放大的工程哲学做了这么多年发酵回过头来看固体发酵的放大问题我觉得有几个认知很重要第一别把液体发酵的思维套到固体发酵上。液体发酵放大靠的是保持KLa、P/V等无量纲数恒定——这套逻辑在固体发酵里基本不适用。固体发酵有自己的物理规律孔隙率、水分梯度、温度场你得顺着这些规律来设计。第二小步快跑、逐级放大。50L的甘蔗乙醇案例放大倍数只有15倍22L的白僵菌案例从0.5L放大到22L倍数是44倍——但研究者明确说了下一步要放大到至少100L。不要指望一步到位。第三过程监控是短板。固体发酵最大的工程挑战之一是缺乏可靠的在线监测手段。温度只能测几个点水分没法实时监测生物量的测定更是困难——你总不能把料都掏出来称一遍。2026年1月发表的一项研究用均质化结合超声处理改进了球孢白僵菌的生物量测定方法使检测精度RSD低至3.32%–3.75%这是一个有意义的技术进步。但总体来说固体发酵的过程监控水平远落后于液体发酵。第四不要忽视发酵热的管理。2025年4月福建省林业科学研究院的团队在Applied and Environmental Microbiology上发表了一项研究首次揭示了精氨酸代谢在球孢白僵菌固体发酵产热中的关键作用——外源添加2 g/L精氨酸可使发酵温度峰值降低5.2℃P0.001孢子产量提高14.3%单位能耗减少22%。这说明发酵热的管理不仅是工程问题也可以通过代谢调控来解决。八、写在最后固体发酵是丝状真菌最自然的生长方式也是人类最古老的发酵技术之一——做酱油、做豆豉、做腐乳都是固体发酵。这门老工艺正在被新的工程思维和装备技术重新定义。Techmi的工业级设备、50L甘蔗乙醇中试的成功、填充床反应器中孔隙率这一关键参数的发现——这些进展告诉我们固体发酵不是落后的代名词而是一个有大量工程优化空间的领域。我越来越觉得丝状真菌产业化的很多突破口不在于发现什么新菌种、新基因而在于把已知的事情做到极致。固体发酵的传质、传热、过程控制——这些老问题一旦被真正解决释放出的产能和效率将是惊人的。液体发酵和固体发酵不是替代关系是互补关系。选哪条路取决于你做什么、为谁做、在什么条件下做。做发酵工程最怕的不是技术难题而是一刀切的思维。下一篇预告第5篇 制剂加工生物制造深耕30多年
