固體發(fā)酵種類及固體發(fā)酵反應(yīng)器

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1、2021/1/25 80 1 第四章 固態(tài)發(fā)酵技術(shù)及過程控制 第一節(jié) 概述 第二節(jié) 固態(tài)發(fā)酵過程的控制 第三節(jié) 固態(tài)發(fā)酵技術(shù) 2021/1/25 2 80 第一節(jié) 概述 一、固態(tài)發(fā)酵的定義 一切使用不溶性固體基質(zhì)來培養(yǎng)微生物的 工藝過程，稱為固體基質(zhì)發(fā)酵（ solid substrate fermentation） 固體懸浮在液體中的深層發(fā)酵 固態(tài)發(fā)酵 沒有（或幾乎沒有）游離水的濕固體 材料上培養(yǎng)微生物的工藝過程。 2021/1/25 3 80 固態(tài)發(fā)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(tài)基 質(zhì)中，用一種或多種微 生物的一個生物反應(yīng)過 程，因此固態(tài)發(fā)酵是以 氣

2、相為連續(xù)相 的生物反 應(yīng)過程。 2021/1/25 4 80 二、固態(tài)發(fā)酵的特點(diǎn) 1、固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基中沒有游離水的流動，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，限制了應(yīng) 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(tài)基質(zhì)吸收營養(yǎng)物，營養(yǎng)物濃度 存在梯度，發(fā)酵不均勻，菌體的生長、對營養(yǎng)物 的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌存在不均勻。 2021/1/25 5 80 3、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，空氣通過固體層得阻力較小，能 量消耗低。 4、使用固體原料，

3、在發(fā)酵過程中，糖化和發(fā)酵過程 同時進(jìn)行，簡化操作工序，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，提取工藝簡單可控，沒有大量 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，過程 控制較困難。 2021/1/25 6 80 三、固態(tài)發(fā)酵的分類 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 2021/1/25 7 80 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，而是依賴空氣和物料中的自然

4、 微生物區(qū)系，由多種微生物演替成最適于 生長代謝或共同協(xié)作的小生態(tài)環(huán)境。 2021/1/25 8 80 2、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。 2021/1/25 9 80 3、限定微生物混合固態(tài)發(fā)酵 是在對微生物相互作用和群落認(rèn)識的基礎(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)過分離純 化的微生物純種，同時或先后接種在滅菌 的培養(yǎng)基中，在無污染條件下進(jìn)行的固態(tài) 發(fā)酵過程。 2021/1/2

5、5 10 80 4、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，在無菌條件下進(jìn)行的固態(tài)發(fā)酵 過程。它對于擴(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。 2021/1/25 11 80 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 （ 圖4- 1 ） 2021/1/25 12 80 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(huán)； 12進(jìn) 氣口； 14淺盤； 15淺盤架

6、 2021/1/25 13 80 園盤固體發(fā)酵機(jī) 2021/1/25 14 80 強(qiáng)制通風(fēng)物料靜態(tài)反應(yīng)器（圖 4-3） 1發(fā)酵罐； 2 空氣調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器 2021/1/25 15 80 圖 4 4 強(qiáng)制通風(fēng)填充床反應(yīng)器 2021/1/25 16 80 圖 4 5 Koji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 濾器； 10裝料機(jī)； 12控制臺 2021

7、/1/25 17 80 2、動態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器 （ 1）轉(zhuǎn)鼓式 2021/1/25 18 80 （ 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空氣過濾器； 13空氣冷卻器 2021/1/25 19 80 滾筒發(fā)酵機(jī) 2021/1/25 20 80 （3 ） 流 化 床 反 應(yīng) 器 2021/1/25 21 80 粉 劑 硫 化 床 2021/1/25 22 80 （ 4）塔式反應(yīng)器 2021/1/25 23

8、 80 脫氯塔 2021/1/25 24 80 一酸塔 2021/1/25 25 80 五、固態(tài)發(fā)酵發(fā)展趨勢和應(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?大量生產(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)前人類所面臨的 “ 三大 ” 危機(jī)的一 個有效手段。當(dāng)前，許多工農(nóng)業(yè)殘?jiān)?、?市生活垃圾已成為人們的社會公害，對人 類的生存環(huán)境均產(chǎn)生不利的影響。 2021/1/25 26 80 第二節(jié) 固態(tài)發(fā)酵過程的控制 一、固態(tài)發(fā)酵微生物及生長機(jī)制 1、適合

9、固態(tài)發(fā)酵微生物特征 能夠利用多糖的混合物； 有完整的酶系，可以迅速從對某一種多糖的代謝轉(zhuǎn)為對另 一種多糖的代謝； 能夠深入到料層中，也能穿入基質(zhì)細(xì)胞內(nèi)； 在發(fā)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??； 可以在含水量低的基質(zhì)中生長； 能夠耐受高濃度的營養(yǎng)鹽； 可以耐受基質(zhì)預(yù)處理過程中產(chǎn)生的苯類等有毒物質(zhì)。 2021/1/25 27 80 2、界面作用 （ 1）營養(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 2021/1/25 28 80 3、固態(tài)基質(zhì)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(jìn)行的， 頂端之后的菌絲只能變厚而不能伸長；

10、在生長過 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，可見真菌的生長主要表現(xiàn)在菌絲頂端的生長。 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力。 2021/1/25 29 80 4、固態(tài)基質(zhì)中細(xì)菌和酵母菌的生長 自然漚肥 ：濕潤的有機(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，在木質(zhì)纖 維素類物質(zhì)的分解過程中，會產(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。 飼料的青貯 ：是由細(xì)菌參與的自然固態(tài)發(fā)酵過程，

11、 尤其是在發(fā)酵過程的后期，隨著發(fā)酵過程的進(jìn)行， 體系的 pH值降低，同時培養(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。 2021/1/25 30 80 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)酵蒸煮過的大豆而制成。 在嚴(yán)格無菌條件下，細(xì)菌被越來越多地用 于固態(tài)發(fā)酵過程，如利用芽孢桿菌 (Bacillus spp )發(fā)酵麩皮生產(chǎn)淀粉酶等。 2021/1/25 31 80 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，也愈來愈引起人們的重視。 在淀粉類物質(zhì)為底物的同步糖化發(fā)酵過程 中，淀粉酶和酵母菌被同時引入固態(tài)發(fā)酵 系統(tǒng)，酵母菌的存在還有利于提高

12、發(fā)酵產(chǎn) 品中的蛋白質(zhì)含量。 2021/1/25 32 80 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 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。 2021/1/25 33 80 固體發(fā)酵基質(zhì)原料 影響微生物生長的因素 （ 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 （ 3）顆粒形狀 （ 4）顆粒的多孔性 （ 5）顆粒均勻性及硬度 2021/1/25 34 80 固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)的差異性 （ 1）復(fù)雜的，

13、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。 2021/1/25 35 80 三、影響固態(tài)發(fā)酵過程的主要參數(shù) 1、濕度與水活度 2、溫度與熱量傳遞 3、通氣與傳質(zhì)過程 4、 pH值 2021/1/25 36 80 第三節(jié) 固態(tài)發(fā)酵技術(shù) 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 (mixed fermentation) ： 許多發(fā)酵過程是純菌株無法完成或只能 微弱地進(jìn)行的，必須依靠兩種或多種微生 物共同培養(yǎng)來完成的過程 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。 2021/1/2

14、5 37 80 強(qiáng)化微生物混合固態(tài)發(fā)酵 (intensified mixed solid-state fermentation) 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。 2021/1/25 38 80 （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、人員和時間，可以在同 一發(fā)酵容器中經(jīng)過相同工藝過程，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， 通過不同代謝能力的組合，完成

15、單個菌種難以完 成的復(fù)雜代謝作用，可以代替某些基因重組工程 菌來進(jìn)行復(fù)雜的多種代謝反應(yīng)，或促進(jìn)生長代謝， 提高生產(chǎn)效率。 2021/1/25 39 80 混合的多種菌種 例如，華根霉（ Rhizopus chinensis）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（ Pichia membranaefaciens）代替大腸桿菌混合發(fā)酵， 延胡索酸就被轉(zhuǎn)化為 L 蘋果酸。如果普通 變形菌（ Proteus vulgaris）和少根根霉 （ R arrhizus）混合發(fā)酵，則可將延胡索酸 轉(zhuǎn)化為天冬氨酸。 2021/1/25

16、 40 80 （三）混合固態(tài)發(fā)酵過程控制 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，微生物的營養(yǎng)需求已知，就 可以建立適合于這些微生物生長發(fā)育的培 養(yǎng)條件。 2、發(fā)酵過程條件控制 好氧發(fā)酵厭氧發(fā)酵交替進(jìn)行 2021/1/25 41 80 （四）混合固態(tài)發(fā)酵工藝過程存在 的問題 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、對于具有協(xié)同作用關(guān)系的菌株篩選和組合 還是一個隨機(jī)的過程 ，缺乏有效的理論指 導(dǎo)，； 3、對混合培養(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)。 20

17、21/1/25 42 80 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)酵過程 中的固體基質(zhì)保持相對靜止?fàn)顟B(tài)，通常所 說傳統(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，主要有托盤式 或填充床式反應(yīng)器，這些系統(tǒng)均不包含攪 拌設(shè)備。 2021/1/25 43 80 1、托盤式發(fā)酵 特點(diǎn)： 相對比較薄的發(fā)酵基質(zhì)鋪在一個面積相對比較大的 托盤上； 沒有強(qiáng)制的通風(fēng)，但在托盤上可以有孔，空氣可以 緩慢地在托盤的周圍循環(huán)； 發(fā)酵基質(zhì)的溫度隨著反應(yīng)器周圍環(huán)境的溫度而變化， 因此可以通過控制反應(yīng)器所在的空間溫度來控制反應(yīng)器的內(nèi)部溫度。 問題： 操作難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，屬 “ 勞動密集型 ”

18、 生產(chǎn)方式； 由于發(fā)酵基質(zhì)是靜態(tài)的，因此傳質(zhì)、傳熱困難，這 就使托盤上所添加的基質(zhì)的厚度往往只有幾厘米到十幾厘米。 2021/1/25 44 80 托盤式發(fā)酵設(shè)備 2021/1/25 45 80 2、填充床式發(fā)酵 2021/1/25 46 80 靜態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵工藝控制 1、溫度控制 2、水分控制 2021/1/25 47 80 三、動態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵技術(shù) 1、轉(zhuǎn)鼓式發(fā)酵 2021/1/25 48 80 1、轉(zhuǎn)鼓式發(fā)酵 轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器的主要特色是空氣不是從基質(zhì)的底 部吹人而是從基質(zhì)的頂部吹過，空氣和基質(zhì)的熱 量和物質(zhì)交換是通過反應(yīng)器的轉(zhuǎn)動來促進(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

19、是直接通過對流和蒸發(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)來降 溫，因?yàn)檫@樣的反應(yīng)器可以從頂部通過噴水來調(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。 2021/1/25 49 80 2、攪拌式發(fā)酵 2021/1/25 50 80 2、攪拌式發(fā)酵 攪拌式固態(tài)發(fā)酵兩種主要類型：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)動是由攪 拌軸的運(yùn)動來提供動力的；而在轉(zhuǎn)鼓式中 是由罐體的運(yùn)動來提供的。除此以外，二 者其他方面都很類似。垂直式的反應(yīng)器一 般都要強(qiáng)制通風(fēng)。 2021/1/25 51 80 3、氣固流化床

20、發(fā)酵 2021/1/25 52 80 流化床發(fā)酵的特色和優(yōu)點(diǎn) 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(dá)到靜態(tài)培養(yǎng)的 10 倍； 代謝熱的去除十分完全，不會發(fā)生培養(yǎng)基溫度過高 的問題； 氣體和揮發(fā)性的代謝產(chǎn)物可以很快消失，減小抑制； 混合效果很好，消除了發(fā)酵基質(zhì)中的溫度和濕度梯 度，有利于過程中的工藝參數(shù)的控制； 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； 相對于傳統(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。 2021/1/25 53 80 4、立式多層固態(tài)發(fā)酵罐 2021/1/25 54 80 立式多層固態(tài)發(fā)酵罐

21、特點(diǎn) 立式多層固態(tài)發(fā)酵采用的發(fā)酵罐具有占地面積小、 自動化程度高、生產(chǎn)能力大、易于監(jiān)測和控制等優(yōu)點(diǎn)。 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，更重要的是實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵罐內(nèi)接種、發(fā)酵 罐內(nèi)噴淋加濕、自動翻料、溫濕度自動檢測顯示、自動進(jìn)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(nèi)蛇管和無菌空氣進(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。 2021/1/25 55 80 操作及應(yīng)用范圍 立式多層固態(tài)發(fā)酵罐在投料前先進(jìn)行空罐滅菌， 發(fā)酵物料從發(fā)酵罐頂部人料孔加人，

22、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人的無菌空氣，然后從罐頂排出。 目前，國內(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。 2021/1/25 56 80 在固體發(fā)酵過程中進(jìn)行攪拌具有以 下一些特點(diǎn)和要求： 設(shè)計(jì)上必須符合清潔無菌的衛(wèi)生要求； 要求對固體基質(zhì)施加的剪切力較??； 固體基質(zhì)經(jīng)預(yù)處理（浸泡、滅菌）后，可

23、 通過固體攪拌器內(nèi)部接種，以避免染菌； 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。 2021/1/25 57 80 四、氣相雙動態(tài)固態(tài)純種發(fā)酵技術(shù) 氣相雙動態(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）開辟新的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè) （ 3）對傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn) 2021/1/25 58 80 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 有許多現(xiàn)行的液體發(fā)酵法生產(chǎn)過程，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

24、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 此類推，整個酶制劑工業(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。 2021/1/25 59 80 2、開辟新的生物技術(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?？砷_ 創(chuàng)眾多的新產(chǎn)業(yè)：以酒精為代表的清潔 液體燃料工業(yè)；高效有機(jī)生物肥工業(yè)； 菌體飼料蛋白工業(yè)；飼料添加劑工業(yè) 等。 2021/1/25 60

25、 80 3、對傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn) 壓力脈動操作往往可使發(fā)酵時間縮短 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。 2021/1/25 61 80 （一）氣相雙動態(tài)固態(tài)純種發(fā)酵的工藝過程 圖4 11 雙 筒 式 雙 動 態(tài) 固 態(tài) 發(fā) 酵 罐 示 意 圖 2021/1/25 62 80 圖 4 12 單筒式雙動態(tài)固態(tài)發(fā)酵罐示意圖 2021/1/25 63 80 圖 4 13 小推車盤架系統(tǒng) 2021/1/25 6

26、4 80 圖 4 14 小推車盤架機(jī)械輸送系統(tǒng) 2021/1/25 65 80 氣相雙動態(tài)固態(tài)純種發(fā)酵工藝特點(diǎn) 無固體層機(jī)械翻動裝置，由薄層、氣相雙 動態(tài)及循環(huán)風(fēng)機(jī)達(dá)到傳質(zhì)與傳熱要求； 由于無固體翻動機(jī)械傳動，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡 單容易密封，便于工業(yè)放大； 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死角，便于清掃； 采用無菌壓縮空氣供氧，發(fā)酵過程中反應(yīng) 器為正壓狀態(tài)，故能嚴(yán)格達(dá)到純種固態(tài)培 養(yǎng)的要求； 2021/1/25 66 80 氣相雙動態(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； 反應(yīng)器的環(huán)形結(jié)構(gòu)與循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)，使反

27、應(yīng)器內(nèi)的 溫度、濕度均勻一致； 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； 氣相雙動態(tài)的周期、振幅與波形由進(jìn)出氣閥的適 時自動控制系統(tǒng)完成，可以隨發(fā)酵過程對供氧與 發(fā)熱要求進(jìn)行計(jì)算機(jī)在線優(yōu)化控制。 2021/1/25 67 80 （二）氣相雙動態(tài)固態(tài)發(fā)酵的機(jī)制 氣相雙動態(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應(yīng)，隨著微生物代謝活 動的加劇，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)速可以通過馬 達(dá)轉(zhuǎn)速及風(fēng)扇功率估計(jì)

28、。 在氣相雙動態(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 影響發(fā)酵。由于是密閉系統(tǒng)，氣相雙動態(tài)固態(tài)發(fā) 酵中能很好保持水分。 2021/1/25 68 80 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： 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)酵生長過程中，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)酵過程中的傳質(zhì)和傳熱。 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。 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

29、于發(fā)酵過程的控制以及動力學(xué)研究與模型建立等。 2021/1/25 69 80 （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的固態(tài) 基質(zhì)作為微生物的載體，營養(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 存在的許多問題 2021/1/25 70 80 1、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)帶人發(fā)酵提取液中； 2、由于多孔吸附載體在無游離水狀態(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

30、 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)酵過程中環(huán)境的均勻性與一致性； 4、容易分析生物量和代謝產(chǎn)物，利于發(fā)酵過程的控 制以及動力學(xué)研究與模型建立； 5、采用培養(yǎng)基實(shí)消、液體種子在位無菌接種和在位 超聲控濕等配套的無菌操作方法，解決大規(guī)模固體培養(yǎng)基難以滅菌和大規(guī)模無菌接種的問題； 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。 2021/1/25 71 80 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) 由于吸附載體固態(tài)發(fā)酵過程中，固態(tài)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

31、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(qiáng)力攪拌，節(jié)省能 源。 2021/1/25 72 80 （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 程物理化學(xué)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依賴于所選用的生物 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)就會造成反應(yīng)濕度低，結(jié)果會抑制微生物 的生長。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

32、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。 2021/1/25 73 80 對于吸附載體需考察以下幾個物理性質(zhì) （ 1）表觀密度：在 23 環(huán)境下，用游標(biāo)卡尺測定載體試片的規(guī)格尺寸為 5.0cm 5.0cm 2.5cm，并稱取它的質(zhì)量，然后計(jì)算出表觀密度。 （ 2）測定氣泡平均孔徑：用一只小型放大鏡，數(shù)出位于 2.0cm長度直線 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

33、 吸水前載體試片的質(zhì)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(tài)發(fā)酵時，為了能夠減小發(fā)酵過程中因水分揮發(fā) 而引起水活度的降低，惰性載體應(yīng)能夠在發(fā)酵過程中緩釋出部分水，以維持發(fā)酵過程水活度的穩(wěn)定。 2021/1/25 74 80 （三）吸附載體固態(tài)發(fā)酵過程分析 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 以下幾個方面：惰性載體吸附固態(tài)發(fā)酵提 高了固態(tài)發(fā)酵過程中環(huán)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(huán)境，強(qiáng)化了發(fā)酵過

34、程中的氧、熱等的傳 遞過程；提供了一個不存在很強(qiáng)的剪切力 作用的發(fā)酵環(huán)境。 2021/1/25 75 80 1、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。 在吸附載體固態(tài)發(fā)酵過程中，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。這類材 料不僅各處均勻一致，而且還可以根據(jù)需要，調(diào)

35、節(jié)其孔徑 大小、吸附能力等。這樣的載體在發(fā)酵過程中充當(dāng)固相成 分，它們對微生物的生長沒有副作用，微生物也不能夠或 難以分解利用這類材料。 2021/1/25 76 80 2、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，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)沒有或僅有很少的游離水。 在載體吸附固態(tài)發(fā)酵過程中，界面環(huán)境是微生物 生長的主要環(huán)境，營養(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，它不再是一個均相體系，而是被

36、吸附固定在載體的表面，形成一個液膜。 固相、液相、氣相 2021/1/25 77 80 3、相對靜態(tài)的發(fā)酵環(huán)境 在惰性載體吸附發(fā)酵過程中，發(fā)酵液形成的液膜 是相對靜止的，而不像液態(tài)攪拌通氣發(fā)酵過程中， 發(fā)酵液處于不停的高速流動之中。發(fā)酵液這種不 同的運(yùn)動狀態(tài)對微生物生長的影響也不同。 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 過程中的不均勻性、傳質(zhì)困難等問題，又能夠充 分發(fā)揮液態(tài)發(fā)酵過程中環(huán)境系統(tǒng)均勻且易于調(diào)控 的優(yōu)勢，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)。 2021/1/25 78 80 （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

37、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； 10閥門； 11氣體分布環(huán) 2021/1/25 79 80 （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，將是發(fā)酵工程中一個重 要研究方向。 2021/1/25 80 80 復(fù)習(xí)思考題 1、固態(tài)發(fā)酵及其特點(diǎn)。 2、固態(tài)發(fā)酵的分類。 3、適合固態(tài)發(fā)酵微生物特征。 4、界面作用。 5、固體發(fā)酵基質(zhì)原料影響微生物生長的因素。 6、影響固態(tài)發(fā)酵過程的主要參數(shù) 7、混合固態(tài)發(fā)酵 8、混合固態(tài)發(fā)酵工藝特點(diǎn) 9、混合固態(tài)發(fā)酵過程控制及存在問題。 10、動態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵、氣相雙動態(tài)固態(tài)純種發(fā)酵、吸 附載體固態(tài)發(fā)酵