發(fā)酵工程課件：第十章-固態(tài)發(fā)酵原理與技術(shù)

2023/9/81第四章固態(tài)發(fā)酵原理與技術(shù)2023/8/31第四章固態(tài)發(fā)酵原理與技術(shù)2023/9/82第一節(jié)概述

第二節(jié)固態(tài)發(fā)酵過(guò)程的控制

第三節(jié)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)

主要內(nèi)容：2023/8/32第一節(jié)概述主要內(nèi)容：2023/9/83第一節(jié)概述2023/8/33第一節(jié)概述2023/9/84固體基質(zhì)發(fā)酵（solidsubstrate

fermentation）：

一切使用不溶性固體基質(zhì)來(lái)培養(yǎng)微生物的工藝過(guò)程，稱(chēng)為固體基質(zhì)發(fā)酵，包括固體懸浮在液體中的深層發(fā)酵，也包括沒(méi)有（或幾乎沒(méi)有）游離水的濕固體材料上培養(yǎng)微生物的工藝過(guò)程。

固態(tài)發(fā)酵（solidstatefermentation）：

沒(méi)有或幾乎沒(méi)有自有水存在下，在有一定濕度的水不溶性固體基質(zhì)中，一種或多種微生物的一個(gè)生物反應(yīng)過(guò)程。一、固態(tài)發(fā)酵的定義2023/8/34固體基質(zhì)發(fā)酵（solidsub2023/9/85

問(wèn)題固體基質(zhì)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵有何區(qū)別？2023/8/35問(wèn)題2023/9/86固態(tài)發(fā)酵與液態(tài)發(fā)酵比較分析固態(tài)發(fā)酵中微生物生長(zhǎng)在缺乏或幾乎缺乏可見(jiàn)液體水的顆粒之間，在固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)中，微生物可以從濕的基質(zhì)顆粒中獲得所需的水分。固體發(fā)酵基質(zhì)的含水量可以有效控制在12％－80％之間，大多含水量在60％左右。而典型的深層液體發(fā)酵的發(fā)酵液中只有5％左右的溶質(zhì)，至少有95％的水。當(dāng)前發(fā)酵工業(yè)所使用的主要是深層液態(tài)發(fā)酵。2023/8/36固態(tài)發(fā)酵與液態(tài)發(fā)酵比較分析固態(tài)發(fā)酵中微生物2023/9/87

從生物反應(yīng)過(guò)程的本質(zhì)考慮，固態(tài)發(fā)酵是以氣相為連續(xù)相的生物反應(yīng)過(guò)程，與此相反，液態(tài)發(fā)酵是以液相為連續(xù)相的生物反應(yīng)過(guò)程。從這個(gè)定義中可以充分認(rèn)識(shí)固態(tài)發(fā)酵的特點(diǎn)，以及與液態(tài)發(fā)酵本質(zhì)的區(qū)別。2023/8/37從生物反應(yīng)過(guò)程的本質(zhì)考慮，固態(tài)發(fā)酵是以2023/9/88醋生產(chǎn)車(chē)間2023/8/38醋生產(chǎn)車(chē)間2023/9/89醬油生產(chǎn)2023/8/39醬油生產(chǎn)2023/9/810傳統(tǒng)汾酒釀酒車(chē)間2023/8/310傳統(tǒng)汾酒釀酒車(chē)間2023/9/811世界最大"純糧固態(tài)發(fā)酵釀酒車(chē)間高青縣城的山東扳倒井集團(tuán)第九純糧固態(tài)發(fā)酵釀酒生產(chǎn)車(chē)間

2023/8/311世界最大"純糧固態(tài)發(fā)酵釀酒車(chē)間高青縣城2023/9/8122023/8/3122023/9/813木質(zhì)素酶固態(tài)發(fā)酵2023/8/313木質(zhì)素酶固態(tài)發(fā)酵2023/9/8142023/8/3142023/9/8152023/8/3152023/9/816二、固態(tài)發(fā)酵的特點(diǎn)1、固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基中沒(méi)有游離水的流動(dòng)，水是培養(yǎng)基中較低的組分。培養(yǎng)基中水活度在0.99以下，適宜于水活度在0.93～0.98的微生物生長(zhǎng)，限制了應(yīng)用范圍，同時(shí)也限制了某些雜菌的生長(zhǎng)。2、微生物從濕的固態(tài)基質(zhì)吸收營(yíng)養(yǎng)物，營(yíng)養(yǎng)物濃度存在梯度，發(fā)酵不均勻，菌體的生長(zhǎng)、對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌存在不均勻。2023/8/316二、固態(tài)發(fā)酵的特點(diǎn)1、固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基中2023/9/8173、固態(tài)發(fā)酵中培養(yǎng)基提供的與氣體的接觸面積要比液體深層發(fā)酵中與氣泡的接觸面積大得多，供氧更充足，同時(shí)，空氣通過(guò)固體層得阻力較小，能量消耗低。4、使用固體原料，在發(fā)酵過(guò)程中，糖化和發(fā)酵過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，簡(jiǎn)化操作工序，節(jié)約能耗。5、高底物濃度可以產(chǎn)生高的產(chǎn)物濃度。6、由于產(chǎn)物濃度高，提取工藝簡(jiǎn)單可控，沒(méi)有大量有機(jī)廢液產(chǎn)生，但提取物含有底物成分。7、生產(chǎn)機(jī)械化程度較低，缺乏在線傳感儀器，過(guò)程控制較困難。2023/8/3173、固態(tài)發(fā)酵中培養(yǎng)基提供的與氣體的接觸面2023/9/818802023/8/318802023/9/8192023/8/3192023/9/820三、固態(tài)發(fā)酵的分類(lèi)1、自然富集固態(tài)發(fā)酵2、強(qiáng)化微生物混合固態(tài)發(fā)酵3、限定微生物混合固態(tài)發(fā)酵4、單菌固態(tài)純種發(fā)酵2023/8/320三、固態(tài)發(fā)酵的分類(lèi)1、自然富集固態(tài)發(fā)酵2023/9/8211、自然富集固態(tài)發(fā)酵是指利用自然界中微生物，由不斷演替的微生物進(jìn)行的富集混合發(fā)酵過(guò)程。例如傳統(tǒng)的酒曲、醬油和堆肥發(fā)酵等，不需要接種微生物，而是依賴(lài)空氣和物料中的自然微生物區(qū)系，由多種微生物演替成最適于生長(zhǎng)代謝或共同協(xié)作的小生態(tài)環(huán)境。2023/8/3211、自然富集固態(tài)發(fā)酵是指利用自然界中微生2023/9/8222、強(qiáng)化微生物混合固態(tài)發(fā)酵是指在自然富集固態(tài)發(fā)酵的基礎(chǔ)上，根據(jù)人們部分掌握的微生物代謝機(jī)制，強(qiáng)化接種微生物菌系不明確的富集培養(yǎng)物或特定微生物培養(yǎng)物所進(jìn)行的混合發(fā)酵。例如沼氣發(fā)酵、白酒發(fā)酵及廢物發(fā)酵降解處理等。2023/8/3222、強(qiáng)化微生物混合固態(tài)發(fā)酵是指在自然富集2023/9/8233、限定微生物混合固態(tài)發(fā)酵是在對(duì)微生物相互作用和群落認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，接種混合培養(yǎng)的微生物是已知和確定的，通常使用兩種或兩種以上經(jīng)過(guò)分離純化的微生物純種，同時(shí)或先后接種在滅菌的培養(yǎng)基中，在無(wú)污染條件下進(jìn)行的固態(tài)發(fā)酵過(guò)程。2023/8/3233、限定微生物混合固態(tài)發(fā)酵是在對(duì)微生物相2023/9/8244、單菌固態(tài)純種發(fā)酵是在純種培養(yǎng)基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，采用已知的單一微生物菌種，接種在滅菌的固態(tài)培養(yǎng)基中，在無(wú)菌條件下進(jìn)行的固態(tài)發(fā)酵過(guò)程。它對(duì)于擴(kuò)大固態(tài)發(fā)酵的應(yīng)用范圍和潛力的發(fā)揮起到非常重要的作用，是固態(tài)發(fā)酵的重要方向。2023/8/3244、單菌固態(tài)純種發(fā)酵是在純種培養(yǎng)基礎(chǔ)上建2023/9/825四、固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器1、靜態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器塔柱式2023/8/325四、固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器1、靜態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)2023/9/826淺盤(pán)式1－淺盤(pán)室；2－水閥門(mén)；3－紫外燈管；4，8，13－空氣閥門(mén)；5，11－空氣過(guò)濾器；6－排氣口；7－加濕器；9－加熱器；10－空氣循環(huán)；12－進(jìn)氣口；14－淺盤(pán)；15－淺盤(pán)架2023/8/326淺盤(pán)式1－淺盤(pán)室；2023/9/827圓盤(pán)固體發(fā)酵機(jī)2023/8/327圓盤(pán)固體發(fā)酵機(jī)2023/9/828強(qiáng)制通風(fēng)物料靜態(tài)反應(yīng)器1－發(fā)酵罐；2－空氣調(diào)節(jié)閥門(mén)；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(pán)管；9－加熱器；LP－液面探針；RH－相對(duì)濕度調(diào)節(jié)器2023/8/328強(qiáng)制通風(fēng)物料靜態(tài)反應(yīng)器1－發(fā)酵罐；2023/9/829

強(qiáng)制通風(fēng)填充床反應(yīng)器2023/8/329強(qiáng)制通風(fēng)填充床反應(yīng)器2023/9/83080圖4－5Koji工業(yè)制曲設(shè)備

1－曲室；2多孔板；3－旋轉(zhuǎn)機(jī)；4，11－卸料螺桿機(jī)；5－空氣調(diào)節(jié)器；6－鼓風(fēng)機(jī)；7－排氣管；8－調(diào)節(jié)閥；9－空氣過(guò)濾器；10－裝料機(jī)；12－控制臺(tái)

2023/8/33080圖4－5Koji工業(yè)制曲設(shè)備

12023/9/831802023/8/331802023/9/8322、動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器

（1）轉(zhuǎn)鼓式

2023/8/3322、動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器

（1）轉(zhuǎn)鼓式2023/9/833（2）帶機(jī)械攪拌的筒柱式

圖4－7攪拌式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器1－攪拌架電機(jī)；2－攪拌槳電機(jī)；3－接種和噴水口；4－溫度傳感器；5－測(cè)重儀；6－濕度傳感器；7－冷卻器；8－濕度調(diào)節(jié)器；9－空氣流量器；10－鼓風(fēng)機(jī)；11－加熱器；12－空氣過(guò)濾器；13－空氣冷卻器2023/8/333（2）帶機(jī)械攪拌的筒柱式圖4－7攪2023/9/834滾筒發(fā)酵機(jī)2023/8/334滾筒發(fā)酵機(jī)2023/9/83580（3）流化床反應(yīng)器2023/8/33580（3）流化床反應(yīng)器2023/9/836粉劑硫化床2023/8/336粉劑硫化床2023/9/837（4）塔式反應(yīng)器2023/8/337（4）塔式反應(yīng)器2023/9/838脫氯塔2023/8/338脫氯塔2023/9/839一酸塔2023/8/339一酸塔2023/9/8402023/8/3402023/9/8413、實(shí)驗(yàn)室固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器、中試固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器與工業(yè)級(jí)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器按照固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器所承載的固體物料多少不同，可將固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器分為三大類(lèi)：第一類(lèi)是實(shí)驗(yàn)室固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器可進(jìn)行克級(jí)規(guī)模固體物料的固態(tài)發(fā)酵實(shí)驗(yàn)；第二類(lèi)是中試固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器一般進(jìn)行千克級(jí)固體物料的固態(tài)發(fā)酵試驗(yàn)；第三類(lèi)是工業(yè)級(jí)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，承載噸級(jí)固體物料。2023/8/3413、實(shí)驗(yàn)室固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器、中試固態(tài)發(fā)酵反2023/9/8424、固態(tài)發(fā)酵研究取得的主要進(jìn)展1)由敞開(kāi)式發(fā)酵到封閉式發(fā)酵敞開(kāi)式發(fā)酵雖然投資少、操作方便，但大規(guī)模生產(chǎn)有散熱困難、易污染等問(wèn)題。封閉式發(fā)酵罐可以徹底滅菌，便于控制發(fā)酵罐中的溫度。2023/8/3424、固態(tài)發(fā)酵研究取得的主要進(jìn)展1)由敞2023/9/843

2)從經(jīng)驗(yàn)發(fā)酵到控制發(fā)酵液體發(fā)酵可實(shí)現(xiàn)電子汁算機(jī)控制，對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的參數(shù)實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)。目前在固態(tài)發(fā)酵中也可測(cè)定基質(zhì)含水量?；|(zhì)含水量是決定固態(tài)發(fā)酵成功與否的關(guān)鍵因素之一。如在固態(tài)流化床反應(yīng)器中，培養(yǎng)基的水分依據(jù)流化層內(nèi)的電極和塔壁間靜電容量值，從噴嘴噴出無(wú)菌水霧加以控制；在厚層通風(fēng)池中固態(tài)發(fā)酵，其培養(yǎng)溫度可通過(guò)繼電器控制池內(nèi)溫度保持在30℃左右。2023/8/3432)從經(jīng)驗(yàn)發(fā)酵到控制發(fā)酵2023/9/844在固態(tài)發(fā)酵中，真菌的菌絲穿插于基質(zhì)之間，吸附性強(qiáng)，多數(shù)常規(guī)測(cè)定方法都無(wú)法使用?，F(xiàn)常用間接測(cè)定方法，如測(cè)定菌體蛋白質(zhì)，測(cè)定氧攝入、二氧化碳的排出、ATP含量和葡萄糖胺含量，測(cè)定某些酶的活性(同菌體量成正比的酶)等方法。雖然pH值也是影響菌體生長(zhǎng)代謝的關(guān)鍵因素之一，但固態(tài)發(fā)酵的某些基質(zhì)的優(yōu)良緩沖性能幫助減少對(duì)pH控制的需要。2023/8/344在固態(tài)發(fā)酵中，真菌的菌絲穿插于基質(zhì)之間，2023/9/8453）從淺盤(pán)式發(fā)酵到機(jī)械化發(fā)酵中國(guó)現(xiàn)在釀造業(yè)的固體曲制備常采用厚層通風(fēng)池發(fā)酵，這些發(fā)酵設(shè)備占地面積大、勞動(dòng)強(qiáng)度大。國(guó)外已研制出密閉的柱形固態(tài)發(fā)酵罐，完全機(jī)械化操作，日發(fā)酵1000Kg物料。中國(guó)己研制出可裝料800kg的圓片制曲機(jī)，能半機(jī)械化連續(xù)操作。2023/8/3453）從淺盤(pán)式發(fā)酵到機(jī)械化發(fā)酵2023/9/8464）從固態(tài)單菌發(fā)酵到固態(tài)混合發(fā)酵由于純種培養(yǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展而一度受到冷落的混合培養(yǎng)技術(shù)，現(xiàn)又逐步受到重視。在這些天然混合物和非均質(zhì)的基質(zhì)中，幾種微生物能找到最適于發(fā)育和共生協(xié)作的小生態(tài)環(huán)境。由于同時(shí)利用不同菌株進(jìn)行共同培養(yǎng)，增加了培養(yǎng)物的基因庫(kù)容量,完成單菌難以完成的復(fù)雜的轉(zhuǎn)化過(guò)程，達(dá)到提高基質(zhì)產(chǎn)率和生產(chǎn)效率等目的。2023/8/3464）從固態(tài)單菌發(fā)酵到固態(tài)混合發(fā)酵2023/9/8475）從堆積發(fā)酵到流化態(tài)發(fā)酵固態(tài)生化反應(yīng)器由簡(jiǎn)單淺盤(pán)發(fā)酵到機(jī)械化發(fā)酵罐，它們還都是堆積發(fā)酵?，F(xiàn)日本已興起流化床培養(yǎng)，活力可提高到5-10倍。2023/8/3475）從堆積發(fā)酵到流化態(tài)發(fā)酵2023/9/8486）從上下游過(guò)程分別操作到組合操作發(fā)酵工業(yè)過(guò)程主要由發(fā)酵過(guò)程（也稱(chēng)上游過(guò)程）和產(chǎn)物分離過(guò)程(下游過(guò)程)兩部分組成。現(xiàn)大多數(shù)工業(yè)是把發(fā)酵過(guò)程和產(chǎn)物分離純化過(guò)程分別放在不同操作單元中完成，并前后連接成一個(gè)整體。2023/8/3486）從上下游過(guò)程分別操作到組合操作2023/9/849五、固態(tài)發(fā)酵發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景

固態(tài)發(fā)酵可利用多種工農(nóng)業(yè)殘?jiān)鳛榈孜锎罅可a(chǎn)化學(xué)物質(zhì)，在有機(jī)酸、酒精、單細(xì)胞蛋白、蘑菇、酶制劑、生物活性物質(zhì)及風(fēng)味物質(zhì)等，盡管上述研究有的還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，但固態(tài)發(fā)酵被認(rèn)為是可再生性資源綜合利用最有希望的途徑，是解決當(dāng)前人類(lèi)所面臨的“三大”危機(jī)的一個(gè)有效手段。當(dāng)前，許多工農(nóng)業(yè)殘?jiān)?、城市生活垃圾已成為人們的社?huì)公害，對(duì)人類(lèi)的生存環(huán)境均產(chǎn)生不利的影響。2023/8/349五、固態(tài)發(fā)酵發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景固態(tài)發(fā)2023/9/850第二節(jié)固態(tài)發(fā)酵過(guò)程的控制一、固態(tài)發(fā)酵微生物及生長(zhǎng)機(jī)制1、適合固態(tài)發(fā)酵微生物特征①能夠利用多糖的混合物；②有完整的酶系，可以迅速?gòu)膶?duì)某一種多糖的代謝轉(zhuǎn)為對(duì)另一種多糖的代謝；③能夠深入到料層中，也能穿入基質(zhì)細(xì)胞內(nèi)；2023/8/350第二節(jié)固態(tài)發(fā)酵過(guò)程的控制一、固態(tài)發(fā)酵微2023/9/851④在發(fā)酵過(guò)程中以菌絲形式生長(zhǎng)，而不易孢子化；⑤生長(zhǎng)迅速，染菌概率??；⑥可以在含水量低的基質(zhì)中生長(zhǎng)；⑦能夠耐受高濃度的營(yíng)養(yǎng)鹽；⑧可以耐受基質(zhì)預(yù)處理過(guò)程中產(chǎn)生的苯類(lèi)等有毒物質(zhì)。2023/8/351④在發(fā)酵過(guò)程中以菌絲形式生長(zhǎng)，而不易2023/9/8522、界面作用（1）營(yíng)養(yǎng)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(yīng)的意義2023/8/3522、界面作用（1）營(yíng)養(yǎng)物在界面上的富集2023/9/8533、固態(tài)基質(zhì)中絲狀微生物的生長(zhǎng)頂端生長(zhǎng)：絲狀真菌的生長(zhǎng)是以其頂端延長(zhǎng)的方式進(jìn)行的，頂端之后的菌絲只能變厚而不能伸長(zhǎng)；在生長(zhǎng)過(guò)程中又靠頂端延伸的方式產(chǎn)生繁茂的分枝而構(gòu)成真菌的菌落，可見(jiàn)真菌的生長(zhǎng)主要表現(xiàn)在菌絲頂端的生長(zhǎng)。2023/8/3533、固態(tài)基質(zhì)中絲狀微生物的生長(zhǎng)頂端生長(zhǎng)2023/9/854外層是不定形的組分，主要是蛋白質(zhì)、甘露聚糖和葡聚糖；內(nèi)層是定形的，由幾丁質(zhì)、纖維素或二者組成的微纖。

頂部后面堅(jiān)硬的細(xì)胞壁和復(fù)雜的分支系統(tǒng)使得菌絲牢固地固定在底物上，并產(chǎn)生強(qiáng)大的內(nèi)壓使頂部延伸有了動(dòng)力。菌絲的化學(xué)組成2023/8/354外層是不定形的組分，2023/9/8554、固態(tài)基質(zhì)中細(xì)菌和酵母菌的生長(zhǎng)自然漚肥：

濕潤(rùn)的有機(jī)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(dòng)，在木質(zhì)纖維素類(lèi)物質(zhì)的分解過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的代謝熱，導(dǎo)致培養(yǎng)基內(nèi)溫度高達(dá)60℃以上。2023/8/3554、固態(tài)基質(zhì)中細(xì)菌和酵母菌的生長(zhǎng)自然漚2023/9/856飼料的青貯：

是由細(xì)菌參與的自然固態(tài)發(fā)酵過(guò)程，尤其是在發(fā)酵過(guò)程的后期，隨著發(fā)酵過(guò)程的進(jìn)行，體系的pH值降低，同時(shí)培養(yǎng)基內(nèi)局部的氧被耗盡，造成培養(yǎng)基內(nèi)變成厭氧環(huán)境，從而抑制了真菌的生長(zhǎng)。2023/8/356飼料的青貯：2023/9/857納豆：

是日本的一種風(fēng)味食品，它主要是由枯草芽孢桿菌發(fā)酵蒸煮過(guò)的大豆而制成。在嚴(yán)格無(wú)菌條件下，細(xì)菌被越來(lái)越多地用于固態(tài)發(fā)酵過(guò)程，如利用芽孢桿菌(Bacillusspp．)發(fā)酵麩皮生產(chǎn)淀粉酶等。2023/8/357納豆：2023/9/858利用酵母菌的純種固態(tài)發(fā)酵果皮及其他廢棄物產(chǎn)酒精，也愈來(lái)愈引起人們的重視。在淀粉類(lèi)物質(zhì)為底物的同步糖化發(fā)酵過(guò)程中，淀粉酶和酵母菌被同時(shí)引入固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)，酵母菌的存在還有利于提高發(fā)酵產(chǎn)品中的蛋白質(zhì)含量。2023/8/358利用酵母菌的純種固態(tài)發(fā)酵果皮及其他廢棄物2023/9/859二、固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)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、木薯、玉米皮渣等。為了使底物更容易被微生物利用，經(jīng)常對(duì)底物進(jìn)行化學(xué)或機(jī)械物理處理，如采用酸、堿進(jìn)行化學(xué)水解處理或采用爆碎、粉碎、研磨等物理處理。2023/8/359二、固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)原料玉米秸稈、玉米芯、小2023/9/860（1）固體基質(zhì)的大分子結(jié)構(gòu)（2）顆粒大小影響微生物的生長(zhǎng)（3）顆粒形狀（4）顆粒的多孔性（5）顆粒均勻性及硬度固體發(fā)酵基質(zhì)原料影響微生物生長(zhǎng)的因素2023/8/360（1）固體基質(zhì)的大分子結(jié)構(gòu)固體發(fā)酵基質(zhì)原2023/9/861（1）復(fù)雜的，非均一的基質(zhì)結(jié)構(gòu)。（2）基質(zhì)的不同批次之間的差異。（3）發(fā)酵基質(zhì)混合上的困難。（4）微生物在基質(zhì)顆粒間活力的不均勻性。固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)的差異性2023/8/361（1）復(fù)雜的，非均一的基質(zhì)結(jié)構(gòu)。固態(tài)發(fā)2023/9/862三、影響固態(tài)發(fā)酵過(guò)程的主要參數(shù)1、濕度與水活度2、溫度與熱量傳遞3、通氣與傳質(zhì)過(guò)程4、pH值2023/8/362三、影響固態(tài)發(fā)酵過(guò)程的主要參數(shù)1、濕度與2023/9/8631、濕度與水活度底物含水量 W=物料濕重-物料干重

物料濕重水分活度 aw=ppa=55.5VMφ2023/8/3631、濕度與水活度底物含水量 W=2023/9/8642、溫度和熱量傳遞（1）溫度：高溫影響孢子的萌芽、生長(zhǎng)、代謝產(chǎn)物的形成及孢子形成

低溫不利于微生物生長(zhǎng)及其他生化反應(yīng)（2）熱量傳遞：

固體培養(yǎng)基顆粒內(nèi)熱量的傳遞過(guò)程

熱量在顆粒表面到顆粒間氣相的傳遞2023/8/3642、溫度和熱量傳遞2023/9/8653、通氣與傳質(zhì)過(guò)程傳質(zhì)過(guò)程（1）微觀傳質(zhì)過(guò)程：細(xì)胞水平的傳質(zhì)過(guò)程、顆粒內(nèi)的傳質(zhì)過(guò)程（2）宏觀傳質(zhì)過(guò)程：空氣進(jìn)入和傳出生物反應(yīng)器的過(guò)程。在沒(méi)有強(qiáng)制通風(fēng)的情況下，隨著空氣流動(dòng)而發(fā)生的自然對(duì)流、擴(kuò)散過(guò)程等。

在生物反應(yīng)器壁內(nèi)與周?chē)h(huán)境之間在發(fā)生的傳質(zhì)過(guò)程。攪拌過(guò)程中的剪切效果。2023/8/3653、通氣與傳質(zhì)過(guò)程2023/9/866好氧微生物固態(tài)發(fā)酵中氧傳遞：（1）氣體與固體培養(yǎng)基顆粒間的傳質(zhì)（2）顆粒內(nèi)氧的擴(kuò)散（3）氧氣從氣相主體到微生物的傳遞過(guò)程

傳質(zhì)狀況的改善：以顆粒狀或纖維狀物質(zhì)做底物；減少底物厚度；增大底物間空隙；攪拌底物和使用轉(zhuǎn)鼓反應(yīng)器。2023/8/366好氧微生物固態(tài)發(fā)酵中氧傳遞：2023/9/8674、pH2023/8/3674、pH2023/9/868第三節(jié)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)2023/8/368第三節(jié)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)2023/9/86980一、混合固態(tài)發(fā)酵技術(shù)

（一）混合固態(tài)發(fā)酵概念混合發(fā)酵(mixedfermentation)：許多發(fā)酵過(guò)程是純菌株無(wú)法完成或只能微弱地進(jìn)行的，必須依靠?jī)煞N或多種微生物共同培養(yǎng)來(lái)完成的過(guò)程，如傳統(tǒng)酒曲和醬曲、腌菜、煙草發(fā)酵、茶葉發(fā)酵、青貯、堆肥等。2023/8/36980一、混合固態(tài)發(fā)酵技術(shù)

（一）混合固態(tài)2023/9/870強(qiáng)化微生物混合固態(tài)發(fā)酵(intensifiedmixedsolid-statefermentation)

以人為強(qiáng)化接種微生物菌系不明確的富集培養(yǎng)物或特定微生物培養(yǎng)物來(lái)進(jìn)行混合發(fā)酵如傳統(tǒng)酒曲和醬曲、腌菜、煙草發(fā)酵、茶葉發(fā)酵、青貯、堆肥等。2023/8/370強(qiáng)化微生物混合固態(tài)發(fā)酵2023/9/871（二）混合固態(tài)發(fā)酵工藝特點(diǎn)1、充分利用培養(yǎng)基、設(shè)備、人員和時(shí)間，可以在同一發(fā)酵容器中經(jīng)過(guò)相同工藝過(guò)程，提高所需產(chǎn)品的質(zhì)和量，或獲得良種、多種產(chǎn)品。2、混合發(fā)酵能夠獲得一些獨(dú)特的產(chǎn)品，而純種發(fā)酵是很難做到的。3、混合的多種菌種，增加了發(fā)酵中許多基因的功能，通過(guò)不同代謝能力的組合，完成單個(gè)菌種難以完成的復(fù)雜代謝作用，可以代替某些基因重組工程菌來(lái)進(jìn)行復(fù)雜的多種代謝反應(yīng)，或促進(jìn)生長(zhǎng)代謝，提高生產(chǎn)效率。2023/8/371（二）混合固態(tài)發(fā)酵工藝特點(diǎn)1、充分利用培2023/9/872華根霉（Rhizopuschinensis）可發(fā)酵生產(chǎn)延胡索酸。當(dāng)它與大腸埃希菌（E．coli）混合發(fā)酵，延胡索酸就能完全轉(zhuǎn)化成琥珀酸。用膜醭畢赤酵母（Pichiamembranaefaciens）代替大腸桿菌混合發(fā)酵，延胡索酸就被轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)—蘋(píng)果酸。普通變形菌（Proteusvulgaris）和少根根霉（R．a(chǎn)rrhizus）混合發(fā)酵，可將延胡索酸轉(zhuǎn)化為天冬氨酸。舉例2023/8/372華根霉（Rhizopuschinens2023/9/873（三）混合固態(tài)發(fā)酵過(guò)程控制1、發(fā)酵微生物的選擇與培養(yǎng)在限定微生物混合固態(tài)發(fā)酵中，用兩種或兩種以上經(jīng)鑒定的純種微生物進(jìn)行發(fā)酵。這種條件下，微生物的營(yíng)養(yǎng)需求已知，就可以建立適合于這些微生物生長(zhǎng)發(fā)育的培養(yǎng)條件。2、發(fā)酵過(guò)程條件控制好氧發(fā)酵厭氧發(fā)酵交替進(jìn)行2023/8/373（三）混合固態(tài)發(fā)酵過(guò)程控制1、發(fā)酵微生物2023/9/874（四）混合固態(tài)發(fā)酵工藝過(guò)程存在的問(wèn)題1、大多數(shù)混合菌體系中菌間相互關(guān)系和作用機(jī)制的研究尚不夠深入；2、對(duì)于具有協(xié)同作用關(guān)系的菌株篩選和組合還是一個(gè)隨機(jī)的過(guò)程，缺乏有效的理論指導(dǎo)，；3、對(duì)混合培養(yǎng)體系也不能有效地協(xié)調(diào)菌間的關(guān)系，使其達(dá)最佳生態(tài)水平，發(fā)揮最大效應(yīng)。2023/8/374（四）混合固態(tài)發(fā)酵工藝過(guò)程存在的問(wèn)題1、2023/9/875二、靜態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵技術(shù)靜態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵，主要是指發(fā)酵過(guò)程中的固體基質(zhì)保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，通常所說(shuō)傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)酵即指此種發(fā)酵方式。靜態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，主要有托盤(pán)式或填充床式反應(yīng)器，這些系統(tǒng)均不包含攪拌設(shè)備。2023/8/375二、靜態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵技術(shù)靜態(tài)密閉式固態(tài)2023/9/8761、托盤(pán)式發(fā)酵特點(diǎn)：①相對(duì)比較薄的發(fā)酵基質(zhì)鋪在一個(gè)面積相對(duì)比較大的托盤(pán)上；②沒(méi)有強(qiáng)制的通風(fēng)，但在托盤(pán)上可以有孔，空氣可以緩慢地在托盤(pán)的周?chē)h(huán)；③發(fā)酵基質(zhì)的溫度隨著反應(yīng)器周?chē)h(huán)境的溫度而變化，因此可以通過(guò)控制反應(yīng)器所在的空間溫度來(lái)控制反應(yīng)器的內(nèi)部溫度。2023/8/3761、托盤(pán)式發(fā)酵特點(diǎn)：2023/9/877存在問(wèn)題：

①操作難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，屬“勞動(dòng)密集型”生產(chǎn)方式；②由于發(fā)酵基質(zhì)是靜態(tài)的，因此傳質(zhì)、傳熱困難，這就使托盤(pán)上所添加的基質(zhì)的厚度往往只有幾厘米到十幾厘米。2023/8/3772023/9/8782、填充床式發(fā)酵2023/8/3782、填充床式發(fā)酵2023/9/8791、溫度控制2、水分控制靜態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵工藝控制：2023/8/3791、溫度控制靜態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵工藝控制：2023/9/880三、動(dòng)態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵技術(shù)1、轉(zhuǎn)鼓式發(fā)酵2023/8/380三、動(dòng)態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵技術(shù)1、轉(zhuǎn)鼓式發(fā)2023/9/881轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器的主要特色是：空氣不是從基質(zhì)的底部吹入而是從基質(zhì)的頂部吹過(guò)，空氣和基質(zhì)的熱量和物質(zhì)交換是通過(guò)反應(yīng)器的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)促進(jìn)。轉(zhuǎn)鼓式固態(tài)反應(yīng)器熱量的傳遞主要有兩種途徑：一是直接通過(guò)對(duì)流和蒸發(fā)將熱量傳遞到反應(yīng)器的頂部空氣；二是由反應(yīng)器的壁通過(guò)傳導(dǎo)傳遞。這種反應(yīng)器可以用干空氣增加基質(zhì)的水分蒸發(fā)來(lái)降溫，因?yàn)榉磻?yīng)器可以從頂部通過(guò)噴水來(lái)調(diào)節(jié)基質(zhì)的水分含量。轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器的裝料系數(shù)一般是0.3。2023/8/381轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器的主要特色是：空氣不是從基質(zhì)2023/9/8822、攪拌式發(fā)酵2023/8/3822、攪拌式發(fā)酵2023/9/883攪拌式固態(tài)發(fā)酵兩種主要類(lèi)型：水平攪拌式的和轉(zhuǎn)鼓式。在水平攪拌式中，發(fā)酵基質(zhì)的運(yùn)動(dòng)是由攪拌軸的運(yùn)動(dòng)來(lái)提供動(dòng)力的；而在轉(zhuǎn)鼓式中是由罐體的運(yùn)動(dòng)來(lái)提供的。除此以外，二者其他方面都很類(lèi)似。垂直式的反應(yīng)器一般都要強(qiáng)制通風(fēng)。2023/8/383攪拌式固態(tài)發(fā)酵兩種主要類(lèi)型：水平攪拌式的2023/9/8843、氣固流化床發(fā)酵2023/8/3843、氣固流化床發(fā)酵2023/9/885①、由于通氣良好，因此有助于好氧微生物的生長(zhǎng)，在流化床上生長(zhǎng)的微生物呼吸率可以達(dá)到靜態(tài)培養(yǎng)的10倍；②、代謝熱的去除十分完全，不會(huì)發(fā)生培養(yǎng)基溫度過(guò)高的問(wèn)題；③、氣體和揮發(fā)性的代謝產(chǎn)物可以很快消失，減小抑制；④、混合效果很好，消除了發(fā)酵基質(zhì)中的溫度和濕度梯度，有利于過(guò)程中的工藝參數(shù)的控制；⑤、某些產(chǎn)物（如單細(xì)胞蛋白）可以直接在反應(yīng)器中進(jìn)行干燥；⑥、相對(duì)于傳統(tǒng)的固態(tài)培養(yǎng)，生產(chǎn)效率大大提高，因此可以減少生產(chǎn)所占用的空間和生產(chǎn)操作費(fèi)用。流化床發(fā)酵的特色和優(yōu)點(diǎn)2023/8/385①、由于通氣良好，因此有助于好氧微生物的2023/9/8864、立式多層固態(tài)發(fā)酵罐2023/8/3864、立式多層固態(tài)發(fā)酵罐2023/9/887占地面積小、自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)能力大、易于監(jiān)測(cè)控制。發(fā)酵物料可以在發(fā)酵罐內(nèi)進(jìn)行蒸煮、滅菌、降溫等操作，實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵罐內(nèi)接種、發(fā)酵罐內(nèi)噴淋加濕、自動(dòng)翻料、溫濕度自動(dòng)檢測(cè)顯示、自動(dòng)進(jìn)出料等自動(dòng)控制操作過(guò)程?？梢栽诔?、常壓下工作，利用夾套、內(nèi)蛇管和無(wú)菌空氣進(jìn)行加熱和冷卻。由于發(fā)酵物料是在密閉條件下進(jìn)行發(fā)酵，而且進(jìn)入發(fā)酵罐內(nèi)的空氣和水都經(jīng)過(guò)滅菌處理，完全消除了雜菌污染的可能性，最終產(chǎn)品的質(zhì)量有了確切的保證。立式多層固態(tài)發(fā)酵罐特點(diǎn)2023/8/387占地面積小、自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)能力大、易2023/9/888立式多層固態(tài)發(fā)酵罐在投料前先空罐滅菌，發(fā)酵物料從罐頂部料孔加人，進(jìn)入發(fā)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(jìn)行加料。然后進(jìn)行蒸煮、滅菌。發(fā)酵物料的控溫是依靠發(fā)酵罐的內(nèi)蛇管、外夾套冷卻水以及罐底壓入的無(wú)菌空氣，然后從罐頂排出。目前，國(guó)內(nèi)已有0.5—10m3規(guī)格的立式多層圓桶形固態(tài)發(fā)酵罐出售，可以用于菌體蛋白、纖維素酶、淀粉酶、四環(huán)素、赤霉酸、紅曲、醋曲、醬曲的生產(chǎn)，生物制藥（包括生物農(nóng)藥），飼料和菜籽餅固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)酶等許多領(lǐng)域。操作及應(yīng)用范圍2023/8/388立式多層固態(tài)發(fā)酵罐在投料前先空罐滅菌，發(fā)2023/9/889①設(shè)計(jì)上必須符合清潔無(wú)菌的衛(wèi)生要求；②要求對(duì)固體基質(zhì)施加的剪切力較?。虎酃腆w基質(zhì)經(jīng)預(yù)處理（浸泡、滅菌）后，可通過(guò)固體攪拌器內(nèi)部接種，以避免染菌；④可通過(guò)攪拌保證添加水分分布均勻，以便于控制水分含量；⑤通過(guò)外部冷卻夾套和攪拌提高溫控效果。在固體發(fā)酵過(guò)程中進(jìn)行攪拌具有以下一些特點(diǎn)和要求：2023/8/389①設(shè)計(jì)上必須符合清潔無(wú)菌的衛(wèi)生要求；2023/9/890四、氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)純種發(fā)酵技術(shù)2023/8/390四、氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)純種發(fā)酵技術(shù)（一）意義2023/9/89180氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)純種發(fā)酵新技術(shù)的研制成功，標(biāo)志著現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的成熟。大致可歸納為以下三個(gè)方面：（1）打破現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)中液體深層發(fā)酵技術(shù)的壟斷局面（2）開(kāi)辟新的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)（3）對(duì)傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)（一）意義2023/8/39180氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)純種發(fā)酵新技2023/9/8921、打破現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)中液體深層發(fā)酵技術(shù)的壟斷局面有許多現(xiàn)行的液體發(fā)酵法生產(chǎn)過(guò)程，都可以用此現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)代替。典型的有Bt發(fā)酵、纖維素酶發(fā)酵、果膠酶發(fā)酵、固氮菌發(fā)酵、赤霉素發(fā)酵、核黃素發(fā)酵等。以此類(lèi)推，整個(gè)酶制劑工業(yè)都有可能轉(zhuǎn)成以固態(tài)發(fā)酵法為主體。其他還有農(nóng)用抗生素、有機(jī)酸等，也有部分代替的可能。2023/8/3921、打破現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)中液體深層發(fā)酵技術(shù)的2023/9/8932、開(kāi)辟新的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)典型事例是如白僵菌、綠僵菌等在液體中不產(chǎn)生分生孢子，必須采用現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)。更重要的是，木質(zhì)纖維素的生物轉(zhuǎn)化與生物量全利用是人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中的重大課題，現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)將是該課題最終克服技術(shù)經(jīng)濟(jì)關(guān)的突破口。可開(kāi)創(chuàng)眾多的新產(chǎn)業(yè)：①以酒精為代表的清潔液體燃料工業(yè)；②高效有機(jī)生物肥工業(yè)；③菌體飼料蛋白工業(yè)；④飼料添加劑工業(yè)等。2023/8/3932、開(kāi)辟新的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)典型事例是如白2023/9/8943、對(duì)傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)壓力脈動(dòng)操作往往可使發(fā)酵時(shí)間縮短1／3，變溫操作往往可提高菌體活性。在復(fù)合菌群組合優(yōu)化方面也可發(fā)揮作用。因此對(duì)傳統(tǒng)制酒，及風(fēng)味食品制造方面提供技術(shù)改進(jìn)的新途徑，甚至創(chuàng)制新的風(fēng)味發(fā)酵食品、保健食品等，例如用紅曲霉固態(tài)發(fā)酵制紅曲霉素及保健食品等。2023/8/3943、對(duì)傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)壓力脈2023/9/89580（二）氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)純種發(fā)酵的工藝過(guò)程雙筒式雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵罐示意圖2023/8/39580（二）氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)純種發(fā)酵的工藝過(guò)2023/9/89680單筒式雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵罐示意圖2023/8/39680單筒式雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵罐示意圖2023/9/897小推車(chē)盤(pán)架系統(tǒng)2023/8/397小推車(chē)盤(pán)架系統(tǒng)2023/9/898小推車(chē)盤(pán)架機(jī)械輸送系統(tǒng)2023/8/398小推車(chē)盤(pán)架機(jī)械輸送系統(tǒng)2023/9/899①無(wú)固體層機(jī)械翻動(dòng)裝置，由薄層、氣相雙動(dòng)態(tài)及循環(huán)風(fēng)機(jī)達(dá)到傳質(zhì)與傳熱要求；②由于無(wú)固體翻動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易密封，便于工業(yè)放大；③反應(yīng)器為受壓容器，可用壓力蒸汽進(jìn)行嚴(yán)格的空罐或?qū)嵐逌缇瑹o(wú)死角，便于清掃；④采用無(wú)菌壓縮空氣供氧，發(fā)酵過(guò)程中反應(yīng)器為正壓狀態(tài)，故能?chē)?yán)格達(dá)到純種固態(tài)培養(yǎng)的要求；氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)純種發(fā)酵工藝特點(diǎn)2023/8/399①無(wú)固體層機(jī)械翻動(dòng)裝置，由薄層、氣相雙動(dòng)2023/9/8100⑤氣相雙動(dòng)態(tài)有促進(jìn)微生物代謝、強(qiáng)化細(xì)胞內(nèi)外的傳質(zhì)，減少代謝產(chǎn)物的反饋抑制，從而有縮短發(fā)酵周期、提高轉(zhuǎn)化率的功能；⑥反應(yīng)器的環(huán)形結(jié)構(gòu)與循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)，使反應(yīng)器內(nèi)的溫度、濕度均勻一致；2023/8/3100⑤氣相雙動(dòng)態(tài)有促進(jìn)微生物代謝、強(qiáng)化細(xì)胞2023/9/8101⑦反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置冷卻排管，加之循環(huán)風(fēng)機(jī)配合后，強(qiáng)制罐內(nèi)氣相空氣順次通過(guò)物料和冷卻排管，降低發(fā)酵物料的溫度，并便于反應(yīng)器內(nèi)溫度與濕度的調(diào)控；⑧氣相雙動(dòng)態(tài)的周期、振幅與波形由進(jìn)出氣閥的適時(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)完成，可以隨發(fā)酵過(guò)程對(duì)供氧與發(fā)熱要求進(jìn)行計(jì)算機(jī)在線優(yōu)化控制。2023/8/3101⑦反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置冷卻排管，加之循環(huán)風(fēng)機(jī)配2023/9/8102（三）氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵的機(jī)制氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵中氣體內(nèi)循環(huán)的目的是使氣相始終處在對(duì)流擴(kuò)散狀態(tài)。內(nèi)循環(huán)速率變化也應(yīng)與微生物的代謝狀況相對(duì)應(yīng)，隨著微生物代謝活動(dòng)的加劇，氣體內(nèi)循環(huán)速率也應(yīng)增加。但風(fēng)速太大，填料層表面基質(zhì)將被吹起。風(fēng)速可以通過(guò)馬達(dá)轉(zhuǎn)速及風(fēng)扇功率估計(jì)。在氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵中，培養(yǎng)基料層的厚度、氣體脈沖壓力變化范圍、氣體內(nèi)循環(huán)速率等都會(huì)影響發(fā)酵。由于是密閉系統(tǒng)，氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵中能很好保持水分。2023/8/3102（三）氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵的機(jī)制氣相雙動(dòng)2023/9/8103五、吸附載體固態(tài)發(fā)酵技術(shù)傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)酵不足之處：①固體培養(yǎng)基既是碳源，又是它們的結(jié)構(gòu)組成部分，在微生物發(fā)酵生長(zhǎng)過(guò)程中，培養(yǎng)基被分解了，底物容易結(jié)塊，孔隙率也降低。由于底物的外形和物理特性都發(fā)生了變化，結(jié)果降低了發(fā)酵過(guò)程中的傳質(zhì)和傳熱。2023/8/3103五、吸附載體固態(tài)發(fā)酵技術(shù)傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)2023/9/8104②固體物中的雜質(zhì)容易帶入發(fā)酵提取液中，難以應(yīng)用于純度要求高的發(fā)酵產(chǎn)品。③由于底物的不均勻性，難以維持發(fā)酵反應(yīng)的穩(wěn)定性和一致性，生物量和代謝產(chǎn)物的成分不易分析，不利于發(fā)酵過(guò)程的控制以及動(dòng)力學(xué)研究與模型建立等。2023/8/3104②固體物中的雜質(zhì)容易帶入發(fā)酵提取液中2023/9/8105（一）吸附載體固態(tài)發(fā)酵的特點(diǎn)吸附載體固態(tài)發(fā)酵的特點(diǎn)特征是以天然或人工合成的多孔材料代替麩皮之類(lèi)的固態(tài)基質(zhì)作為微生物的載體，營(yíng)養(yǎng)成分可以嚴(yán)格控制，發(fā)酵結(jié)束，只需將菌體和培養(yǎng)液擠壓出來(lái)進(jìn)行抽提，載體又可以重新使用。吸附載體固態(tài)發(fā)酵可以克服傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵存在的許多問(wèn)題2023/8/3105（一）吸附載體固態(tài)發(fā)酵的特點(diǎn)吸附載體固2023/9/81061、選用適宜的惰性吸附載體充當(dāng)固態(tài)發(fā)酵的固相，可以克服底物結(jié)塊、傳質(zhì)和傳熱差的難題，避免固體物中的雜質(zhì)帶入發(fā)酵提取液中；2、由于多孔吸附載體在無(wú)游離水狀態(tài)下固態(tài)發(fā)酵，利于氣—液—固傳遞，發(fā)酵水平比液體發(fā)酵提高3～5倍，設(shè)備投資比液體深層發(fā)酵低得多；3、能夠維持固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中環(huán)境的均勻性與一致性；2023/8/31061、選用適宜的惰性吸附載體充當(dāng)固態(tài)發(fā)酵2023/9/81074、容易分析生物量和代謝產(chǎn)物，利于發(fā)酵過(guò)程的控制以及動(dòng)力學(xué)研究與模型建立；5、采用培養(yǎng)基實(shí)消、液體種子在位無(wú)菌接種和在位超聲控濕等配套的無(wú)菌操作方法，解決大規(guī)模固體培養(yǎng)基難以滅菌和大規(guī)模無(wú)菌接種的問(wèn)題；6、該技術(shù)拓寬了固體發(fā)酵應(yīng)用范圍，具有廣泛的適用性與推廣意義。2023/8/31074、容易分析生物量和代謝產(chǎn)物，利于發(fā)酵2023/9/8108由于吸附載體固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中，固態(tài)載體提供了微生物生長(zhǎng)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，微生物可以在通入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(zhǎng)所需的氧氣，因此，不需要通入大量無(wú)菌氧氣或空氣，也不需要強(qiáng)力攪拌，節(jié)省能源。

吸附載體固態(tài)發(fā)酵與深層液態(tài)發(fā)酵相比的優(yōu)點(diǎn)2023/8/3108由于吸附載體固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中，固態(tài)載體提2023/9/8109（二）吸附載體固態(tài)發(fā)酵的載體選擇惰性吸附載體是吸附載體固態(tài)發(fā)酵中一個(gè)關(guān)鍵因素。為了確定微生物適合的載體，應(yīng)了解微生物發(fā)酵周期、載體材料的吸附等溫線、載體發(fā)酵過(guò)程物理化學(xué)變化以及水活度對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響。2023/8/3109（二）吸附載體固態(tài)發(fā)酵的載體選擇惰性吸2023/9/8110另外，對(duì)于載體的選擇還要依賴(lài)于所選用的生物反應(yīng)器。如在非攪拌發(fā)酵反應(yīng)器中，如果載體使用不當(dāng)就會(huì)造成反應(yīng)濕度低，結(jié)果會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng)。而在攪拌發(fā)酵反應(yīng)器中，載體應(yīng)能夠承受攪拌所造成的剪切力，并且能夠保護(hù)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(jié)構(gòu)既有足夠的表面積，又能允許空氣流通。2023/8/3110另外，對(duì)于載體的選擇還要依賴(lài)于所選用的2023/9/8111（1）表觀密度：在23℃環(huán)境下，用游標(biāo)卡尺測(cè)定載體試片的規(guī)格尺寸為5.0cm×5.0cm×2.5cm，并稱(chēng)取它的質(zhì)量，然后計(jì)算出表觀密度。（2）測(cè)定氣泡平均孔徑：用一只小型放大鏡，數(shù)出位于2.0cm長(zhǎng)度直線上的氣泡數(shù)，并計(jì)算出氣泡平均孔徑。（3）最大吸水率：把規(guī)格尺寸為5.0cm×5.0cm×2.5cm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(méi)有氣泡出來(lái)時(shí)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(zhì)量（4）開(kāi)孔率最大吸水率×表觀密度開(kāi)孔率＝

0.9975式中：0.9975表示水在23℃時(shí)的密度。（5）載體吸水性在固態(tài)發(fā)酵時(shí)，為了能夠減小發(fā)酵過(guò)程中因水分揮發(fā)而引起水活度的降低，惰性載體應(yīng)能夠在發(fā)酵過(guò)程中緩釋出部分水，以維持發(fā)酵過(guò)程水活度的穩(wěn)定。對(duì)于吸附載體需考察以下幾個(gè)物理性質(zhì)2023/8/3111（1）表觀密度：在23℃環(huán)境下，用游標(biāo)2023/9/8112（三）吸附載體固態(tài)發(fā)酵過(guò)程分析惰性載體吸附固態(tài)發(fā)酵技術(shù)既不同于利用農(nóng)作物產(chǎn)品為底物的傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵，也不同于液態(tài)攪拌通氣發(fā)酵。其不同點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：惰性載體吸附固態(tài)發(fā)酵提高了固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中環(huán)境的均勻性與一致性；為微生物生長(zhǎng)提供了一個(gè)巨大的界面環(huán)境，強(qiáng)化了發(fā)酵過(guò)程中的氧、熱等的傳遞過(guò)程；提供了一個(gè)不存在很強(qiáng)的剪切力作用的發(fā)酵環(huán)境。2023/8/3112（三）吸附載體固態(tài)發(fā)酵過(guò)程分析惰性載體2023/9/81131、吸附載體固態(tài)發(fā)酵提高了固態(tài)發(fā)酵環(huán)境的均勻性傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中，由于發(fā)酵底物的不均勻性，由底物形成的大環(huán)境中具有多種多樣的微環(huán)境。如根據(jù)氧在微環(huán)境中的分布情況，可以將固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)表面和內(nèi)部的環(huán)境分為好氧環(huán)境、兼性厭氧環(huán)境和嚴(yán)格厭氧環(huán)境。這些多種多樣的微環(huán)境的存在，使得傳統(tǒng)的以農(nóng)作物產(chǎn)品為底物的固態(tài)發(fā)酵條件變得粗放，效率大大降低。2023/8/31131、吸附載體固態(tài)發(fā)酵提高了固態(tài)發(fā)酵環(huán)境2023/9/8114在吸附載體固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中，使用的載體材料可以是孔隙率均勻一致的人工合成材料，如聚氨酯泡沫塑料。這類(lèi)材料不僅各處均勻一致，而且還可以根據(jù)需要，調(diào)節(jié)其孔徑大小、吸附能力等。這樣的載體在發(fā)酵過(guò)程中充當(dāng)固相成分，它們對(duì)微生物的生長(zhǎng)沒(méi)有副作用，微生物也不能夠或難以分解利用這類(lèi)材料。2023/8/3114在吸附載體固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中，使用的載體材2023/9/81152、惰性載體吸附固態(tài)發(fā)酵促進(jìn)了氧的傳遞與液態(tài)攪拌通氣發(fā)酵相比，載體吸附固態(tài)發(fā)酵的特點(diǎn)之一是其具有的巨大的界面環(huán)境。載體吸附固態(tài)發(fā)酵時(shí)，發(fā)酵液在載體的表面吸附形成一層液膜，在這樣的液膜內(nèi)沒(méi)有或僅有很少的游離水。2023/8/31152、惰性載體吸附固態(tài)發(fā)酵促進(jìn)了氧的傳遞2023/9/8116在載體吸附固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中，界面環(huán)境是微生物生長(zhǎng)的主要環(huán)境，營(yíng)養(yǎng)物都處于溶解狀態(tài)。在發(fā)酵液吸附于載體之前，可以稱(chēng)其為均相系統(tǒng)。但是在發(fā)酵液吸附在惰性載體表面后，其性質(zhì)就發(fā)生了變化，它不再是一個(gè)均相體系，而是被吸附固定在載體的表面，形成一個(gè)液膜。固相、液相、氣相2023/8/3116在載體吸附固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中，界面環(huán)境是微2023/9/81173、相對(duì)靜態(tài)的發(fā)酵環(huán)境在惰性載體吸附發(fā)酵過(guò)程中，發(fā)酵液形成的液膜是相對(duì)靜止的，而不像液態(tài)攪拌通氣發(fā)酵過(guò)程中，發(fā)酵液處于不停的高速流動(dòng)之中。發(fā)酵液這種不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響也不同。惰性載體吸附固態(tài)發(fā)酵既可以解決傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中的不均勻性、傳質(zhì)困難等問(wèn)題，又能夠充分發(fā)揮液態(tài)發(fā)酵過(guò)程中環(huán)境系統(tǒng)均勻且易于調(diào)控的優(yōu)勢(shì)，克服液態(tài)攪拌通氣發(fā)酵能耗高以及剪切力的破壞作用等缺點(diǎn)。2023/8/31173、相對(duì)靜態(tài)的發(fā)酵環(huán)境在惰性載體吸附2023/9/8118（四）吸附載體固態(tài)發(fā)酵的操作方式1－種子發(fā)酵罐；2－文氏接種管；3－超聲霧化器；4－循環(huán)風(fēng)機(jī)；5－固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器；6－氣體分布板；7－多孔吸附載體筒；8－氣體循環(huán)通道；9－固態(tài)發(fā)酵罐蓋門(mén)；10－閥門(mén)；11－氣體分布環(huán)2023/8/3118（四）吸附載體固態(tài)發(fā)酵的操作方式1－2023/9/8119（五）吸附載體固態(tài)發(fā)酵的前景惰性吸附載體固態(tài)發(fā)酵具有傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵所不具有的優(yōu)勢(shì)，將是發(fā)酵工程中一個(gè)重要研究方向。2023/8/3119（五）吸附載體固態(tài)發(fā)酵的前景惰性吸附載第四節(jié)固態(tài)發(fā)酵物質(zhì)和熱量的傳遞及平衡2023/9/81204.1概述4.2固態(tài)發(fā)酵的物料特性4.3氧的傳遞4.4水的傳遞與物料平衡4.5物料的質(zhì)量傳遞與物料平衡4.6熱量傳遞與平衡第四節(jié)固態(tài)發(fā)酵物質(zhì)和熱量的傳遞及平衡2023/8/3124.1概述固態(tài)發(fā)酵中液態(tài)、固態(tài)和氣態(tài)三類(lèi)物質(zhì)共存于一個(gè)體系，并發(fā)生物質(zhì)的傳遞和轉(zhuǎn)化。固態(tài)發(fā)酵所涉及的物質(zhì)，簡(jiǎn)化為：

微生物菌體培養(yǎng)基質(zhì)（碳源和氮源等）代謝產(chǎn)物；氣體（氧氣和二氧化碳）,水培養(yǎng)基成分是逐漸分解、溶解和被利用，不能完全溶于水中。菌體也不完全被水包圍4.1概述固態(tài)發(fā)酵中液態(tài)、固態(tài)和氣態(tài)三類(lèi)物質(zhì)共存于一個(gè)體系大型固態(tài)發(fā)酵罐設(shè)計(jì)及放大的最大難題——如何去除代謝熱：物質(zhì)傳遞與熱量的傳遞相互關(guān)聯(lián)。固態(tài)發(fā)酵所、產(chǎn)生的熱量主要是通過(guò)水分的蒸發(fā)，以汽化熱的形式去除。通過(guò)發(fā)酵罐壁的傳熱效率較差（固-氣-固）因此，必須掌握熱量傳遞的規(guī)律，建立傳熱及熱量平衡的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)計(jì)算確定空氣的溫度、濕度和通風(fēng)量等工藝參數(shù)。大型固態(tài)發(fā)酵罐設(shè)計(jì)及放大的最大難題——如何去除代謝熱：4.2固態(tài)發(fā)酵物料的特性4.2.1物料層和頂空層物料的宏觀分析4.2.2物料層的微觀分析4.2.3固態(tài)發(fā)酵物料的非均質(zhì)性4.2.4固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中的物質(zhì)傳遞4.2固態(tài)發(fā)酵物料的特性4.2.1物料層和頂空層物料的宏4.2.1物料層和頂空層物料的宏觀分析固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)的物料，由氣體（氣相）和培養(yǎng)物料（固相，包括含結(jié)合水的固相）組成。反應(yīng)器內(nèi)的物料層（fermentationbed），是微生物接種后發(fā)酵培養(yǎng)物的俗稱(chēng)。物料層由培養(yǎng)基質(zhì)和微生物組成，主要是生物反應(yīng)的場(chǎng)所。微生物生長(zhǎng)于物料層的顆粒表面，分解并利用基質(zhì)產(chǎn)生酶和代謝產(chǎn)物。4.2.1物料層和頂空層物料的宏觀分析固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)的物固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)的物料組成：固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)的物料組成：“擬均質(zhì)相”（pseudo-homogeneousphase）：即物料顆粒和顆粒間的氣相到達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，將物料層視為一個(gè)相。相內(nèi)物質(zhì)的分布是均勻的，其理化性質(zhì)是完全相同的。此時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的物質(zhì)是頂空層和物料層之間的交換?！绊斂諏印保╤eadspace），是固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器（一般指轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器）內(nèi)物料層上方被氣體所占據(jù)的空間區(qū)域稱(chēng)為頂空層；物料層的兩種觀點(diǎn)：“擬均質(zhì)相”與“二相”體系?！皵M均質(zhì)相”（pseudo-homogeneousphas“二相”體系：物料層由含菌體的物料顆粒（固相）和顆粒間隙中的氣體（氣相）這二相組成。物料層中的固態(tài)物料顆粒和氣相間發(fā)生物質(zhì)交換和傳遞。外部進(jìn)入的空氣和顆粒間的氣體發(fā)生物質(zhì)和熱量的交換。發(fā)酵工程課件：第十章-固態(tài)發(fā)酵原理與技術(shù)4.2.2物料層的微觀分析從微觀上來(lái)，物料層的組成是：物料基質(zhì)微生物物料顆粒間隙的空間：物料顆粒間隙或顆粒內(nèi)的孔隙的空間中含有氣體，以空氣和水蒸汽為主。4.2.2物料層的微觀分析從微觀上來(lái)，物料層的組成是：9外部進(jìn)入水、氧、焓10排出水、氧、焓11氧、水的對(duì)流13氧、水的擴(kuò)散12攪拌引起的物質(zhì)和熱量的混合1酶的釋放2酶解3葡萄糖的擴(kuò)散及被微生物利用5氧的傳遞和擴(kuò)散6氧被菌體利用4易位7廢熱釋放并傳導(dǎo)8水的蒸發(fā)并擴(kuò)散，焓被帶走15強(qiáng)制對(duì)流，夾套水熱交換反應(yīng)器內(nèi)物料及熱量的宏觀和微觀分析9外部進(jìn)入水、氧、焓10排出水、氧、焓11氧、水的對(duì)流1上頁(yè)圖中文字解釋上頁(yè)圖中文字解釋4.2.3固態(tài)發(fā)酵物料的非均質(zhì)性從微觀上看，物料層的不同部位，微生物菌體濃度、基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度的分布不均勻。生長(zhǎng)于固態(tài)物料中的微生物，基本上是處于靜止?fàn)顟B(tài)，固態(tài)發(fā)酵物料含水量較低，不攪拌時(shí)，物料幾乎不存在對(duì)流，大分子物質(zhì)（如多糖，蛋白質(zhì)），不能溶解于水，在一定時(shí)間內(nèi)，待傳遞的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、產(chǎn)物、微生物及酶之間相對(duì)不動(dòng)，這都造成物質(zhì)傳遞困難。4.2.3固態(tài)發(fā)酵物料的非均質(zhì)性從微觀上看，物料層的不同部液態(tài)發(fā)酵，各種培養(yǎng)基成分均勻地分散（或溶解）在液相中；物質(zhì)濃度的變化與時(shí)間有關(guān)，與其所處的空間位置無(wú)關(guān)。固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)的物質(zhì)濃度不僅與時(shí)間有關(guān)，也與空間位置有關(guān)（徑向距離和軸向距離）。即存在濃度梯度。物料層的不同位置存在濃度梯度，發(fā)酵物料顆粒的不同部位也存在濃度梯度，這是固態(tài)發(fā)酵物料的特征之一。液態(tài)發(fā)酵，各種培養(yǎng)基成分均勻地分散（或溶解）在液相中；物質(zhì)濃

物料顆粒及菌體不同部位各種物質(zhì)的濃度梯度

物料顆粒及菌體不同部位各種物質(zhì)的濃度梯度

4.2.4固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中的物質(zhì)傳遞氣體類(lèi)物質(zhì)的傳遞

固態(tài)類(lèi)物質(zhì)的傳遞

液態(tài)類(lèi)物質(zhì)的傳遞

4.2.4固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中的物質(zhì)傳遞氣體類(lèi)物質(zhì)的傳遞在靜止的氣相層，氧氣和二氧化碳的擴(kuò)散；氣生菌絲消耗氧并釋放出二氧化碳；在物料顆粒表面氧氣和二氧化碳透過(guò)液膜傳遞；在物料顆粒內(nèi)氧和二氧化碳的擴(kuò)散；浸沒(méi)在液相環(huán)境中的菌絲吸收氧氣并釋放出二氧化碳；氧氣通過(guò)一系列的過(guò)程傳遞到微生物細(xì)胞。氣體類(lèi)物質(zhì)的傳遞現(xiàn)象主要包括：在靜止的氣相層，氧氣和二氧化碳的擴(kuò)散；氣體類(lèi)物質(zhì)的傳遞現(xiàn)象主固體類(lèi)物質(zhì)包括：菌體、酶和分子量不等的各種物質(zhì)（淀粉、蛋白質(zhì)、氨基酸、葡萄糖等）。物質(zhì)的溶解：固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中各類(lèi)大分子物質(zhì)在水中不斷地溶解。物質(zhì)的代謝：基質(zhì)中各種分子物質(zhì)在微生物酶的作用下，通過(guò)復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)和調(diào)控機(jī)制進(jìn)行分解代謝和合成代謝，各種物質(zhì)相互關(guān)聯(lián)和作用，形成復(fù)雜的物質(zhì)傳遞鏈。固態(tài)類(lèi)物質(zhì)的傳遞現(xiàn)象主要包括：固體類(lèi)物質(zhì)包括：菌體、酶和分子量不等的各種物質(zhì)（淀粉、蛋白質(zhì)菌體的生長(zhǎng)及酶的分泌：微生物攝取小分子的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)生長(zhǎng)；微生物菌絲體以延伸或分支的方式生長(zhǎng)；氣相菌絲內(nèi)的細(xì)胞器的移位；微生物分泌水解酶；酶在基質(zhì)中的擴(kuò)散。酶對(duì)大分子物質(zhì)的水解作用，產(chǎn)生小分子水解產(chǎn)物。小分子水解產(chǎn)物在物料顆粒內(nèi)的擴(kuò)散。營(yíng)養(yǎng)物在基質(zhì)內(nèi)的擴(kuò)散及被微生物吸收利用。代謝產(chǎn)物的釋放及擴(kuò)散。固態(tài)類(lèi)物質(zhì)的傳遞現(xiàn)象主要包括：菌體的生長(zhǎng)及酶的分泌：微生物攝取小分子的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)生長(zhǎng)；微生物固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中的水分發(fā)揮著極為特殊的橋梁和介質(zhì)的作用。固態(tài)物質(zhì)和氣態(tài)物質(zhì)都要溶解于水中才能進(jìn)行傳遞。水分自身不斷地產(chǎn)生和被消耗，并在反應(yīng)器內(nèi)的固相和氣相之間進(jìn)行傳遞。液態(tài)類(lèi)物質(zhì)的傳遞現(xiàn)象包括：固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中的水分發(fā)揮著極為特殊的橋梁和介質(zhì)的作用。液態(tài)類(lèi)水分傳遞的方式：微生物的生長(zhǎng)或維持等代謝活動(dòng)釋放代謝水分；新細(xì)胞吸收利用水；在物料顆粒內(nèi)水的擴(kuò)散；在顆粒表面水膜上水的蒸發(fā)；在靜態(tài)氣相層中水汽的擴(kuò)散；氣相中的水汽凝結(jié)成液態(tài)水（附著于罐壁或固態(tài)基質(zhì)中）。水分傳遞的方式：4.3固態(tài)發(fā)酵過(guò)程氧的傳遞固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器通風(fēng)方式有兩種：強(qiáng)制通風(fēng)：空氣主體穿過(guò)物料層主體（從料層下方通入，上方排出，或相反）；強(qiáng)制通風(fēng)時(shí)空氣應(yīng)具有一定的壓力。非強(qiáng)制通風(fēng)：空氣主體與物料主體大致分屬于兩個(gè)不同區(qū)域。舉例：淺盤(pán)式發(fā)酵，氣體通過(guò)自然擴(kuò)散與固相物料接觸；而臥式轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器，空氣從反應(yīng)器的一端的頂空層進(jìn)入，當(dāng)物料層在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)運(yùn)動(dòng)（運(yùn)動(dòng)方式有多種）時(shí)，一部分物料與頂空層的部分氣體接觸而發(fā)生氣體物質(zhì)的交換。4.3固態(tài)發(fā)酵過(guò)程氧的傳遞固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器通風(fēng)方式有兩種：4.3.1液態(tài)和固態(tài)發(fā)酵氧傳遞的區(qū)別4.3.1液態(tài)和固態(tài)發(fā)酵氧傳遞的區(qū)別4.3.2濕菌體層模型Onstra等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了葡萄糖和淀粉培養(yǎng)基上固態(tài)培養(yǎng)根霉時(shí)顆粒內(nèi)的氧傳遞及氧氣擴(kuò)散限制問(wèn)題，提出了固態(tài)發(fā)酵濕菌體層和基質(zhì)的模型。4.3.2濕菌體層模型Onstra等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了葡萄糖和

4.3.3固態(tài)發(fā)酵氧傳遞過(guò)程氧氣向物料層內(nèi)的擴(kuò)散速率是由物料層的傳質(zhì)特性決定的：菌體在固體顆粒表面生長(zhǎng)，改變了物料層的多孔性，使物料層發(fā)生了收縮，影響氧氣的擴(kuò)散速率；同時(shí)，CO2的反向擴(kuò)散，也使氧氣向內(nèi)擴(kuò)散變得更加困難，這就是固態(tài)發(fā)酵中氧氣傳質(zhì)的一大難點(diǎn)。由于氧氣傳質(zhì)擴(kuò)散阻力的存在，固體顆粒表面的氧氣很難傳遞到顆粒內(nèi)部，使物料顆粒內(nèi)部缺氧。4.3.3固態(tài)發(fā)酵氧傳遞過(guò)程氧氣向物料層內(nèi)的擴(kuò)散速率是由物微觀角度考察氧氣在物料層中的傳遞：按物料層的“二相理論”，物料層由物料顆粒及顆粒間隙的氣體所組成。物料顆粒是含基質(zhì)、菌體層、水膜、氣膜的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，氧氣從氣相主體到物料顆粒內(nèi)部的具體傳遞過(guò)程可用圖4-6表示。微觀角度考察氧氣在物料層中的傳遞：O2

固態(tài)基質(zhì)顆粒

濕菌體層（水膜）

靜止的空氣層（氣膜）CO2圖4-6固態(tài)發(fā)酵氧傳遞過(guò)程

(當(dāng)物料層被分為氣相和固體顆粒相時(shí))

（1）氧從氣相主體中向物料顆?？障兜膫鬟f，即通風(fēng)時(shí)，新鮮的空氣穿過(guò)固態(tài)物料層，和固態(tài)物料顆粒間隙的氣體置換和交換，傳質(zhì)速度與物料堆積的緊密程度有關(guān)，與顆粒的大小及孔隙率有關(guān)；（2）氧在顆粒間隙空間內(nèi)的擴(kuò)散；（3）在某些情況下，暴露于空氣中的菌絲體可直接從空氣中吸收氧氣；但大多數(shù)情況菌絲體需從液體中吸收氧。氧傳遞過(guò)程（1）氧從氣相主體中向物料顆粒空隙的傳遞，即通風(fēng)時(shí)，新鮮的空（4）氧從物料顆粒間隙的氣相主體向物料表面氣膜的轉(zhuǎn)移；（5）氣體通過(guò)顆粒表面的氣膜向氣-液界面的擴(kuò)散；固態(tài)發(fā)酵物料的顆粒小，單位體積的物料的表面積大，氣-液界面積大，傳氧速率較高；（6）氧氣穿過(guò)氣-液界面進(jìn)入水膜，并在水膜中的擴(kuò)散，水膜也是菌絲體密集所在地；（7）水膜中的溶解氧被微生物利用；（4）氧從物料顆粒間隙的氣相主體向物料表面氣膜的轉(zhuǎn)移；4.3.4固態(tài)發(fā)酵氧傳遞的限速步驟兩種觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)：固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中，氧的傳遞不受限制；另一種觀點(diǎn)：氧傳遞限速步驟在于界面：界面有氣-液界面、和固-菌體界面；也有人將菌體層和水膜視作一層生物膜，生物膜（濕菌體層），包括菌體及菌體層內(nèi)所含有的水。目前較為普遍接受的觀點(diǎn)：氧從氣-液界面進(jìn)入到濕菌體層后在濕菌體中（水膜）的擴(kuò)散步驟是限速步驟；濕菌體層的厚度和氣-液界面面積是固態(tài)發(fā)酵傳氧的關(guān)鍵參數(shù)。4.3.4固態(tài)發(fā)酵氧傳遞的限速步驟兩種觀點(diǎn)：4.3.5工程變量對(duì)固態(tài)發(fā)酵傳氧的影響理論上，影響菌體層中氧濃度的四個(gè)因素：（1）濕菌體層的厚度L；（2）濕菌體層的密度ρx；（3）濕菌體層中菌絲體的比呼吸活力qo；（4）在濕菌體層的氧氣擴(kuò)散系數(shù)De：有效擴(kuò)散系數(shù)De（m2/s）除了和擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)外，還與孔隙率及物料孔隙的路徑曲折因子有關(guān)。4.3.5工程變量對(duì)固態(tài)發(fā)酵傳氧的影響理論上，影響菌體層中4.3.6攝氧速率

只考慮微生物生長(zhǎng)和維持時(shí)的攝氧需求時(shí)：攝氧速率（Oxygenuptakerate，有時(shí)也稱(chēng)為耗氧速率，Oxygenconsumpotionrate）rO：比攝氧速率qo：

4.3.6攝氧速率只考慮微生物生長(zhǎng)和維持時(shí)的攝氧需求時(shí)4.4水的傳遞與物料平衡水在固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中的作用：水為溶劑，溶于水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，才能被微生物利用；水作為熱熵值很高的介質(zhì)，調(diào)節(jié)物料發(fā)酵溫度。4.4水的傳遞與物料平衡水在固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中的作用：2023/9/815480發(fā)酵過(guò)程中水分的增減：菌體生長(zhǎng)需要攝取一定的水分；代謝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生或消耗水分；淀粉的水解需要水分；潮濕空氣通過(guò)培養(yǎng)基時(shí)會(huì)帶入水分。蒸發(fā)。蒸發(fā)散熱是最主要的降溫措施，但導(dǎo)致水分損失，培養(yǎng)過(guò)程中必須在連續(xù)混勻物料時(shí)適時(shí)補(bǔ)水。2023/8/315480發(fā)酵過(guò)程中水分的增減：4.4.1固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中水的存在形式固態(tài)發(fā)酵的程中水的存在形式有：氣相中的水汽、液態(tài)自由水（物料顆粒表面的水膜或水滴、毛細(xì)管內(nèi)的水、顆粒間隙中的水分）、物料的結(jié)合水（boundwater）。氣相中的水汽，包括：頂空層氣相中的水汽；顆粒間隙中氣相中的水汽。4.4.1固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中水的存在形式固態(tài)發(fā)酵的程中水的存在固態(tài)物料中的水分，大多以結(jié)合水的形式存在。自由水能被微生物利用，結(jié)合水則不能。結(jié)合水分為:（1）化學(xué)結(jié)合水：基質(zhì)中化合物的結(jié)晶水以及與某些化合物以氫鍵連結(jié)的水分；（2）物理結(jié)合水：被吸附在物料粒子外層的水分；溶液狀態(tài)的水分：包括構(gòu)成液態(tài)物料的水分以及構(gòu)成固態(tài)物料的生物細(xì)胞內(nèi)溶液、細(xì)胞破裂后排出或滲透出細(xì)胞外的溶液。結(jié)合水：固態(tài)物料中的水分，大多以結(jié)合水的形式存在。自由水能被微生物利還有一種與生物大分子結(jié)合的組成型的水，是非水組分物質(zhì)的組成部分，這種類(lèi)型的水含量很少，處于折疊成團(tuán)的大分子的內(nèi)部深處，基本上不參與化學(xué)反應(yīng)。從微生物利用水的角度來(lái)看，將水分為胞內(nèi)水分、胞外水分（即菌體之外的所有水分，包括物料基質(zhì)中的水分）。還有一種與生物大分子結(jié)合的組成型的水，是非水組分物質(zhì)的組成部4.4.2水活度和水分含量4.4.2.1水活度在固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中，水活度比水分含量意義更大，因?yàn)樗只疃确从沉宋锪吓c水親和能力的大小，表示物料中所含的水分作為生物化學(xué)反應(yīng)和微生物生長(zhǎng)的可利用價(jià)值。微生物在固態(tài)基質(zhì)上的生長(zhǎng)取決于水活度，固態(tài)物料水分的蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)力是固態(tài)物料的水活度與飽和水活度之差。水活度aw被定義為：f—溶劑的逸度（逸度是溶劑從溶液中逃脫的趨勢(shì)）；f0—純?nèi)軇┑囊荻取?.4.2水活度和水分含量4.4.2.1水活度f(wàn)—溶水活度aw在固態(tài)發(fā)酵方面值得研究的內(nèi)容：水活度對(duì)固態(tài)發(fā)酵中微生物生長(zhǎng)的影響，水活度對(duì)生物大分子（如酶）的存在形式，尤其是水活度對(duì)酶分子的活性中心及作用方式的影響，水活度與培養(yǎng)基中水分含量的關(guān)系，培養(yǎng)條件（如溫度、濕度、壓力、通風(fēng)量和培養(yǎng)基不同的成分等）對(duì)水活度的影響，水活度與代謝的關(guān)系等還沒(méi)有研究。水活度aw在固態(tài)發(fā)酵方面值得研究的內(nèi)容：4.4.2.2水分含量固態(tài)發(fā)酵物料水分含量分濕基含水量和干基含水量?jī)煞N：濕基含水量（kg/kg）：是以濕物料為計(jì)算基準(zhǔn)：

干基含水量（kg/kg）：是以絕干物料為計(jì)算基準(zhǔn)：4.4.2.2水分含量固態(tài)發(fā)酵物料水分含量分濕基含水量和4.4.2.3水活度與基質(zhì)水分含量的關(guān)系水分含量與水活度并不是正比關(guān)系，與溫度及物料性質(zhì)有關(guān)。溫度的影響：同一物料含水量相同時(shí)，溫度越高，則其水活度越大。這可從水活度的定義加以解釋。因?yàn)闇囟仍礁撸揭渍舭l(fā)逃逸。物料性質(zhì)影響：不同種類(lèi)但水分含量相同的物料，水活度不一定相同。如未接種的物料和發(fā)酵過(guò)的物料的水活度會(huì)相差很大。溶質(zhì)濃度不同的物料，水活度也不同。如葡萄糖濃度高會(huì)導(dǎo)致水活度的嚴(yán)重下降。4.4.2.3水活度與基質(zhì)水分含量的關(guān)系水分含量與水活度并Nagel等提出了水活度和基質(zhì)最初水分含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，蒸汽滅過(guò)菌，物料溫度為35℃的小麥粒的水分含量與水活度的關(guān)系見(jiàn)計(jì)算式（5-6）。式中Xw,wh—小麥基質(zhì)最初水分含量，kg水/kg干物質(zhì)。Nagel等提出了水活度和基質(zhì)最初水分含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，蒸汽滅4.4.3水分的傳遞以轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器為例，將轉(zhuǎn)鼓式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器分為頂空氣相和固相物料層兩個(gè)亞系統(tǒng)。轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器內(nèi)的水分傳遞可用圖5-8表示。4.4.3水分的傳遞以轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器為例，將轉(zhuǎn)鼓式固態(tài)發(fā)酵反（1）外部空氣進(jìn)入頂空層，空氣中帶入水分；（2）空氣排出，帶出水分。（3）物料層水分的蒸發(fā)，即物料層表面的顆粒的水分蒸發(fā)到頂空層；（4）頂空層空氣中濕度很大，水汽可能凝結(jié)到物料中；（5）物料層內(nèi)顆粒之間也存在水分傳遞；（6）外加水的操作給物料層帶入水分。（1）外部空氣進(jìn)入頂空層，空氣中帶入水分；（4）頂空層空氣中2023/9/816580在氣相中水分的傳遞，主要是濕度的差別所導(dǎo)致的水分子的擴(kuò)散。與外部空氣的水分的交換速度取決于進(jìn)出空氣的流量、濕度及溫度。2023/8/316580在氣相中水分的傳遞，主要是濕度的差水分在固態(tài)物料中的傳遞方式：分子擴(kuò)散，對(duì)流傳遞。從宏觀上看，固態(tài)發(fā)酵物料，在原料預(yù)處理過(guò)程（如浸泡，蒸煮）時(shí)，已吸收足夠的水分。但在培養(yǎng)過(guò)程中，由于微生物生長(zhǎng)及代謝面攝取水分及水分蒸發(fā)，物料局部水分含量下降，形成不同部位物料水分的濃度梯度。從微觀上看，物料顆粒內(nèi)和物料顆粒間都有水分的傳遞，微生物的細(xì)胞內(nèi)外也存在水分傳遞。水分在固態(tài)物料中的傳遞方式：分子擴(kuò)散，對(duì)流傳遞。物料顆粒內(nèi)的水分傳遞：由于受供氧的限制，好氧微生物主要在物料顆粒的外表面生長(zhǎng)。新的菌體細(xì)胞攝取水分和水分的蒸發(fā)也在顆粒的表面，故顆粒表面的水分含量較低，水分通過(guò)擴(kuò)散由顆粒內(nèi)傳到物料表面。物料顆粒的表面和內(nèi)部的含水量不同，由于水分濃度梯度的存在，物料顆粒內(nèi)自動(dòng)發(fā)生水的擴(kuò)散。另外，微生物菌絲總是就近攝取糖分，這就會(huì)造成在物料顆粒的不同部位上溶質(zhì)濃度形成梯度。溶質(zhì)的濃度梯度所導(dǎo)致的水分的濃度梯度也同樣存在，由此產(chǎn)生水分的擴(kuò)散。物料顆粒內(nèi)的水分傳遞：噴灑水的分布（顆粒間水分的傳遞）：物料顆粒之間傳遞的水主要是游離水。假定已被顆粒吸收的水分不會(huì)被傳遞到相鄰的其它顆粒上；顆粒間水分的傳遞僅限于顆粒表面的游離水。物料顆粒中所含有水包括被物料吸收的水和游離水。在混勻物料層噴水過(guò)程中，水分的傳遞過(guò)程分為三種情況：（1）外部噴水傳到物料顆粒；（2）水分被物料顆粒吸收；（3）水在相鄰的物料顆粒間傳遞噴灑水的分布（顆粒間水分的傳遞）：4.4.4與微生物代謝活動(dòng)有關(guān)的水的平衡計(jì)算微生物的生長(zhǎng)或維持所產(chǎn)生的水量在固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)過(guò)程中所占的比例很小，但由于其靠近微生物，故其作用也不可忽視。平衡方程：反應(yīng)器中水的積累速率=空氣進(jìn)出反應(yīng)器時(shí)所帶走的水分（即蒸發(fā)的水分）-菌體生長(zhǎng)新細(xì)胞攝取的水分+代謝產(chǎn)生的水分-水解淀粉所需要的水分。4.4.4與微生物代謝活動(dòng)有關(guān)的水的平衡計(jì)算微生物的生長(zhǎng)或4.4.5水分蒸發(fā)及蒸發(fā)熱的去除5.4.5.1固態(tài)發(fā)酵水分蒸發(fā)速率及其熱量去除速率的計(jì)算在固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中，當(dāng)強(qiáng)制通風(fēng)的空氣通過(guò)物料層時(shí)，固態(tài)物料表面蒸發(fā)水分到氣流中去。水分的蒸發(fā)導(dǎo)致培養(yǎng)物料失去水分，對(duì)發(fā)酵造成不利影響。蒸發(fā)散熱是培養(yǎng)物料冷卻的主要方式，蒸發(fā)水量分與發(fā)酵過(guò)程中生物反應(yīng)熱的熱量有關(guān)。4.4.5水分蒸發(fā)及蒸發(fā)熱的去除5.4.5.1固態(tài)發(fā)酵在計(jì)算水分蒸發(fā)時(shí)，將物料層視為二相體系?？筛鶕?jù)固態(tài)物料的水活度的變化計(jì)算水的蒸發(fā)速度R蒸發(fā)。水分的蒸發(fā)速度和物料的水活度（aws）與氣相達(dá)到平衡時(shí)的物料的水活度（aws*）之差成正比，和固體與氣相的接觸面積A成正比，同時(shí)也和水汽的質(zhì)量傳遞系數(shù)（kw）成正比。在計(jì)算水分蒸發(fā)時(shí)，將物料層視為二相體系。強(qiáng)制通風(fēng)固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中，降低物料溫度主要靠二種機(jī)理：一是依靠進(jìn)、出空氣的顯熱變化實(shí)現(xiàn)降溫，即當(dāng)進(jìn)口空氣的溫度低于物料的溫度，排出的氣體將物料的熱量帶走；其二是蒸發(fā)潛熱（也稱(chēng)為相變潛熱），這是固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中降低發(fā)酵物料溫度的主要機(jī)理。通風(fēng)空氣中的相對(duì)濕度較小，物料中的水分含量較大，顆粒間隙中氣相的相對(duì)濕度幾乎為100%，物料空隙中的水汽轉(zhuǎn)移通入的空氣中，物料中的水分不斷地被汽化蒸發(fā)補(bǔ)充到物料間隙中。水分汽化時(shí)需要消耗大量的熱量（汽化潛熱，或蒸發(fā)熱）。強(qiáng)制通風(fēng)固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中，降低物料溫度主要靠二種機(jī)理：4.4.5.2強(qiáng)制通風(fēng)時(shí)物料水分的損失及熱量去除4.4.5.2強(qiáng)制通風(fēng)時(shí)物料水分的損失及熱量去除

4.5物料質(zhì)量傳遞與物料平衡固態(tài)發(fā)酵大部分物料成分是難溶于水的大分子，在微生物酶的作用下可變?yōu)樾》肿拥奶穷?lèi)物質(zhì)或氨基酸或肽類(lèi)物質(zhì)；發(fā)酵基質(zhì)表面和細(xì)胞外周通常會(huì)有一層水膜，便于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)溶解，溶解于液相水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)才能被微生物利用。在液體相中，菌體產(chǎn)生的胞外酶，通過(guò)擴(kuò)散也可分布到培養(yǎng)基質(zhì)中。4.5物料質(zhì)量傳遞與物料平衡固態(tài)發(fā)酵大部分物料成分是難溶4.5.1固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)的濃度梯度及擴(kuò)散相對(duì)于液態(tài)發(fā)酵，固態(tài)發(fā)酵的基質(zhì)濃度相對(duì)要高得多。原因：營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不完全溶于水；載體吸附。Gustavo發(fā)現(xiàn)固態(tài)發(fā)酵對(duì)分解代謝阻遏具有抵抗作用，這種抵抗作用與固態(tài)基質(zhì)作為載體有一定的關(guān)系。某些物質(zhì)在吸附能力強(qiáng)的固態(tài)基質(zhì)中易產(chǎn)生濃度梯度，即靠近微生物一側(cè)，碳源的濃度低，遠(yuǎn)離微生物，碳源濃度高。4.5.1固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)的濃度梯度及擴(kuò)散相對(duì)于液態(tài)發(fā)酵，固態(tài)舉例：玉米芯和甘蔗渣作為載體，當(dāng)葡萄糖等易代謝的糖的濃度達(dá)到10g/L時(shí)，就發(fā)生分解代謝阻遏；而用麩皮作載體，即使糖的濃度達(dá)到100g/L，也不會(huì)發(fā)生分解代謝阻遏。原因：載體對(duì)糖的吸收能力強(qiáng)的，分解代謝阻遏現(xiàn)象較少（如麩皮）；而載體對(duì)糖的吸收能力差的（如聚氨酯泡沫作為惰性載體），分解代謝阻遏不可避免。根據(jù)此現(xiàn)象，Gustavo認(rèn)為在固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)中，易利用碳源存在濃度梯度。舉例：濃度梯度形成的機(jī)理：可以用傳統(tǒng)的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的理論解釋?zhuān)禾荚丛谳d體上通過(guò)擴(kuò)散傳遞到微生物表面。微生物利用碳源的速率快，擴(kuò)散速度跟不上消耗速率，會(huì)形成濃度梯度。微生物表面的碳源濃度總是處于較低的水平，因而就不存在分解代謝阻遏的基礎(chǔ)。固態(tài)發(fā)酵微生物對(duì)分解代謝阻遏具有抵抗作用的原因在于碳源的傳遞速度小于碳源的消耗速度；而造成傳遞速度慢的原因是固態(tài)培養(yǎng)基中的填充物可選擇性地吸附碳源物質(zhì)，使其移動(dòng)速度下降。濃度梯度形成的機(jī)理：

4.5.2發(fā)酵培養(yǎng)物的物料衡算發(fā)酵培養(yǎng)物（fermentingmedium,W）是菌體X，殘余基質(zhì)S，產(chǎn)物P的混合物。菌體：和培養(yǎng)基質(zhì)相互纏結(jié)，菌體量和基質(zhì)無(wú)法分離，準(zhǔn)確定量困難。殘余基質(zhì)：又分為可被微生物利用的基質(zhì)及惰性基質(zhì)（即無(wú)法被微生物利用，在培養(yǎng)基中其含量不發(fā)生變化）。產(chǎn)物：有目的產(chǎn)物和非目的產(chǎn)物。非目的產(chǎn)物種類(lèi)多，無(wú)法準(zhǔn)確定量，一般不予考慮。4.5.2發(fā)酵培養(yǎng)物的物料衡算發(fā)酵培養(yǎng)物（fermenti

Bozani將固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)物W（包括可利用的基質(zhì)，菌體，產(chǎn)物和隋