微生物发酵工程课件第11章 固体发酵

（四）气相双动态固态纯种发酵技术 （五）吸附载体固态发酵技术
微生物的现代固态发酵
一. 现代固体发酵及应用
一切使用不溶性固体基质来培养微生物的工艺过程，均称为固体基质发酵（solid substrate fermentation），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）来讲，是指没有或几乎没有自由水存在下，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个生物反应过程。因此固态发酵是以气相为连续相的生物 反应过程。
对固态发酵冠以“现代”两字是基于以下考虑：① 固态发酵已从传统的、落后的操作形式发展成 为可纯种大规模培养的发酵类型；② 各种类型、规模的固态发酵反应器已应用于科研与生产实践，使 得固态发酵过程更具可控性和可操作性；③ 除了应用于传统发酵食品的生产，还被广泛应用于抗生素、 氨基酸、多糖、有机酸、酶制剂、生物农药以及化工产品等的生产。
有多种方式可以增加空气的自由移动来增加氧传递的效果：① 使用多孔的、粗粉碎的或纤维状的基 质；② 采用较薄的基质层；③ 增加基质内空隙；④ 使用带孔的培养盘；⑤ 使用表面为金属网的发酵 容器；⑥ 在发酵过程中不断摇动或搅拌基质，以及使用旋转式发酵器等。
3）含水量和pH值 水影响物料的理化性质，它在固态发酵中为微生物生长提供营养充足的水环境，影响微生物对氧
的利用。微生物能否在底物上生长取决于该基质的水活度αw，它与底物的含水量W有关。底物的性
细菌要求水活度0.9-0.99；酵母菌要求水活度0.8-0.9；真菌和少数酵母菌要求水活度0.6-0.7。基质 的含水量是决定固态发酵成功与否的关键。含水量可由基质的性质、产物的类型以及微生物的需要来 决定。高的含水量可导致多孔性降低、氧扩散受限制，并增加细菌污染的机会。低含水量则使基质膨 胀程度降低、水张力增高，从而使生长受到抑制。因此，应考虑选择适当的起始含水量，并在发酵过 程中采用适当方式补充水的蒸发损失。
pH是影响微生物生长代谢又一关键因素，固态基质pH的调节主要是在配制培养基的时候进行。 固态发酵过程中pH不易监控，测pH值的方式如下：两手取一把湿料插入pH探头，用手轻轻挤压使之 在pH探头处挤出少许物料中吸附的水分，然后读取pH值；或取少量蒸馏水加到物料中充分混匀，用 pH探头直接测量，这种方法的测量值较前种方法高0.1-0.2。发酵过程中pH的控制措施是在培养基中 添加缓冲液。
4）温度与热量传递 在固态发酵初始阶段，底物各个部位的温度都一样。随着发酵的进行，发酵过程中产生代谢热。由于
促进了这种吸附。 固态发酵不同于深层液态发酵，它的反应基质以固态形式存在。反应体系内的传递过程非常复
杂，包括气—固、气—液、液—固等形式，气相是其最主要的流动介质。因此，固态发酵应用于现 代生物反应工程的一个主要限制因素就是没有成熟的反应体系，这已成研究的热点，即：研究生物 界面反应、探究生物反应内部的机理是现今研究固态发酵的主要趋势。
4. 微生物界面效应的意义
固体底物基质的固态发酵和载体吸附固态发酵这两种发酵方式有一个共同点，即：具有“生物 界
面”，它们都可以给微生物提供生长繁殖的场所。 固态底物发酵中，底物本身的表面就可以形成界面； 微生物的生长率取决于菌丝体到达下一界面的能力； 微生物生长表面吸附起着非常重要的作用。许多丝状真菌和酵母分泌具有黏性的胞外多糖，也
3. 固态基质中细菌和酵母的生长
大多数细菌和酵母菌都能在固态培养基上生长，可应用于固态发酵过程。 细菌参与的固态发酵过程相对较少，但在传统自然发酵过程和食品发酵工业上较为重要。在自然沤肥过 程中，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，会产生大量的代谢热，导致培养基内温度高达60℃以上。 饲料的青贮过程主要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。 细菌在食品发酵行业中也扮演着重要角色，在亚洲国家，这些发酵过程一般都是在自然条件下进行的， 因此，多为传统自然固态发酵过程，如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。近年来，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 sp.）发酵麸皮生产淀粉酶等。 与细菌类似，酵母菌参与的固态发酵也多是传统自然固态发酵过程。酵母菌一般出现在饲料青贮的早期。 利用酵母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。在淀粉类物质为底物的同步糖 化发酵过程中，淀粉酶和酵母被同时引入固态发酵系统，酵母的存在还有利于提高发酵产品中的蛋白质含量。
第十一章 微生物的现代固态发酵
一. 现代固体发酵的概念及其应用 二. 现代固态发酵技术及其反应器
（一）混合固态发酵技术 自然富集固态发酵、强化微生物混合固态发酵、限定微生物混合固态发酵
（二）静态密闭式固态发酵技术 托盘式和填充床式
（三）动态密闭式固态发酵技术 转鼓式发酵、搅拌式发酵、气固流化床发酵、立式多层固态发酵罐
2）通气与传质 固体发酵的气体环境中，氧和二氧化碳的分压是影响微生物生长代谢和产物形成的重要因素。通风
培养时，改变新鲜风和循环风的比例可有效地影响空气的组分，调节氧和二氧化碳的分压。在固态发酵 中，影响氧传递的因素包括：① 微生物在固体表面生长形成菌膜；②由于真菌生长基质变黏而结块，存 在过多的水；③ 使用了粉状或细粒状基质等。
5. 固体发酵中微生物生长代谢的调节和控制
固体发酵的主要控制条件有：营养因素，含水量和pH，通气与传质，温度与热量传递等。 1）营养因素
营养因素常为真菌生长的限制性因素。营养调节的重要指标包括：碳源和氮源的可利用性和碳氮比 等，最适碳氮比可在10~100的范围内变化，某些固态发酵工艺中氮源的品质则是关键性的。