高曝氧发酵罐模拟饲养昆虫养殖模式探索

（昆虫）黑水虻的特点：
1.幼虫腐食性，成虫寿命短，不携带病菌，不骚扰民居，不是任何形式的农业害虫或卫生害虫，具有天然的环境安全特性；
2.幼虫食性杂，取食量大，取食范围广泛，几乎可以取食所有软性的固体有机质，并对实物中的盐、油、辣椒、调味品等不敏感
3.喜好取食新鲜的有机质，因此固体有机废弃物不需要发酵处理；
4.抗逆性强，能够适应宽泛的环境条件；
5.成虫集中产卵、生活史可塑性强、周期长短适宜、明显的诱导趋性等特性使黑水虻的大量繁殖及生物处理工艺的可设计余地大、可操作性强；
6.营养价值丰富，富含具有开发潜力的生物活性成份，具有良好的经济预期。

缺点：

1、尚未可以大规模机械化立体化养殖，单位处理面积处理量有限，产率过低，投入产出比过低；

2、养殖场条件简陋，大多在偏远农村进行养殖，不具备工业化生产基础条件；

3、养殖占地面积大，养殖气味过大；

4、烘干能耗高，产品市场价格敏感。

近日在一些微信群看到一些朋友的新设想新实验，因此也和大家分享一下，希望大家有所益。

如何通过发酵罐高密度立体养殖昆虫幼体。

所谓的昆虫处理有机垃圾过程无非是人为提供一个适宜昆虫体进行生长需求养殖环境，让昆虫体能够以最快最合理的方式进行进食过程。因此，我们则需要去考虑昆虫体生长所需的各个因素进行组合即可。

温度对发酵罐养虫的影响及其控制

一、温度对昆虫体的影响

昆虫体它们的最适生长温度一般在25～40℃。

温度会影响昆虫体内及体外微生物及各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向，影响昆虫体的代谢调控机制。影响发酵液养殖昆虫的理化性质，进而影响罐内力学特性和产物的生物合成速度。

在发酵过程中，需要维持适当的温度，才能使昆虫体生长和代谢产物的合成顺利进行，从而达到最快的处理有机废弃物速率。

二、影响发酵温度变化的因素

产热因素：生物热（Q生物）、搅拌热（Q搅拌）

散热因素：蒸发热（Q蒸发）、辐射热（Q辐射）、显热（Q显）

发酵罐体热（Q发酵）是发酵温度变化的主要因素。

Q发酵罐体＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q辐射－Q显

为了使发酵能在一定温度下进行，要设法进行控制。

由于Q生物、Q蒸发和Q显，特别是Q生物在发酵过程中随时间变化，因此发酵热在整个发酵过程中也随时间变化，引起发酵温度发生波动。

三、温度的控制

1、最适温度的选择

在生长阶段，应选择最适生长温度；

在原料处理阶段，应选择最适处理温度。

发酵温度可根据不同种昆虫、不同原料处理进行选择。

2、温度的控制

规模化高密度生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热，因昆虫体摩擦中释放了大量的生物热，需要冷却的情况较多。

利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇行管中，通过热交换来降温，保持恒温发酵。

如果气温较高（特别是我国南方的夏季气温），冷却水的温度又高，致使冷却效果很差，达不到预定的温度，就可采用冷冻盐水进行循环式降温，以迅速降到最适温度。因此大工厂需要建立冷冻站，提高冷却能力，以保证在正常温度下进行发酵。

pH值对发酵的影响及其控制

一、pH值对昆虫体的影响

1、影响酶的活性，当pH值抑制昆虫体中某些酶的活性时，会阻碍昆虫体的新陈代谢；

2、影响昆虫体壁所带电荷的状态，改变外壳的通透性，影响昆虫体对营养物的吸收和代谢产物的排泄；

3、影响培养基中某些组分的解离，进而昆虫体对这些成分的吸收；

4、pH值不同，往往引起代谢过程的不同，使昆虫体的质量和比例发生改变。

二、发酵过程pH值的变化

在发酵过程中，随着昆虫体对培养基中碳、氮源的利用，随着有机酸和氨基酸的积累，会使pH值产生一定的变化。

1、生长阶段：昆虫体产生蛋白酶水解培养基中的蛋白质，生成铵离子，使pH上升至碱性；随着昆虫体重量增大，铵离子的消耗也增多，另外糖利用过程中有机酸的积累使pH值下降。

2、生产阶段：这个阶段pH值趋于稳定。

3、成熟阶段：随着养分的耗尽，昆虫体蛋白酶的活跃，培养液中氨基氮增加，致使pH又上升，此时昆虫体趋于成熟而代谢活动终止。

由此可见，在适合于昆虫体生长及合成产物的环境条件下，菌体本身具有一定的调节pH的能力，但是当外界条件变化过于剧烈，昆虫体就失去了大环境pH调节能力，培养液的pH就会波动。

三、引起发酵液pH值异常波动的因素

pH值的变化决定于所用的菌种、昆虫品种、培养基的成分和培养条件。

1、pH下降：

（1）培养基中碳、氮比例不当。碳源过多，特别是葡萄糖过量，或者中间补糖过多加上溶氧不足，致使有机酸大量积累而pH下降；

（2）消泡剂加得过多；

（30生理酸性物质的存在，铵被利用，pH下降。

2、pH上升：

（1）培养基中碳、氮比例不当。氮源过多，氨基氮释放，使pH上升；

（2）生理碱性物质存在；

（3）中间补料氨水活尿素等碱性物质加入过多。

四、发酵pH值的确定和控制

1、发酵pH值的确定

昆虫体养殖的最适pH值范围一般是在6～8之间。

最适pH值是根据实验结果来确定的。

将发酵培养基调节成不同的出发pH值，进行发酵，在发酵过程中，定时测定和调节pH值，以分别维持出发pH值，或者利用缓冲液来配制培养基来维持。

到时观察昆虫体的生长情况，以昆虫体生长达到最高值的pH值为菌体生长的合适pH值。

2、pH值的控制

（1）首先考虑和试验发酵培养基的基础配方，使它们有个适当的配比，使发酵过程中的pH值变化在合适的范围内。

（2）在发酵过程中直接补加酸或碱和补料的方式来控制；补充生理酸性物质（如(NH4)2SO4）和生理碱性物质（如NaNO3）来控制。

溶解氧对发酵的影响及其控制

一、溶解氧对发酵的影响

在罐体养殖过程中，影响耗氧的因素有以下几方面：

1、培养基的成分和浓度

2、昆虫日龄

3、发酵条件

二、溶解氧浓度的控制

在供氧方面，主要是设法提高氧传递的推动力和液相体积氧传递系数。

1、调节搅拌转速或通气速率来控制供氧；

2、控制补料速度来控制基质的浓度，从而达到最适的菌体浓度，保证产物的比生长速率维持在最大值，又不会使需氧大于供氧。

3、采用调节温度（降低培养温度可提高溶氧浓度）、液化培养基、中间补水、添加表面活性剂等工艺措施，来改善溶氧水平。

4、纳米曝氧促进液相含氧率，更大程度为昆虫体提供液相生长环境。

昆虫体密度和基质对生长速率的影响及其控制

一、昆虫体密度对生长速率的影响及控制

昆虫体重密度比【简称虫重密比】是指单位体积培养液中昆虫个体数量及重量。

虫重密比的大小，在一定条件下，不仅反映虫个体的多少，而且反映昆虫体生理特性不完全相同的分化阶段。

依靠调节培养基的浓度来控制虫重密比。

首先确定基础培养基配方中有个适当的配比，避免产生过浓（或过稀）的虫体数量。

然后通过中间补料来控制，如当昆虫体生长缓慢、虫重密比远小于1时，则可补加一部分原料，促进生长，提高系数；但补加过多，则会使虫体过分生长，超过临界浓度，对虫体密度抑制作用，则需调节。

利用代谢产生的CO2量来控制生产过程的补糖量，以控制虫体的生长和浓度。

补料的控制

补料分批培养（fed-batch culture，简称FBC），是指在分批培养过程中，间歇或连续地补加一种或多种成分的新鲜培养基的培养方法，是分批培养和连续培养之间的一种过渡培养方式，是一种控制发酵的好方法。

一、补料分批培养（FBC）的优点

1、可以解除底物抑制、产物反馈抑制和分解代谢物的阻遏；

2、可以避免在分批发酵中因一次投料过多造成虫体大量生长所引起的影响，改善发酵流变学的性质；

3、可用作控制虫体重量的手段，以提高养殖密度；

4、可作为理论研究的手段，为自动控制和最优控制提供实验基础。

二、补料方式及控制

1、连续流加、不连续流加、多周期流加

2、快速流加、恒速流加、指数速率流加、变速流加

3、单组分流加、多组分流加

泡沫对发酵的影响及其控制

一、泡沫的形成及其对发酵的影响

1、形成

在大多数发酵过程中，通气、搅拌以及代谢气体的逸出，再加上培养基中糖、蛋白质、代谢物等表面活性剂的 存在，培养液中就形成了泡沫。

泡沫的多少与搅拌、通风、培养基性质有关。

蛋白质原料如蛋白胨、玉米浆、黄豆粉、酵母粉等是主要的发泡剂。

糊精含量多也引起泡沫的形成。

当发酵感染杂菌和噬菌体时，泡沫异常多。

2、少量泡沫的作用：

一定数量的泡沫是正常现象，可以增加气液接触面积，导致氧传递速率增加；

3、大量的泡沫引起许多负作用：

（1）发酵罐的装料系数减少、氧传递系统减小；

（2）增加了虫体生长的非均一性；

（3）造成大量逃液，增加染菌机会；

（4）严重时通气搅拌无法进行，虫体呼吸受到阻碍，导致代谢异常或虫体死亡；

（5）消泡剂的添加将给提取工序带来困难。

二、泡沫的消除

1、调整培养基中的成分（如少加或缓加易起泡的原料）或改变某些物理化学参数（如pH值、温度、通气和搅拌）或者改变发酵工艺（如采用分次投料）来控制，以减少泡沫形成的机会。

2、采用菌种选育的方法，筛选不产生流态泡沫的菌种，来消除起泡的内在因素。

3、采用机械消泡或消泡剂来消除已形成的泡沫。

（1）机械消泡

物理消泡方法，利用机械强烈振动或压力变化而使泡沫破裂。

优点：节省原料，减少染菌机会。

缺点：消泡效果不理想，仅可作为消泡的辅助方法。

（2）消泡剂消泡

A、消泡剂的作用：

降低泡沫液膜的机械强度；

降低液膜的表面黏度；

兼有两者的作用，达到破裂泡沫的目的。

B、作为生物工业理想的消泡剂，应具备下列条件：

应该在气－液界面上具有足够大的铺展系数，才能迅速发挥消泡作用，这就要求消泡剂有一定的亲水性；

应该在低浓度时具有消泡活性；

应该具有持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫；

应该对微生物、人类和昆虫体无毒性；

不会在使用、运输中引起任何危害；

应该对氧传递不产生影响；

能耐高温灭菌。

C、常用的消泡剂有4大类（以天然油脂类和聚醚类在生物发酵中最为常用）：

天然油脂类：

豆油、玉米油、棉籽油、菜籽油和猪油等。

油不仅用作消泡剂，还可作为碳源和发酵控制的手段。

在发酵中，要控制油的质量、新鲜程度，并要进行发酵试验检验。

脂肪酸和酯类：

聚醚类：

聚醚类消泡剂品种很多，它们是氧化丙稀或氧化丙稀和环氧乙烷与甘油聚合而成的聚合物。

聚氧丙稀甘油（GP型）——氧化丙稀和甘油聚合；亲水性差，在发泡介质中的溶解度小，所以用于稀薄发酵液中要比用于粘稠发酵液中的效果好；抑泡性能比消泡性能好，适宜用于基础培养基中，以抑制泡沫的产生。

聚氧乙烯氧丙稀甘油（GPE型，泡敌）——氧化丙稀、环氧乙烷与甘油聚合；亲水性好，在发泡介质中易铺展，消泡能力强，作用快，溶解度大，消泡活性维持时间短，用于粘稠发酵液的效果比用于稀薄的好。

硅酮类：

D、应用消泡剂时的增效方法：

加载体增效：即用惰性载体（如矿物油、植物油等）使消泡剂溶解分散，达到增效的目的；

消泡剂并用增效：取各种消泡剂的优点进行互补，达到增效（如GP和GPE 1:1混合使用于土霉素发酵，结果比单独使用GP的效力提高2倍）；

乳化消泡剂增效：用乳化剂（或分散剂）将消泡剂制成乳剂，以提高分散能力，增强消泡效力（如用吐温-80制成的乳剂，用于庆大霉素发酵，效力提高1～2倍），一般只适用于亲水性差的消泡剂。

在生产过程中，消泡的效果除了与消泡剂的种类、性质、分子量大小、消泡剂亲油亲水基团等密切香港外，还与消泡剂使用时加入方法、使用浓度、温度等有很大关系，应结合生产实际加以注意和解决。

发酵终点的判断

一、经济因素

以最低的成本来获得最大生产能力的时间为最适发酵时间。

二、产品质量因素

三、特殊因素

1、在正常情况下，可根据作业计划，按时放罐；

2、在异常情况下，如染菌、代谢异常（糖耗缓慢等），就应根据不同情况，进行适当处理，以免倒罐。

3、为了能够得到尽量多的产物，应该及时采取措施（如改变温度或补充营养等），并适当提前或拖后放罐时间。

发酵过程检测与自控

电子计算机的使用，为发酵过程的检测和自控注入了巨大的活力。

一、检测方法：物理测量（如温度、压力、体积、流量等）、物理化学测量（pH值、溶氧、溶CO2、氧化还原电位、气相成分等）、化学测量（基质、前体、产物等的浓度）、生物学和生物化学测量（生物量、细胞形态、酶活性、胞内成分等）。

二、发酵过程自控

根据对过程变量的有效测量及对过程变化规律的认识，借助于由自动化仪表和电子计算机组成的控制器，操纵其中一些关键变量，使过程向着预定的目标发展。

包括：

1、和过程的未来状态相联系的控制目的或目标（如要求控制的温度、pH值、生物量浓度等）；

2、一组可供选择的控制动作（如阀门的开、关，泵的开、停等）；

3、一种能够预测控制动作对过程状态影响的模型（如用加入基质的浓度和速率控制细胞生长率时需要能表达它们之间相关关系的数学式）。

这三者相互联系、相互制约，组成具有特定自控功能的自控系统。