1、第一節 概述 一、固態發酵的定義 一切使用不溶性固體基質來培養微生物的工藝過程，稱為固體基質發酵（solid substrate fermentation） 固體懸浮在液體中的深層發酵固態發酵 沒有（或幾乎沒有）游離水的濕固體材料上培養微生物的工藝過程。 7/18/2022180固態發酵的定義 是指沒有或幾乎沒有自由水存在下，在有一定濕度的水不溶性固態基質中，用一種或多種微生物的一個生物反應過程，因此固態發酵是以氣相為連續相的生物反應過程。 7/18/2022280二、固態發酵的特點 1、固態發酵培養基中沒有游離水的流動，水是培養基中較低的組分。培養基中水活度在0.99以下，適宜于水活度在0.

2、930.98的微生物生長，限制了應用范圍，同時也限制了某些雜菌的生長。2、微生物從濕的固態基質吸收營養物，營養物濃度存在梯度，發酵不均勻，菌體的生長、對營養物的吸收和代謝產物的分泌存在不均勻。 7/18/20223803、固態發酵中培養基提供的與氣體的接觸面積要比液體深層發酵中與氣泡的接觸面積大得多，供氧更充足，同時，空氣通過固體層得阻力較小，能量消耗低。4、使用固體原料，在發酵過程中，糖化和發酵過程同時進行，簡化操作工序，節約能耗。5、高底物濃度可以產生高的產物濃度。6、由于產物濃度高，提取工藝簡單可控，沒有大量有機廢液產生，但提取物含有底物成分。7、生產機械化程度較低，缺乏在線傳感儀器，過

3、程控制較困難。7/18/2022480三、固態發酵的分類 1、自然富集固態發酵2、強化微生物混合固態發酵3、限定微生物混合固態發酵4、單菌固態純種發酵7/18/2022580自然富集固態發酵是指利用自然界中微生物，由不斷演替的微生物進行的富集混合發酵過程。例如傳統的酒曲、醬油和堆肥發酵等，不需要接種微生物，而是依賴空氣和物料中的自然微生物區系，由多種微生物演替成最適于生長代謝或共同協作的小生態環境。7/18/20226802、強化微生物混合固態發酵是指在自然富集固態發酵的基礎上，根據人們部分掌握的微生物代謝機制，強化接種微生物菌系不明確的富集培養物或特定微生物培養物所進行的混合發酵，例如沼氣發

4、酵、白酒發酵及廢物發酵降解處理等。 7/18/20227803、限定微生物混合固態發酵是在對微生物相互作用和群落認識的基礎上，接種混合培養的微生物是已知和確定的，通常使用兩種或兩種以上經過分離純化的微生物純種，同時或先后接種在滅菌的培養基中，在無污染條件下進行的固態發酵過程。7/18/20228804、單菌固態純種發酵是在純種培養基礎上建立起來的，采用已知的單一微生物菌種，接種在滅菌的固態培養基中，在無菌條件下進行的固態發酵過程。它對于擴大固態發酵的應用范圍和潛力的發揮起到非常重要的作用，是固態發酵的重要方向。7/18/2022980四、固態發酵反應器 1、靜態固態發酵反應器 塔柱式（圖4-1

5、） 7/18/20221080淺盤式（圖4-2） 1淺盤室；2水閥門；3紫外燈管；4，8，13空氣閥門；5，11空氣過濾器；6排氣口；7加濕器；9加熱器；10空氣循環；12進氣口；14淺盤；15淺盤架 7/18/20221180園盤固體發酵機 7/18/20221280強制通風物料靜態反應器（圖4-3） 1發酵罐；2空氣調節閥門；3空氣溫度傳感器；4濕度傳感器；5排氣閥；6溫度控制；7加濕器；8冷卻盤管；9加熱器；LP液面探針；RH相對濕度調節器7/18/20221380 圖44 強制通風填充床反應器 7/18/20221480圖45 Koji工業制曲設備1曲室；2多孔板；3旋轉機；4，11卸

6、料螺桿機；5空氣調節器；6鼓風機；7排氣管；8調節閥；9空氣過濾器；10裝料機；12控制臺 7/18/202215802、動態固態發酵反應器（1）轉鼓式 7/18/20221680（2）帶機械攪拌的筒柱式 圖47 攪拌式固態發酵反應器 1攪拌架電機；2攪拌槳電機；3接種和噴水口；4溫度傳感器；5測重儀；6濕度傳感器；7冷卻器；8濕度調節器；9空氣流量器；10鼓風機；11加熱器；12空氣過濾器；13空氣冷卻器7/18/20221780滾筒發酵機7/18/20221880（3）流化床反應器 7/18/20221980粉劑硫化床7/18/20222080（4）塔式反應器7/18/20222180脫氯

7、塔7/18/20222280一酸塔7/18/20222380五、固態發酵發展趨勢和應用前景 固態發酵可利用多種工農業殘渣作為底物大量生產化學物質，在有機酸、酒精、單細胞蛋白、蘑菇、酶制劑、生物活性物質及風味物質等，盡管上述研究有的還處在實驗室研究階段，但固態發酵被認為是可再生性資源綜合利用最有希望的途徑，是解決當前人類所面臨的“三大”危機的一個有效手段。當前，許多工農業殘渣、城市生活垃圾已成為人們的社會公害，對人類的生存環境均產生不利的影響。 7/18/20222480第二節 固態發酵過程的控制一、固態發酵微生物及生長機制 1、適合固態發酵微生物特征 能夠利用多糖的混合物；有完整的酶系，可以迅

8、速從對某一種多糖的代謝轉為對另一種多糖的代謝；能夠深入到料層中，也能穿入基質細胞內；在發酵過程中以菌絲形式生長，而不易孢子化；生長迅速，染菌概率小；可以在含水量低的基質中生長；能夠耐受高濃度的營養鹽；可以耐受基質預處理過程中產生的苯類等有毒物質。 7/18/202225802、界面作用（1）營養物在界面上的富集 （2）界面分布的微生物 （3）微生物界面效應的意義7/18/202226803、固態基質中絲狀微生物的生長 絲狀真菌的生長是以其頂端延長的方式進行的，頂端之后的菌絲只能變厚而不能伸長；在生長過程中又靠頂端延伸的方式產生繁茂的分枝而構成真菌的菌落，可見真菌的生長主要表現在菌絲頂端的生長。

9、 外層是不定形的組分，主要是蛋白質、甘露聚糖和葡聚糖；內層是定形的，由幾丁質、纖維素或二者組成的微纖。頂部后面堅硬的細胞壁和復雜的分支系統使得菌絲牢固地固定在底物上，并產生強大的內壓使頂部延伸有了動力。 7/18/202227804、固態基質中細菌和酵母菌的生長 自然漚肥 ：濕潤的有機物被一系列微生物所分解，其中，由于嗜熱芽孢桿菌的代謝活動，在木質纖維素類物質的分解過程中，會產生大量的代謝熱，導致培養基內溫度高達60以上。 飼料的青貯 ：是由細菌參與的自然固態發酵過程，尤其是在發酵過程的后期，隨著發酵過程的進行，體系的pH值降低，同時培養基內局部的氧被耗盡，造成培養基內變成厭氧環境，從而抑制了

10、真菌的生長。 7/18/20222880納豆 ：是日本的一種風味食品，它主要是由枯草芽孢桿菌發酵蒸煮過的大豆而制成。 在嚴格無菌條件下，細菌被越來越多地用于固態發酵過程，如利用芽孢桿菌(Bacillus spp)發酵麩皮生產淀粉酶等。 7/18/20222980利用酵母菌的純種固態發酵果皮及其他廢棄物產酒精，也愈來愈引起人們的重視。 在淀粉類物質為底物的同步糖化發酵過程中，淀粉酶和酵母菌被同時引入固態發酵系統，酵母菌的存在還有利于提高發酵產品中的蛋白質含量。 7/18/20223080二、固態發酵基質原料玉米秸稈、玉米芯、小麥秸稈、水稻秸稈、麩皮、稻殼、玉米、大米、小米、大豆、甘蔗渣、酒糟、木

11、薯、玉米皮渣等。 為了使底物更容易被微生物利用，經常對底物進行化學或機械物理處理，如采用酸、堿進行化學水解處理或采用爆碎、粉碎、研磨等物理處理。 7/18/20223180固體發酵基質原料影響微生物生長的因素（1）固體基質的大分子結構（2）顆粒大小影響微生物的生長（3）顆粒形狀（4）顆粒的多孔性（5）顆粒均勻性及硬度7/18/20223280固態發酵基質的差異性 （1）復雜的，非均一的基質結構。 （2）基質的不同批次之間的差異。 （3）發酵基質混合上的困難。 （4）微生物在基質顆粒間活力的不均勻性。 7/18/20223380三、影響固態發酵過程的主要參數1、濕度與水活度 2、溫度與熱量傳遞3

12、、通氣與傳質過程4、pH值7/18/20223480第三節 固態發酵技術 一、混合固態發酵技術（一）混合固態發酵概念混合發酵(mixed fermentation) ： 許多發酵過程是純菌株無法完成或只能微弱地進行的，必須依靠兩種或多種微生物共同培養來完成的過程 如傳統酒曲和醬曲、腌菜、煙草發酵、茶葉發酵、青貯、堆肥等。 7/18/20223580強化微生物混合固態發酵(intensified mixed solid-state fermentation) 以人為強化接種微生物菌系不明確的富集培養物或特定微生物培養物來進行混合發酵 如傳統酒曲和醬曲、腌菜、煙草發酵、茶葉發酵、青貯、堆肥等。 7

13、/18/20223680（二）混合固態發酵工藝特點1、充分利用培養基、設備、人員和時間，可以在同一發酵容器中經過相同工藝過程，提高所需產品的質和量，或獲得良種、多種產品。 2、混合發酵能夠獲得一些獨特的產品，而純種發酵是很難做到的。3、混合的多種菌種，增加了發酵中許多基因的功能，通過不同代謝能力的組合，完成單個菌種難以完成的復雜代謝作用，可以代替某些基因重組工程菌來進行復雜的多種代謝反應，或促進生長代謝，提高生產效率。 7/18/20223780混合的多種菌種例如，華根霉（Rhizopus chinensis）可發酵生產延胡索酸。當它與大腸埃希菌（Ecoli）混合發酵，延胡索酸就能完全轉化成琥

14、珀酸。用膜醭畢赤酵母（Pichia membranaefaciens）代替大腸桿菌混合發酵，延胡索酸就被轉化為L蘋果酸。如果普通變形菌（Proteus vulgaris）和少根根霉（Rarrhizus）混合發酵，則可將延胡索酸轉化為天冬氨酸。 7/18/20223880（三）混合固態發酵過程控制1、發酵微生物的選擇與培養在限定微生物混合固態發酵中，用兩種或兩種以上經鑒定的純種微生物進行發酵。這種條件下，微生物的營養需求已知，就可以建立適合于這些微生物生長發育的培養條件。2、發酵過程條件控制好氧發酵厭氧發酵交替進行7/18/20223980（四）混合固態發酵工藝過程存在的問題1、大多數混合菌體系

15、中菌間相互關系和作用機制的研究尚不夠深入 ；2、對于具有協同作用關系的菌株篩選和組合還是一個隨機的過程 ，缺乏有效的理論指導，；3、對混合培養體系也不能有效地協調菌間的關系，使其達最佳生態水平，發揮最大效應。 7/18/20224080二、靜態密閉式固態發酵技術靜態密閉式固態發酵，主要是指發酵過程中的固體基質保持相對靜止狀態，通常所說傳統的固態發酵即指此種發酵方式。靜態密閉式固態發酵反應器，主要有托盤式或填充床式反應器，這些系統均不包含攪拌設備。 7/18/202241801、托盤式發酵特點：相對比較薄的發酵基質鋪在一個面積相對比較大的托盤上；沒有強制的通風，但在托盤上可以有孔，空氣可以緩慢地

16、在托盤的周圍循環；發酵基質的溫度隨著反應器周圍環境的溫度而變化，因此可以通過控制反應器所在的空間溫度來控制反應器的內部溫度。問題： 操作難以實現機械化，屬“勞動密集型”生產方式；由于發酵基質是靜態的，因此傳質、傳熱困難，這就使托盤上所添加的基質的厚度往往只有幾厘米到十幾厘米。7/18/20224280托盤式發酵設備7/18/202243802、填充床式發酵7/18/20224480靜態密閉式固態發酵工藝控制 1、溫度控制2、水分控制 7/18/20224580三、動態密閉式固態發酵技術 1、轉鼓式發酵7/18/202246801、轉鼓式發酵轉鼓式反應器的主要特色是空氣不是從基質的底部吹人而是從

17、基質的頂部吹過，空氣和基質的熱量和物質交換是通過反應器的轉動來促進。轉鼓式固態反應器熱量的傳遞主要有兩種途徑：一是直接通過對流和蒸發將熱量傳遞到反應器的頂部空氣；二是由反應器的壁通過傳導傳遞。這種反應器可以用干空氣增加基質的水分蒸發來降溫，因為這樣的反應器可以從頂部通過噴水來調節基質的水分含量。轉鼓式反應器的裝料系數一般是0.3。 7/18/202247802、攪拌式發酵7/18/202248802、攪拌式發酵攪拌式固態發酵兩種主要類型：水平攪拌式的和轉鼓式。 在水平攪拌式中，發酵基質的運動是由攪拌軸的運動來提供動力的；而在轉鼓式中是由罐體的運動來提供的。除此以外，二者其他方面都很類似。垂直式

18、的反應器一般都要強制通風。 7/18/202249803、氣固流化床發酵 7/18/20225080流化床發酵的特色和優點 由于通氣良好，因此有助于好氧微生物的生長，在流化床上生長的微生物呼吸率可以達到靜態培養的10倍；代謝熱的去除十分完全，不會發生培養基溫度過高的問題；氣體和揮發性的代謝產物可以很快消失，減小抑制；混合效果很好，消除了發酵基質中的溫度和濕度梯度，有利于過程中的工藝參數的控制；某些產物（如單細胞蛋白）可以直接在反應器中進行干燥；相對于傳統的固態培養，生產效率大大提高，因此可以減少生產所占用的空間和生產操作費用。 7/18/202251804、立式多層固態發酵罐 7/18/202

19、25280立式多層固態發酵罐特點立式多層固態發酵采用的發酵罐具有占地面積小、自動化程度高、生產能力大、易于監測和控制等優點。 發酵物料可以在發酵罐內進行蒸煮、滅菌、降溫等操作，更重要的是實現了發酵罐內接種、發酵罐內噴淋加濕、自動翻料、溫濕度自動檢測顯示、自動進出料等自動控制操作過程。 可以在常溫、常壓下工作，利用夾套、內蛇管和無菌空氣進行加熱和冷卻。 由于發酵物料是在密閉條件下進行發酵，而且進入發酵罐內的空氣和水都經過滅菌處理，完全消除了雜菌污染的可能性，最終產品的質量有了確切的保證。 7/18/20225380操作及應用范圍立式多層固態發酵罐在投料前先進行空罐滅菌，發酵物料從發酵罐頂部人料孔

20、加人，進入發酵罐底下第一層，然后翻起第二層堆料板，加第二層料，依次按此步驟進行加料。然后進行蒸煮、滅菌。發酵物料的控溫是依靠發酵罐的內蛇管、外夾套冷卻水以及罐底壓人的無菌空氣，然后從罐頂排出。 目前，國內已有0.510m3規格的立式多層圓桶形固態發酵罐出售，可以用于菌體蛋白、纖維素酶、淀粉酶、四環素、赤霉酸、紅曲、醋曲、醬曲的生產，生物制藥（包括生物農藥），飼料和菜籽餅固態發酵產酶等許多領域。 7/18/20225480在固體發酵過程中進行攪拌具有以下一些特點和要求：設計上必須符合清潔無菌的衛生要求；要求對固體基質施加的剪切力較小；固體基質經預處理（浸泡、滅菌）后，可通過固體攪拌器內部接種，以

21、避免染菌；可通過攪拌保證添加水分分布均勻，以便于控制水分含量；通過外部冷卻夾套和攪拌提高溫控效果。7/18/20225580四、氣相雙動態固態純種發酵技術氣相雙動態固態純種發酵新技術的研制成功，標志著現代固態發酵技術的成熟。大致可歸納為以下三個方面 ：（1）打破現代發酵工業中液體深層發酵技術的壟斷局面 （2）開辟新的生物技術產業 （3）對傳統固態發酵生產技術的改進 7/18/202256801、打破現代發酵工業中液體深層發酵技術的壟斷局面 有許多現行的液體發酵法生產過程，都可以用此現代固態發酵技術代替。典型的有Bt發酵、纖維素酶發酵、果膠酶發酵、固氮菌發酵、赤霉素發酵、核黃素發酵等。以此類推，

22、整個酶制劑工業都有可能轉成以固態發酵法為主體。其他還有農用抗生素、有機酸等，也有部分代替的可能。 7/18/202257802、開辟新的生物技術產業 典型事例是如白僵菌、綠僵菌等在液體中不產生分生孢子，必須采用現代固態發酵技術。更重要的是，木質纖維素的生物轉化與生物量全利用是人類可持續發展戰略中的重大課題，現代固態發酵技術將是該課題最終克服技術經濟關的突破口。可開創眾多的新產業：以酒精為代表的清潔液體燃料工業；高效有機生物肥工業；菌體飼料蛋白工業；飼料添加劑工業等。 7/18/202258803、對傳統固態發酵生產技術的改進 壓力脈動操作往往可使發酵時間縮短13，變溫操作往往可提高菌體活性。在

23、復合菌群組合優化方面也可發揮作用。因此對傳統制酒，及風味食品制造方面提供技術改進的新途徑，甚至創制新的風味發酵食品、保健食品等，例如用紅曲霉固態發酵制紅曲霉素及保健食品等。 7/18/20225980（一）氣相雙動態固態純種發酵的工藝過程圖411 雙筒式雙動態固態發酵罐示意圖7/18/20226080圖412 單筒式雙動態固態發酵罐示意圖7/18/20226180圖413 小推車盤架系統7/18/20226280圖414 小推車盤架機械輸送系統7/18/20226380氣相雙動態固態純種發酵工藝特點 無固體層機械翻動裝置，由薄層、氣相雙動態及循環風機達到傳質與傳熱要求；由于無固體翻動機械傳動，

24、反應器結構簡單容易密封，便于工業放大；反應器為受壓容器，可用壓力蒸汽進行嚴格的空罐或實罐滅菌，無死角，便于清掃；采用無菌壓縮空氣供氧，發酵過程中反應器為正壓狀態，故能嚴格達到純種固態培養的要求； 7/18/20226480氣相雙動態有促進微生物代謝、強化細胞內外的傳質，減少代謝產物的反饋抑制，從而有縮短發酵周期、提高轉化率的功能；反應器的環形結構與循環鼓風機，使反應器內的溫度、濕度均勻一致；反應器內設置冷卻排管，加之循環風機配合后，強制罐內氣相空氣順次通過物料和冷卻排管，降低發酵物料的溫度，并便于反應器內溫度與濕度的調控；氣相雙動態的周期、振幅與波形由進出氣閥的適時自動控制系統完成，可以隨發酵

25、過程對供氧與發熱要求進行計算機在線優化控制。 7/18/20226580（二）氣相雙動態固態發酵的機制氣相雙動態固態發酵中氣體內循環的目的是使氣相始終處在對流擴散狀態。內循環速率變化也應與微生物的代謝狀況相對應，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，填料層表面基質將被吹起。風速可以通過馬達轉速及風扇功率估計。在氣相雙動態固態發酵中，培養基料層的厚度、氣體脈沖壓力變化范圍、氣體內循環速率等都會影響發酵。由于是密閉系統，氣相雙動態固態發酵中能很好保持水分。 7/18/20226680五、吸附載體固態發酵技術 傳統的固態發酵不足之處： 固體培養基既是碳源，又是它們的結構組成部

26、分，在微生物發酵生長過程中，培養基被分解了，底物容易結塊，孔隙率也降低。由于底物的外形和物理特性都發生了變化，結果降低了發酵過程中的傳質和傳熱。固體物中的雜質容易帶入發酵提取液中，難以應用于純度要求高的發酵產品。由于底物的不均勻性，難以維持發酵反應的穩定性和一致性，生物量和代謝產物的成分不易分析，不利于發酵過程的控制以及動力學研究與模型建立等。7/18/20226780（一）吸附載體固態發酵的特點吸附載體固態發酵的特點特征是以天然或人工合成的多孔材料代替麩皮之類的固態基質作為微生物的載體，營養成分可以嚴格控制，發酵結束，只需將菌體和培養液擠壓出來進行抽提，載體又可以重新使用。 吸附載體固態發酵

27、可以克服傳統固態發酵存在的許多問題 7/18/202268801、選用適宜的惰性吸附載體充當固態發酵的固相，可以克服底物結塊、傳質和傳熱差的難題，避免固體物中的雜質帶人發酵提取液中；2、由于多孔吸附載體在無游離水狀態下固態發酵，利于氣液固傳遞，發酵水平比液體發酵提高35倍，設備投資比液體深層發酵低得多；3、能夠維持固態發酵過程中環境的均勻性與一致性；4、容易分析生物量和代謝產物，利于發酵過程的控制以及動力學研究與模型建立；5、采用培養基實消、液體種子在位無菌接種和在位超聲控濕等配套的無菌操作方法，解決大規模固體培養基難以滅菌和大規模無菌接種的問題；6、該技術拓寬了固體發酵應用范圍，具有廣泛的適

28、用性與推廣意義。 7/18/20226980 吸附載體固態發酵與深層液態發酵相比的優點 由于吸附載體固態發酵過程中，固態載體提供了微生物生長的巨大表面，單位體積的比表面積可以始終維持在很高的水平，微生物可以在通人少量或不需要通入空氣或氧氣的條件下，從外界中獲得自身生長所需的氧氣，因此，不需要通人大量無菌氧氣或空氣，也不需要強力攪拌，節省能源。 7/18/20227080（二）吸附載體固態發酵的載體選擇惰性吸附載體是吸附載體固態發酵中一個關鍵因素。為了確定微生物適合的載體，應 了解微生物發酵周期、載體材料的吸附等溫線、載體發酵過程物理化學變化以及水活度對微生物生長的影響。另外，對于載體的選擇還要

29、依賴于所選用的生物反應器。如在非攪拌發酵反應器中，如果載體使用不當就會造成反應濕度低，結果會抑制微生物的生長。而在攪拌發酵反應器中，載體應能夠承受攪拌所造成的剪切力，并且能夠保護菌絲體不受攪拌的影響。載體還必須耐蒸汽加熱或藥物滅菌，多孔結構既有足夠的表面積，又能允許空氣流通。7/18/20227180對于吸附載體需考察以下幾個物理性質 （1）表觀密度：在23環境下，用游標卡尺測定載體試片的規格尺寸為5.0cm 5.0cm2.5cm，并稱取它的質量，然后計算出表觀密度。 （2）測定氣泡平均孔徑：用一只小型放大鏡，數出位于2.0cm長度直線上的氣泡數，并計算出氣泡平均孔徑。（3）最大吸水率：把規格

30、尺寸為5.0cm 5.0cm2.5cm的試片浸入23的水中，用戴聚乙烯手套的手在水中擠壓試片，直至沒有氣泡出來時再放松，使其充分地吸水。 最大吸水量最大吸水率 100 吸水前載體試片的質量（4）開孔率 最大吸水率表觀密度 開孔率 0.9975式中：0.9975表示水在23時的密度。（5）載體吸水性 在固態發酵時，為了能夠減小發酵過程中因水分揮發而引起水活度的降低，惰性載體應能夠在發酵過程中緩釋出部分水，以維持發酵過程水活度的穩定。7/18/20227280（三）吸附載體固態發酵過程分析惰性載體吸附固態發酵技術既不同于利用農作物產品為底物的傳統固態發酵，也不同于液態攪拌通氣發酵。其不同點主要有以下幾個方面：惰性載體吸附固態發酵提高了固態發酵過程中環境的均勻性與一致性；為微生物生長提供了一個巨大的界面環境，強化了發酵過程中的氧、熱等的傳遞過程；提供了一個不存在很強的剪切力作用的發酵環境。 7/18/202273801、吸附載體固態發酵提高了固態發酵環境的均勻性 傳統固態發酵過程中，由于發酵底物的不均勻性，由底物形成的大環境中具有多種多樣的微環境。如根據氧在微環境中的分布情況，可以將固態發酵基質表面和內部的環境分