第十章 固态发酵原理与技术

1、2020/6/22,1,第四章 固态发酵原理与技术,2020/6/22,2,第一节 概述 第二节 固态发酵过程的控制 第三节 固态发酵技术,主要内容：,2020/6/22,3,第一节 概述,2020/6/22,4,固体基质发酵（solid substrate fermentation）： 一切使用不溶性固体基质来培养微生物的工艺过程，称为固体基质发酵，包括固体悬浮在液体中的深层发酵，也包括没有（或几乎没有）游离水的湿固体材料上培养微生物的工艺过程。 固态发酵（solid state fermentation）： 没有或几乎没有自有水存在下，在有一定湿度的水不溶性固体基质中，一种或多种微生物的一

2、个生物反应过程。,一、固态发酵的定义,2020/6/22,5,问题 固体基质发酵和固态发酵有何区别？,2020/6/22,6,固态发酵与液态发酵比较分析,固态发酵中微生物生长在缺乏或几乎缺乏可见液体水的颗粒之间，在固态发酵系统中，微生物可以从湿的基质颗粒中获得所需的水分。 固体发酵基质的含水量可以有效控制在1280之间，大多含水量在60左右。而典型的深层液体发酵的发酵液中只有5左右的溶质，至少有95的水。当前发酵工业所使用的主要是深层液态发酵。,2020/6/22,7,从生物反应过程的本质考虑，固态发酵是以气相为连续相的生物反应过程，与此相反，液态发酵是以液相为连续相的生物反应过程。 从这个定

3、义中可以充分认识固态发酵的特点，以及与液态发酵本质的区别。,2020/6/22,8,醋生产车间,2020/6/22,9,酱油生产,2020/6/22,10,传统汾酒酿酒车间,2020/6/22,11,世界最大纯粮固态发酵酿酒车间,高青县城的山东扳倒井集团第九纯粮固态发酵酿酒生产车间,2020/6/22,12,2020/6/22,13,木质素酶固态发酵,2020/6/22,14,2020/6/22,15,2020/6/22,16,二、固态发酵的特点,1、固态发酵培养基中没有游离水的流动，水是培养基中较低的组分。培养基中水活度在0.99以下，适宜于水活度在0.930.98的微生物生长，限制了应用范

4、围，同时也限制了某些杂菌的生长。 2、微生物从湿的固态基质吸收营养物，营养物浓度存在梯度，发酵不均匀，菌体的生长、对营养物的吸收和代谢产物的分泌存在不均匀。,2020/6/22,17,3、固态发酵中培养基提供的与气体的接触面积要比液体深层发酵中与气泡的接触面积大得多，供氧更充足，同时，空气通过固体层得阻力较小，能量消耗低。 4、使用固体原料，在发酵过程中，糖化和发酵过程同时进行，简化操作工序，节约能耗。 5、高底物浓度可以产生高的产物浓度。 6、由于产物浓度高，提取工艺简单可控，没有大量有机废液产生，但提取物含有底物成分。 7、生产机械化程度较低，缺乏在线传感仪器，过程控制较困难。,2020/

5、6/22,18,80,2020/6/22,19,2020/6/22,20,三、固态发酵的分类,1、自然富集固态发酵 2、强化微生物混合固态发酵 3、限定微生物混合固态发酵 4、单菌固态纯种发酵,2020/6/22,21,1、自然富集固态发酵,是指利用自然界中微生物，由不断演替的微生物进行的富集混合发酵过程。 例如传统的酒曲、酱油和堆肥发酵等，不需要接种微生物，而是依赖空气和物料中的自然微生物区系，由多种微生物演替成最适于生长代谢或共同协作的小生态环境。,2020/6/22,22,2、强化微生物混合固态发酵,是指在自然富集固态发酵的基础上，根据人们部分掌握的微生物代谢机制，强化接种微生物菌系不明

6、确的富集培养物或特定微生物培养物所进行的混合发酵。 例如沼气发酵、白酒发酵及废物发酵降解处理等。,2020/6/22,23,3、限定微生物混合固态发酵,是在对微生物相互作用和群落认识的基础上，接种混合培养的微生物是已知和确定的，通常使用两种或两种以上经过分离纯化的微生物纯种，同时或先后接种在灭菌的培养基中，在无污染条件下进行的固态发酵过程。,2020/6/22,24,4、单菌固态纯种发酵,是在纯种培养基础上建立起来的，采用已知的单一微生物菌种，接种在灭菌的固态培养基中，在无菌条件下进行的固态发酵过程。 它对于扩大固态发酵的应用范围和潜力的发挥起到非常重要的作用，是固态发酵的重要方向。,2020

7、/6/22,25,四、固态发酵反应器,1、静态固态发酵反应器,塔柱式,2020/6/22,26,浅盘式,1浅盘室； 2水阀门； 3紫外灯管； 4，8，13空气阀门； 5，11空气过滤器； 6排气口； 7加湿器； 9加热器； 10空气循环； 12进气口； 14浅盘； 15浅盘架,2020/6/22,27,圆盘固体发酵机,2020/6/22,28,强制通风物料静态反应器,1发酵罐； 2空气调节阀门； 3空气温度传感器； 4湿度传感器； 5排气阀； 6温度控制； 7加湿器； 8冷却盘管； 9加热器； LP液面探针； RH相对湿度调节器,2020/6/22,29,强制通风填充床反应器,2020/6/2

8、2,30,80,图45 Koji工业制曲设备 1曲室；2多孔板；3旋转机；4，11卸料螺杆机；5空气调节器；6鼓风机；7排气管；8调节阀；9空气过滤器；10装料机；12控制台,2020/6/22,31,80,2020/6/22,32,2、动态固态发酵反应器 （1）转鼓式,2020/6/22,33,（2）带机械搅拌的筒柱式,图47 搅拌式固态发酵反应器 1搅拌架电机；2搅拌桨电机；3接种和喷水口；4温度传感器；5测重仪；6湿度传感器；7冷却器；8湿度调节器；9空气流量器；10鼓风机；11加热器；12空气过滤器；13空气冷却器,2020/6/22,34,滚筒发酵机,2020/6/22,35,80,

9、（3）流化床反应器,2020/6/22,36,粉剂硫化床,2020/6/22,37,（4）塔式反应器,2020/6/22,38,脱氯塔,2020/6/22,39,一酸塔,2020/6/22,40,2020/6/22,41,3、实验室固态发酵反应器、中试固态发酵反应器与工业级固态发酵反应器,按照固态发酵反应器所承载的固体物料多少不同，可将固态发酵反应器分为三大类： 第一类是实验室固态发酵反应器 可进行克级规模固体物料的固态发酵实验； 第二类是中试固态发酵反应器 一般进行千克级固体物料的固态发酵试验； 第三类是工业级固态发酵反应器 可应用于工业生产，承载吨级固体物料。,2020/6/22,42,4

10、、固态发酵研究取得的主要进展,1) 由敞开式发酵到封闭式发酵 敞开式发酵虽然投资少、操作方便，但大规模生产有散热困难、易污染等问题。封闭式发酵罐可以彻底灭菌，便于控制发酵罐中的温度。,2020/6/22,43,2) 从经验发酵到控制发酵 液体发酵可实现电子汁算机控制，对发酵过程中的参数实现预测。目前在固态发酵中也可测定基质含水量。基质含水量是决定固态发酵成功与否的关键因素之一。 如在固态流化床反应器中，培养基的水分依据流化层内的电极和塔壁间静电容量值，从喷嘴喷出无菌水雾加以控制； 在厚层通风池中固态发酵，其培养温度可通过继电器控制池内温度保持在30左右。,2020/6/22,44,在固态发酵中

11、，真菌的菌丝穿插于基质之间，吸附性强，多数常规测定方法都无法使用。 现常用间接测定方法，如测定菌体蛋白质，测定氧摄入、二氧化碳的排出、ATP含量和葡萄糖胺含量，测定某些酶的活性(同菌体量成正比的酶)等方法。虽然pH值也是影响菌体生长代谢的关键因素之一，但固态发酵的某些基质的优良缓冲性能帮助减少对pH控制的需要。,2020/6/22,45,3）从浅盘式发酵到机械化发酵 中国现在酿造业的固体曲制备常采用厚层通风池发酵，这些发酵设备占地面积大、劳动强度大。国外已研制出密闭的柱形固态发酵罐，完全机械化操作，日发酵1000Kg物料。中国己研制出可装料800kg的圆片制曲机，能半机械化连续操作。,2020

12、/6/22,46,4）从固态单菌发酵到固态混合发酵 由于纯种培养技术的迅速发展而一度受到冷落的混合培养技术，现又逐步受到重视。在这些天然混合物和非均质的基质中，几种微生物能找到最适于发育和共生协作的小生态环境。 由于同时利用不同菌株进行共同培养，增加了培养物的基因库容量, 完成单菌难以完成的复杂的转化过程，达到提高基质产率和生产效率等目的。,2020/6/22,47,5）从堆积发酵到流化态发酵 固态生化反应器由简单浅盘发酵到机械化发酵罐，它们还都是堆积发酵。 现日本已兴起流化床培养，活力可提高到5-10倍。,2020/6/22,48,6）从上下游过程分别操作到组合操作 发酵工业过程主要由发酵过

13、程（也称上游过程）和产物分离过程(下游过程)两部分组成。 现大多数工业是把发酵过程和产物分离纯化过程分别放在不同操作单元中完成，并前后连接成一个整体。,2020/6/22,49,五、固态发酵发展趋势和应用前景,固态发酵可利用多种工农业残渣作为底物大量生产化学物质，在有机酸、酒精、单细胞蛋白、蘑菇、酶制剂、生物活性物质及风味物质等，尽管上述研究有的还处在实验室研究阶段，但固态发酵被认为是可再生性资源综合利用最有希望的途径，是解决当前人类所面临的“三大”危机的一个有效手段。 当前，许多工农业残渣、城市生活垃圾已成为人们的社会公害，对人类的生存环境均产生不利的影响。,2020/6/22,50,第二节

14、 固态发酵过程的控制,一、固态发酵微生物及生长机制 1、适合固态发酵微生物特征, 能够利用多糖的混合物； 有完整的酶系，可以迅速从对某一种多糖的代谢转为对另一种多糖的代谢； 能够深入到料层中，也能穿入基质细胞内；,2020/6/22,51, 在发酵过程中以菌丝形式生长，而不易孢子化； 生长迅速，染菌概率小； 可以在含水量低的基质中生长； 能够耐受高浓度的营养盐； 可以耐受基质预处理过程中产生的苯类等有毒物质。,2020/6/22,52,2、界面作用,（1）营养物在界面上的富集 （2）界面分布的微生物 （3）微生物界面效应的意义,2020/6/22,53,3、固态基质中丝状微生物的生长,顶端生长

15、：丝状真菌的生长是以其顶端延长的方式进行的，顶端之后的菌丝只能变厚而不能伸长；在生长过程中又靠顶端延伸的方式产生繁茂的分枝而构成真菌的菌落，可见真菌的生长主要表现在菌丝顶端的生长。,2020/6/22,54,外层是不定形的组分，主要是蛋白质、甘露聚糖和葡聚糖；内层是定形的，由几丁质、纤维素或二者组成的微纤。 顶部后面坚硬的细胞壁和复杂的分支系统使得菌丝牢固地固定在底物上，并产生强大的内压使顶部延伸有了动力。,菌丝的化学组成,2020/6/22,55,4、固态基质中细菌和酵母菌的生长,自然沤肥 ： 湿润的有机物被一系列微生物所分解，其中，由于嗜热芽孢杆菌的代谢活动，在木质纤维素类物质的分解过程中

16、，会产生大量的代谢热，导致培养基内温度高达60以上。,2020/6/22,56,饲料的青贮 ： 是由细菌参与的自然固态发酵过程，尤其是在发酵过程的后期，随着发酵过程的进行，体系的pH值降低，同时培养基内局部的氧被耗尽，造成培养基内变成厌氧环境，从而抑制了真菌的生长。,2020/6/22,57,纳豆 ： 是日本的一种风味食品，它主要是由枯草芽孢杆菌发酵蒸煮过的大豆而制成。 在严格无菌条件下，细菌被越来越多地用于固态发酵过程，如利用芽孢杆菌(Bacillus spp)发酵麸皮生产淀粉酶等。,2020/6/22,58,利用酵母菌的纯种固态发酵果皮及其他废弃物产酒精，也愈来愈引起人们的重视。 在淀粉类

17、物质为底物的同步糖化发酵过程中，淀粉酶和酵母菌被同时引入固态发酵系统，酵母菌的存在还有利于提高发酵产品中的蛋白质含量。,2020/6/22,59,二、固态发酵基质原料,玉米秸秆、玉米芯、小麦秸秆、水稻秸秆、麸皮、稻壳、玉米、大米、小米、大豆、甘蔗渣、酒糟、木薯、玉米皮渣等。 为了使底物更容易被微生物利用，经常对底物进行化学或机械物理处理，如采用酸、碱进行化学水解处理或采用爆碎、粉碎、研磨等物理处理。,2020/6/22,60,（1）固体基质的大分子结构 （2）颗粒大小影响微生物的生长 （3）颗粒形状 （4）颗粒的多孔性 （5）颗粒均匀性及硬度,固体发酵基质原料影响微生物生长的因素,2020/6

18、/22,61,（1）复杂的，非均一的基质结构。 （2）基质的不同批次之间的差异。 （3）发酵基质混合上的困难。 （4）微生物在基质颗粒间活力的不均匀性。,固态发酵基质的差异性,2020/6/22,62,三、影响固态发酵过程的主要参数,1、湿度与水活度 2、温度与热量传递 3、通气与传质过程 4、pH值,2020/6/22,63,1、湿度与水活度,2020/6/22,64,2、温度和热量传递 （1）温度： 高温 影响孢子的萌芽、生长、代谢产物的形成及孢子形成 低温 不利于微生物生长及其他生化反应 （2）热量传递： 固体培养基颗粒内热量的传递过程 热量在颗粒表面到颗粒间气相的传递,2020/6/2

19、2,65,3、通气与传质过程 传质过程 （1）微观传质过程：细胞水平的传质过程、颗粒内的传质过程 （2）宏观传质过程： 空气进入和传出生物反应器的过程。 在没有强制通风的情况下，随着空气流动而发生的自然对流、扩散过程等。 在生物反应器壁内与周围环境之间在发生的传质过程。 搅拌过程中的剪切效果。,2020/6/22,66,好氧微生物固态发酵中氧传递： （1）气体与固体培养基颗粒间的传质 （2）颗粒内氧的扩散 （3）氧气从气相主体到微生物的传递过程 传质状况的改善： 以颗粒状或纤维状物质做底物； 减少底物厚度； 增大底物间空隙； 搅拌底物和使用转鼓反应器。,2020/6/22,67,4、pH,20

20、20/6/22,68,第三节 固态发酵技术,2020/6/22,69,80,一、混合固态发酵技术 （一）混合固态发酵概念,混合发酵(mixed fermentation) ：许多发酵过程是纯菌株无法完成或只能微弱地进行的，必须依靠两种或多种微生物共同培养来完成的过程，如传统酒曲和酱曲、腌菜、烟草发酵、茶叶发酵、青贮、堆肥等。,2020/6/22,70,强化微生物混合固态发酵 (intensified mixed solid-state fermentation) 以人为强化接种微生物菌系不明确的富集培养物或特定微生物培养物来进行混合发酵 如传统酒曲和酱曲、腌菜、烟草发酵、茶叶发酵、青贮、堆肥等

21、。,2020/6/22,71,（二）混合固态发酵工艺特点,1、充分利用培养基、设备、人员和时间，可以在同一发酵容器中经过相同工艺过程，提高所需产品的质和量，或获得良种、多种产品。 2、混合发酵能够获得一些独特的产品，而纯种发酵是很难做到的。 3、混合的多种菌种，增加了发酵中许多基因的功能，通过不同代谢能力的组合，完成单个菌种难以完成的复杂代谢作用，可以代替某些基因重组工程菌来进行复杂的多种代谢反应，或促进生长代谢，提高生产效率。,2020/6/22,72,华根霉（Rhizopus chinensis）可发酵生产延胡索酸。当它与大肠埃希菌（Ecoli）混合发酵，延胡索酸就能完全转化成琥珀酸。用膜

22、醭毕赤酵母（Pichia membranaefaciens）代替大肠杆菌混合发酵，延胡索酸就被转化为L苹果酸。 普通变形菌（Proteus vulgaris）和少根根霉（Rarrhizus）混合发酵，可将延胡索酸转化为天冬氨酸。,举例,2020/6/22,73,（三）混合固态发酵过程控制,1、发酵微生物的选择与培养 在限定微生物混合固态发酵中，用两种或两种以上经鉴定的纯种微生物进行发酵。这种条件下，微生物的营养需求已知，就可以建立适合于这些微生物生长发育的培养条件。 2、发酵过程条件控制 好氧发酵厌氧发酵交替进行,2020/6/22,74,（四）混合固态发酵工艺过程存在的问题,1、大多数混合菌

23、体系中菌间相互关系和作用机制的研究尚不够深入 ； 2、对于具有协同作用关系的菌株筛选和组合还是一个随机的过程 ，缺乏有效的理论指导，； 3、对混合培养体系也不能有效地协调菌间的关系，使其达最佳生态水平，发挥最大效应。,2020/6/22,75,二、静态密闭式固态发酵技术,静态密闭式固态发酵，主要是指发酵过程中的固体基质保持相对静止状态，通常所说传统的固态发酵即指此种发酵方式。 静态密闭式固态发酵反应器，主要有托盘式或填充床式反应器，这些系统均不包含搅拌设备。,2020/6/22,76,1、托盘式发酵,特点： 相对比较薄的发酵基质铺在一个面积相对比较大的托盘上； 没有强制的通风，但在托盘上可以有

24、孔，空气可以缓慢地在托盘的周围循环； 发酵基质的温度随着反应器周围环境的温度而变化，因此可以通过控制反应器所在的空间温度来控制反应器的内部温度。,2020/6/22,77,存在问题： 操作难以实现机械化，属“劳动密集型”生产方式； 由于发酵基质是静态的，因此传质、传热困难，这就使托盘上所添加的基质的厚度往往只有几厘米到十几厘米。,2020/6/22,78,2、填充床式发酵,2020/6/22,79,1、温度控制 2、水分控制,静态密闭式固态发酵工艺控制：,2020/6/22,80,三、动态密闭式固态发酵技术,1、转鼓式发酵,2020/6/22,81,转鼓式反应器的主要特色是：空气不是从基质的底

25、部吹入而是从基质的顶部吹过，空气和基质的热量和物质交换是通过反应器的转动来促进。 转鼓式固态反应器热量的传递主要有两种途径：一是直接通过对流和蒸发将热量传递到反应器的顶部空气；二是由反应器的壁通过传导传递。 这种反应器可以用干空气增加基质的水分蒸发来降温，因为反应器可以从顶部通过喷水来调节基质的水分含量。 转鼓式反应器的装料系数一般是0.3。,2020/6/22,82,2、搅拌式发酵,2020/6/22,83,搅拌式固态发酵两种主要类型：水平搅拌式的和转鼓式。 在水平搅拌式中，发酵基质的运动是由搅拌轴的运动来提供动力的；而在转鼓式中是由罐体的运动来提供的。 除此以外，二者其他方面都很类似。 垂

26、直式的反应器一般都要强制通风。,2020/6/22,84,3、气固流化床发酵,2020/6/22,85,、由于通气良好，因此有助于好氧微生物的生长，在流化床上生长的微生物呼吸率可以达到静态培养的10倍； 、代谢热的去除十分完全，不会发生培养基温度过高的问题； 、气体和挥发性的代谢产物可以很快消失，减小抑制； 、混合效果很好，消除了发酵基质中的温度和湿度梯度，有利于过程中的工艺参数的控制； 、某些产物（如单细胞蛋白）可以直接在反应器中进行干燥； 、相对于传统的固态培养，生产效率大大提高，因此可以减少生产所占用的空间和生产操作费用。,流化床发酵的特色和优点,2020/6/22,86,4、立式多层固

27、态发酵罐,2020/6/22,87,占地面积小、自动化程度高、生产能力大、易于监测控制。 发酵物料可以在发酵罐内进行蒸煮、灭菌、降温等操作，实现了发酵罐内接种、发酵罐内喷淋加湿、自动翻料、温湿度自动检测显示、自动进出料等自动控制操作过程。 可以在常温、常压下工作，利用夹套、内蛇管和无菌空气进行加热和冷却。 由于发酵物料是在密闭条件下进行发酵，而且进入发酵罐内的空气和水都经过灭菌处理，完全消除了杂菌污染的可能性，最终产品的质量有了确切的保证。,立式多层固态发酵罐特点,2020/6/22,88,立式多层固态发酵罐在投料前先空罐灭菌，发酵物料从罐顶部料孔加人，进入发酵罐底下第一层，然后翻起第二层堆料

28、板，加第二层料，依次按此步骤进行加料。然后进行蒸煮、灭菌。发酵物料的控温是依靠发酵罐的内蛇管、外夹套冷却水以及罐底压入的无菌空气，然后从罐顶排出。 目前，国内已有0.510m3规格的立式多层圆桶形固态发酵罐出售，可以用于菌体蛋白、纤维素酶、淀粉酶、四环素、赤霉酸、红曲、醋曲、酱曲的生产，生物制药（包括生物农药），饲料和菜籽饼固态发酵产酶等许多领域。,操作及应用范围,2020/6/22,89, 设计上必须符合清洁无菌的卫生要求； 要求对固体基质施加的剪切力较小； 固体基质经预处理（浸泡、灭菌）后，可通过固体搅拌器内部接种，以避免染菌； 可通过搅拌保证添加水分分布均匀，以便于控制水分含量； 通过外

29、部冷却夹套和搅拌提高温控效果。,在固体发酵过程中进行搅拌具有以下一些特点和要求：,2020/6/22,90,四、气相双动态固态纯种发酵技术,（一）意义,2020/6/22,91,80,气相双动态固态纯种发酵新技术的研制成功，标志着现代固态发酵技术的成熟。大致可归纳为以下三个方面 ： （1）打破现代发酵工业中液体深层发酵技术的垄断局面 （2）开辟新的生物技术产业 （3）对传统固态发酵生产技术的改进,2020/6/22,92,1、打破现代发酵工业中液体深层发酵技术的垄断局面,有许多现行的液体发酵法生产过程，都可以用此现代固态发酵技术代替。 典型的有Bt发酵、纤维素酶发酵、果胶酶发酵、固氮菌发酵、赤

30、霉素发酵、核黄素发酵等。 以此类推，整个酶制剂工业都有可能转成以固态发酵法为主体。 其他还有农用抗生素、有机酸等，也有部分代替的可能。,2020/6/22,93,2、开辟新的生物技术产业,典型事例是如白僵菌、绿僵菌等在液体中不产生分生孢子，必须采用现代固态发酵技术。 更重要的是，木质纤维素的生物转化与生物量全利用是人类可持续发展战略中的重大课题，现代固态发酵技术将是该课题最终克服技术经济关的突破口。 可开创众多的新产业： 以酒精为代表的清洁液体燃料工业； 高效有机生物肥工业；菌 体饲料蛋白工业； 饲料添加剂工业等。,2020/6/22,94,3、对传统固态发酵生产技术的改进,压力脉动操作往往可

31、使发酵时间缩短13，变温操作往往可提高菌体活性。 在复合菌群组合优化方面也可发挥作用。 因此对传统制酒，及风味食品制造方面提供技术改进的新途径，甚至创制新的风味发酵食品、保健食品等，例如用红曲霉固态发酵制红曲霉素及保健食品等。,2020/6/22,95,80,（二）气相双动态固态纯种发酵的工艺过程,双筒式双动态固态发酵罐示意图,2020/6/22,96,80,单筒式双动态固态发酵罐示意图,2020/6/22,97,小推车盘架系统,2020/6/22,98,小推车盘架机械输送系统,2020/6/22,99,无固体层机械翻动装置，由薄层、气相双动态及循环风机达到传质与传热要求； 由于无固体翻动机械

32、传动，反应器结构简单容易密封，便于工业放大； 反应器为受压容器，可用压力蒸汽进行严格的空罐或实罐灭菌，无死角，便于清扫； 采用无菌压缩空气供氧，发酵过程中反应器为正压状态，故能严格达到纯种固态培养的要求；,气相双动态固态纯种发酵工艺特点,2020/6/22,100,气相双动态有促进微生物代谢、强化细胞内外的传质，减少代谢产物的反馈抑制，从而有缩短发酵周期、提高转化率的功能； 反应器的环形结构与循环鼓风机，使反应器内的温度、湿度均匀一致；,2020/6/22,101,反应器内设置冷却排管，加之循环风机配合后，强制罐内气相空气顺次通过物料和冷却排管，降低发酵物料的温度，并便于反应器内温度与湿度的调

33、控； 气相双动态的周期、振幅与波形由进出气阀的适时自动控制系统完成，可以随发酵过程对供氧与发热要求进行计算机在线优化控制。,2020/6/22,102,（三）气相双动态固态发酵的机制,气相双动态固态发酵中气体内循环的目的是使气相始终处在对流扩散状态。内循环速率变化也应与微生物的代谢状况相对应，随着微生物代谢活动的加剧，气体内循环速率也应增加。但风速太大，填料层表面基质将被吹起。风速可以通过马达转速及风扇功率估计。 在气相双动态固态发酵中，培养基料层的厚度、气体脉冲压力变化范围、气体内循环速率等都会影响发酵。由于是密闭系统，气相双动态固态发酵中能很好保持水分。,2020/6/22,103,五、吸

34、附载体固态发酵技术,传统的固态发酵不足之处： 固体培养基既是碳源，又是它们的结构组成部分，在微生物发酵生长过程中，培养基被分解了，底物容易结块，孔隙率也降低。由于底物的外形和物理特性都发生了变化，结果降低了发酵过程中的传质和传热。,2020/6/22,104, 固体物中的杂质容易带入发酵提取液中，难以应用于纯度要求高的发酵产品。 由于底物的不均匀性，难以维持发酵反应的稳定性和一致性，生物量和代谢产物的成分不易分析，不利于发酵过程的控制以及动力学研究与模型建立等。,2020/6/22,105,（一）吸附载体固态发酵的特点,吸附载体固态发酵的特点特征是以天然或人工合成的多孔材料代替麸皮之类的固态基

35、质作为微生物的载体，营养成分可以严格控制，发酵结束，只需将菌体和培养液挤压出来进行抽提，载体又可以重新使用。 吸附载体固态发酵可以克服传统固态发酵存在的许多问题,2020/6/22,106,1、选用适宜的惰性吸附载体充当固态发酵的固相，可以克服底物结块、传质和传热差的难题，避免固体物中的杂质带入发酵提取液中； 2、由于多孔吸附载体在无游离水状态下固态发酵，利于气液固传递，发酵水平比液体发酵提高35倍，设备投资比液体深层发酵低得多； 3、能够维持固态发酵过程中环境的均匀性与一致性；,2020/6/22,107,4、容易分析生物量和代谢产物，利于发酵过程的控制以及动力学研究与模型建立； 5、采用培

36、养基实消、液体种子在位无菌接种和在位超声控湿等配套的无菌操作方法，解决大规模固体培养基难以灭菌和大规模无菌接种的问题； 6、该技术拓宽了固体发酵应用范围，具有广泛的适用性与推广意义。,2020/6/22,108,由于吸附载体固态发酵过程中，固态载体提供了微生物生长的巨大表面，单位体积的比表面积可以始终维持在很高的水平，微生物可以在通入少量或不需要通入空气或氧气的条件下，从外界中获得自身生长所需的氧气，因此，不需要通入大量无菌氧气或空气，也不需要强力搅拌，节省能源。,吸附载体固态发酵与深层液态发酵相比的优点,2020/6/22,109,（二）吸附载体固态发酵的载体选择,惰性吸附载体是吸附载体固态

37、发酵中一个关键因素。 为了确定微生物适合的载体，应 了解微生物发酵周期、载体材料的吸附等温线、载体发酵过程物理化学变化以及水活度对微生物生长的影响。,2020/6/22,110,另外，对于载体的选择还要依赖于所选用的生物反应器。如在非搅拌发酵反应器中，如果载体使用不当就会造成反应湿度低，结果会抑制微生物的生长。而在搅拌发酵反应器中，载体应能够承受搅拌所造成的剪切力，并且能够保护菌丝体不受搅拌的影响。 载体还必须耐蒸汽加热或药物灭菌，多孔结构既有足够的表面积，又能允许空气流通。,2020/6/22,111,（1）表观密度：在23环境下，用游标卡尺测定载体试片的规格尺寸为5.0cm 5.0cm2.

38、5cm，并称取它的质量，然后计算出表观密度。 （2）测定气泡平均孔径：用一只小型放大镜，数出位于2.0cm长度直线上的气泡数，并计算出气泡平均孔径。 （3）最大吸水率：把规格尺寸为5.0cm 5.0cm2.5cm的试片浸入23的水中，用戴聚乙烯手套的手在水中挤压试片，直至没有气泡出来时再放松，使其充分地吸水。 最大吸水量 最大吸水率 100 吸水前载体试片的质量 （4）开孔率 最大吸水率表观密度 开孔率 0.9975 式中：0.9975表示水在23时的密度。 （5）载体吸水性 在固态发酵时，为了能够减小发酵过程中因水分挥发而引起水活度的降低，惰性载体应能够在发酵过程中缓释出部分水，以维持发酵过

39、程水活度的稳定。,对于吸附载体需考察以下几个物理性质,2020/6/22,112,（三）吸附载体固态发酵过程分析,惰性载体吸附固态发酵技术既不同于利用农作物产品为底物的传统固态发酵，也不同于液态搅拌通气发酵。 其不同点主要有以下几个方面： 惰性载体吸附固态发酵提高了固态发酵过程中环境的均匀性与一致性； 为微生物生长提供了一个巨大的界面环境，强化了发酵过程中的氧、热等的传递过程； 提供了一个不存在很强的剪切力作用的发酵环境。,2020/6/22,113,1、吸附载体固态发酵提高了固态发酵环境的均匀性,传统固态发酵过程中，由于发酵底物的不均匀性，由底物形成的大环境中具有多种多样的微环境。 如根据氧

40、在微环境中的分布情况，可以将固态发酵基质表面和内部的环境分为好氧环境、兼性厌氧环境和严格厌氧环境。 这些多种多样的微环境的存在，使得传统的以农作物产品为底物的固态发酵条件变得粗放，效率大大降低。,2020/6/22,114,在吸附载体固态发酵过程中，使用的载体材料可以是孔隙率均匀一致的人工合成材料，如聚氨酯泡沫塑料。 这类材料不仅各处均匀一致，而且还可以根据需要，调节其孔径大小、吸附能力等。 这样的载体在发酵过程中充当固相成分，它们对微生物的生长没有副作用，微生物也不能够或难以分解利用这类材料。,2020/6/22,115,2、惰性载体吸附固态发酵促进了氧的传递,与液态搅拌通气发酵相比，载体吸

41、附固态发酵的特点之一是其具有的巨大的界面环境。 载体吸附固态发酵时，发酵液在载体的表面吸附形成一层液膜，在这样的液膜内没有或仅有很少的游离水。,2020/6/22,116,在载体吸附固态发酵过程中，界面环境是微生物生长的主要环境，营养物都处于溶解状态。 在发酵液吸附于载体之前，可以称其为均相系统。 但是在发酵液吸附在惰性载体表面后，其性质就发生了变化，它不再是一个均相体系，而是被吸附固定在载体的表面，形成一个液膜。 固相、液相、气相,2020/6/22,117,3、相对静态的发酵环境,在惰性载体吸附发酵过程中，发酵液形成的液膜是相对静止的，而不像液态搅拌通气发酵过程中，发酵液处于不停的高速流动

42、之中。发酵液这种不同的运动状态对微生物生长的影响也不同。 惰性载体吸附固态发酵既可以解决传统固态发酵过程中的不均匀性、传质困难等问题，又能够充分发挥液态发酵过程中环境系统均匀且易于调控的优势，克服液态搅拌通气发酵能耗高以及剪切力的破坏作用等缺点。,2020/6/22,118,（四）吸附载体固态发酵的操作方式,1种子发酵罐； 2文氏接种管； 3超声雾化器； 4循环风机； 5固态发酵反应器； 6气体分布板； 7多孔吸附载体筒； 8气体循环通道； 9固态发酵罐盖门； 10阀门； 11气体分布环,2020/6/22,119,（五）吸附载体固态发酵的前景,惰性吸附载体固态发酵具有传统固态发酵所不具有的优

43、势，将是发酵工程中一个重要研究方向。,第四节 固态发酵物质和热量的传递及平衡,2020/6/22,120,4.1 概述 4.2 固态发酵的物料特性 4.3 氧的传递 4.4 水的传递与物料平衡 4.5 物料的质量传递与物料平衡 4.6 热量传递与平衡,4.1 概述,固态发酵中液态、固态和气态三类物质共存于一个体系，并发生物质的传递和转化。 固态发酵所涉及的物质，简化为： 微生物菌体 培养基质（碳源和氮源等） 代谢产物； 气体（氧气和二氧化碳）, 水 培养基成分是逐渐分解、溶解和被利用，不能完全溶于水中。菌体也不完全被水包围,大型固态发酵罐设计及放大的最大难题如何去除代谢热： 物质传递与热量的传

44、递相互关联。固态发酵所、产生的热量主要是通过水分的蒸发，以汽化热的形式去除。 通过发酵罐壁的传热效率较差（固-气-固） 因此，必须掌握热量传递的规律，建立传热及热量平衡的数学模型，通过计算确定空气的温度、湿度和通风量等工艺参数。,4.2 固态发酵物料的特性,4.2.1 物料层和顶空层物料的宏观分析 4.2.2 物料层的微观分析 4.2.3 固态发酵物料的非均质性 4.2.4 固态发酵过程中的物质传递,4.2.1 物料层和顶空层物料的宏观分析,固态发酵反应器内的物料，由气体（气相）和培养物料（固相，包括含结合水的固相）组成。 反应器内的物料层（fermentation bed），是微生物接种后发

45、酵培养物的俗称。 物料层由培养基质和微生物组成，主要是生物反应的场所。微生物生长于物料层的颗粒表面，分解并利用基质产生酶和代谢产物。,固态发酵反应器内的物料组成：,“拟均质相”（pseudo-homogeneous phase）： 即物料颗粒和颗粒间的气相到达到平衡状态时，将物料层视为一个相。相内物质的分布是均匀的，其理化性质是完全相同的。此时，反应器内的物质是顶空层和物料层之间的交换。 “顶空层” （headspace），是固态发酵反应器（一般指转鼓式反应器）内物料层上方被气体所占据的空间区域称为顶空层；,物料层的两种观点：“拟均质相”与“二相”体系。,“二相”体系： 物料层由含菌体的物料颗

46、粒（固相）和颗粒间隙中的气体（气相）这二相组成。 物料层中的固态物料颗粒和气相间发生物质交换和传递。 外部进入的空气和颗粒间的气体发生物质和热量的交换。,4.2.2 物料层的微观分析,从微观上来，物料层的组成是： 物料基质 微生物 物料颗粒间隙的空间：物料颗粒间隙或颗粒内的孔隙的空间中含有气体，以空气和水蒸汽为主。,9 外部进入水、氧、焓,10 排出水、氧、焓,11氧、水的对流,13 氧、水的扩散,12 搅拌引起的物质和热量的混合,1 酶的释放,2 酶解,3 葡萄糖的扩散及被微生物利用,5 氧的传递和扩散,6 氧被菌体利用,4 易位,7 废热释放并传导,8 水的蒸发并扩散，焓被带走,15 强制

47、对流，夹套水热交换,反应器内物料及热量的宏观和微观分析,上页图中文字解释,4.2.3 固态发酵物料的非均质性,从微观上看，物料层的不同部位，微生物菌体浓度、基质浓度和产物浓度的分布不均匀。 生长于固态物料中的微生物，基本上是处于静止状态，固态发酵物料含水量较低，不搅拌时，物料几乎不存在对流，大分子物质（如多糖，蛋白质），不能溶解于水，在一定时间内，待传递的营养物质、产物、微生物及酶之间相对不动，这都造成物质传递困难。,液态发酵，各种培养基成分均匀地分散（或溶解）在液相中；物质浓度的变化与时间有关，与其所处的空间位置无关。 固态发酵基质的物质浓度不仅与时间有关，也与空间位置有关（径向距离和轴向距

48、离）。即存在浓度梯度。 物料层的不同位置存在浓度梯度，发酵物料颗粒的不同部位也存在浓度梯度，这是固态发酵物料的特征之一。,物料颗粒及菌体不同部位各种物质的浓度梯度,4.2.4 固态发酵过程中的物质传递,气体类物质的传递 固态类物质的传递 液态类物质的传递,在静止的气相层，氧气和二氧化碳的扩散； 气生菌丝消耗氧并释放出二氧化碳； 在物料颗粒表面氧气和二氧化碳透过液膜传递； 在物料颗粒内氧和二氧化碳的扩散； 浸没在液相环境中的菌丝吸收氧气并释放出二氧化碳； 氧气通过一系列的过程传递到微生物细胞。,气体类物质的传递现象主要包括：,固体类物质包括：菌体、酶和分子量不等的各种物质（淀粉、蛋白质、氨基酸、

49、葡萄糖等）。 物质的溶解：固态发酵过程中各类大分子物质在水中不断地溶解。 物质的代谢：基质中各种分子物质在微生物酶的作用下，通过复杂的代谢网络和调控机制进行分解代谢和合成代谢，各种物质相互关联和作用，形成复杂的物质传递链。,固态类物质的传递现象主要包括：,菌体的生长及酶的分泌：微生物摄取小分子的营养物质生长；微生物菌丝体以延伸或分支的方式生长；气相菌丝内的细胞器的移位；微生物分泌水解酶；酶在基质中的扩散。 酶对大分子物质的水解作用，产生小分子水解产物。 小分子水解产物在物料颗粒内的扩散。 营养物在基质内的扩散及被微生物吸收利用。 代谢产物的释放及扩散。,固态类物质的传递现象主要包括：,固态发酵

50、过程中的水分发挥着极为特殊的桥梁和介质的作用。 固态物质和气态物质都要溶解于水中才能进行传递。 水分自身不断地产生和被消耗，并在反应器内的固相和气相之间进行传递。,液态类物质的传递现象包括：,水分传递的方式： 微生物的生长或维持等代谢活动释放代谢水分； 新细胞吸收利用水； 在物料颗粒内水的扩散； 在颗粒表面水膜上水的蒸发； 在静态气相层中水汽的扩散； 气相中的水汽凝结成液态水（附着于罐壁或固态基质中）。,4.3 固态发酵过程氧的传递,固态发酵反应器通风方式有两种： 强制通风：空气主体穿过物料层主体（从料层下方通入，上方排出，或相反）；强制通风时空气应具有一定的压力。 非强制通风：空气主体与物料

51、主体大致分属于两个不同区域。举例：浅盘式发酵，气体通过自然扩散与固相物料接触；而卧式转鼓式反应器，空气从反应器的一端的顶空层进入，当物料层在转鼓内运动（运动方式有多种）时，一部分物料与顶空层的部分气体接触而发生气体物质的交换。,4.3.1 液态和固态发酵氧传递的区别,4.3.2 湿菌体层模型,Onstra等通过实验研究了葡萄糖和淀粉培养基上固态培养根霉时颗粒内的氧传递及氧气扩散限制问题，提出了固态发酵湿菌体层和基质的模型。,4.3.3 固态发酵氧传递过程,氧气向物料层内的扩散速率是由物料层的传质特性决定的： 菌体在固体颗粒表面生长，改变了物料层的多孔性，使物料层发生了收缩，影响氧气的扩散速率；

52、 同时，CO2的反向扩散，也使氧气向内扩散变得更加困难，这就是固态发酵中氧气传质的一大难点。 由于氧气传质扩散阻力的存在，固体颗粒表面的氧气很难传递到颗粒内部，使物料颗粒内部缺氧。,微观角度考察氧气在物料层中的传递： 按物料层的“二相理论”，物料层由物料颗粒及颗粒间隙的气体所组成。 物料颗粒是含基质、菌体层、水膜、气膜的复杂结构，氧气从气相主体到物料颗粒内部的具体传递过程可用图4-6表示。,O2,固态基质颗粒,湿菌体层（水膜）,静止的空气层（气膜）,CO2,图4-6 固态发酵氧传递过程 (当物料层被分为气相和固体颗粒相时),（1）氧从气相主体中向物料颗粒空隙的传递，即通风时，新鲜的空气穿过固态

53、物料层，和固态物料颗粒间隙的气体置换和交换，传质速度与物料堆积的紧密程度有关，与颗粒的大小及孔隙率有关； （2）氧在颗粒间隙空间内的扩散； （3）在某些情况下，暴露于空气中的菌丝体可直接从空气中吸收氧气；但大多数情况菌丝体需从液体中吸收氧。,氧传递过程,（4）氧从物料颗粒间隙的气相主体向物料表面气膜的转移； （5）气体通过颗粒表面的气膜向气-液界面的扩散；固态发酵物料的颗粒小，单位体积的物料的表面积大，气-液界面积大，传氧速率较高； （6）氧气穿过气-液界面进入水膜，并在水膜中的扩散，水膜也是菌丝体密集所在地； （7）水膜中的溶解氧被微生物利用；,4.3.4 固态发酵氧传递的限速步骤,两种观点

54、： 一种观点：固态发酵过程中，氧的传递不受限制； 另一种观点：氧传递限速步骤在于界面：界面有气-液界面、和固-菌体界面；也有人将菌体层和水膜视作一层生物膜，生物膜（湿菌体层），包括菌体及菌体层内所含有的水。 目前较为普遍接受的观点：氧从气-液界面进入到湿菌体层后在湿菌体中（水膜）的扩散步骤是限速步骤；湿菌体层的厚度和气-液界面面积是固态发酵传氧的关键参数。,4.3.5 工程变量对固态发酵传氧的影响,理论上，影响菌体层中氧浓度的四个因素： （1）湿菌体层的厚度L； （2）湿菌体层的密度x； （3）湿菌体层中菌丝体的比呼吸活力qo； （4）在湿菌体层的氧气扩散系数De：有效扩散系数De（m2/s）

55、除了和扩散系数有关外，还与孔隙率及物料孔隙的路径曲折因子有关。,4.3.6 摄氧速率,只考虑微生物生长和维持时的摄氧需求时： 摄氧速率（Oxygen uptake rate，有时也称为耗氧速率，Oxygen consumpotion rate）rO：,比摄氧速率qo ：,4.4 水的传递与物料平衡,水在固态发酵过程中的作用： 水为溶剂，溶于水中的营养物质，才能被微生物利用； 水作为热熵值很高的介质，调节物料发酵温度。,2020/6/22,154,80,发酵过程中水分的增减： 菌体生长需要摄取一定的水分； 代谢过程中会产生或消耗水分； 淀粉的水解需要水分； 潮湿空气通过培养基时会带入水分。 蒸发

56、。蒸发散热是最主要的降温措施，但导致水分损失，培养过程中必须在连续混匀物料时适时补水。,4.4.1 固态发酵过程中水的存在形式,固态发酵的程中水的存在形式有： 气相中的水汽、 液态自由水（物料颗粒表面的水膜或水滴、毛细管内的水、颗粒间隙中的水分）、 物料的结合水（bound water）。 气相中的水汽，包括： 顶空层气相中的水汽；颗粒间隙中气相中的水汽。,固态物料中的水分，大多以结合水的形式存在。自由水能被微生物利用，结合水则不能。 结合水分为: （1）化学结合水：基质中化合物的结晶水以及与某些化合物以氢键连结的水分； （2）物理结合水：被吸附在物料粒子外层的水分； 溶液状态的水分：包括构成

57、液态物料的水分以及构成固态物料的生物细胞内溶液、细胞破裂后排出或渗透出细胞外的溶液。,结合水：,还有一种与生物大分子结合的组成型的水，是非水组分物质的组成部分，这种类型的水含量很少，处于折叠成团的大分子的内部深处，基本上不参与化学反应。 从微生物利用水的角度来看，将水分为胞内水分、胞外水分（即菌体之外的所有水分，包括物料基质中的水分）。,4.4.2 水活度和水分含量,4.4.2.1 水活度 在固态发酵过程中，水活度比水分含量意义更大，因为水分活度反映了物料与水亲和能力的大小，表示物料中所含的水分作为生物化学反应和微生物生长的可利用价值。微生物在固态基质上的生长取决于水活度，固态物料水分的蒸发的

58、驱动力是固态物料的水活度与饱和水活度之差。 水活度aw被定义为：,f 溶剂的逸度（逸度是溶剂从溶液中逃脱的趋势）； f0 纯溶剂的逸度。,水活度aw在固态发酵方面值得研究的内容： 水活度对固态发酵中微生物生长的影响， 水活度对生物大分子（如酶）的存在形式，尤其是水活度对酶分子的活性中心及作用方式的影响， 水活度与培养基中水分含量的关系， 培养条件（如温度、湿度、压力、通风量和培养基不同的成分等）对水活度的影响，水活度与代谢的关系等还没有研究。,4.4.2.2 水分含量,固态发酵物料水分含量分湿基含水量和干基含水量两种： 湿基含水量（kg/kg）：是以湿物料为计算基准： 干基含水量（kg/kg）

59、：是以绝干物料为计算基准：,4.4.2.3 水活度与基质水分含量的关系,水分含量与水活度并不是正比关系，与温度及物料性质有关。 温度的影响：同一物料含水量相同时，温度越高，则其水活度越大。这可从水活度的定义加以解释。因为温度越高，水越易蒸发逃逸。 物料性质影响：不同种类但水分含量相同的物料，水活度不一定相同。如未接种的物料和发酵过的物料的水活度会相差很大。溶质浓度不同的物料，水活度也不同。如葡萄糖浓度高会导致水活度的严重下降。,Nagel等提出了水活度和基质最初水分含量的对应关系，蒸汽灭过菌，物料温度为35的小麦粒的水分含量与水活度的关系见计算式（5-6）。 式中 Xw,wh小麦基质最初水分含量，kg水/