微生物固体发酵参数和设备的研究进展_田玉虎

摘要：本文介绍了微生物固体发酵的概念、应用和优势，讨论了固体发酵的基质特性、温度与传热、pH 值、传质以及干燥方式等参数的控制对发酵过程的影响，比较了国内外现有的固体发酵设备，揭示了自身面临的巨大挑及未来的应用前景，为开发新型固体发酵工艺和改进固体发酵设备提供参考。

关键词：固体发酵；参数；设备；应用固体发酵（SolidStateFermentation，SSF）是指使用固态培养基进行的一种或多种微生物发酵方式，培养基中几乎没有自由流动的水，基质是不溶于水的聚合物，为微生物提供生长所需的碳源、氮源、无机盐、水及其他营养物质，同时也作为微生物生长的载体。

近年来，固体发酵多应用于高附加值产品、生物燃料、酶类、有机酸、芳香类化合物和生物药品的生产以及工业废渣的回收利用当中。

与液体发酵相比，固体发酵具有以下4点优势：能最大限度地保持菌的自然生长状态，发酵产物活性高；培养基成分来源广泛，降低生产成本；基质含水量低，不需要进行废水处理，减轻环境压力；发酵过程不需要严格的无菌操作，操作简便。

另一方面，由于固体发酵过程中参数不易控制，发酵规模难以扩大，限制了其应用范围。

因此，本文就固体发酵参数的控制和应用前景作一综述。

1固体发酵的参数控制1.1基质的特性固态发酵的基质由供给养分的营养料、促进通风的填充料和水分组成。

颗粒大小及含水量作为基质特性的主要因素，直接影响菌体生长和发酵产量。

基质颗粒大小直接影响单位体积颗粒所能提供的反应表面积，也影响菌体是否容易进入基质内部及氧的供给速率，还会影响代谢产物的移出速率。

在固态发酵中，原料粉碎细可提高其利用率，增加代谢产物量，但过细会影响基质内氧的传递。

研究发现利用米糠生产脂肪酶时，颗粒大小由500μm减到177μm，脂肪酶活性能提高两倍以上。

含水量作为固体发酵的关键因素，直接影响微生物生长及其代谢产物的生物合成和释放。

一般来说，固体发酵基质含水量维持在30%~70%，过低则会降低基质的膨胀程度和营养成分的溶解性，微生物生长也会受到抑制；过高会导致基质透气性差，减少基质内氧含量和气体交换，同时增加了杂菌污染的机会。

随着发酵进行，水分不断蒸发，含水量不断下降，因此有必要通过加湿器或者潮湿的空气来补充水分。

黄小琴等（2011）研究发现，固体发酵培养基的含水量直接影响枯草芽孢杆菌体生长，含水量为60%~70%的基质中细菌总数极显著高于其他含水量的培养基，而含水量为50%、55%、75%的培养基细菌总数无显著差异，说明培养基中水分含量过高和过低均不利于菌体生长。

1.2温度与传热不同的微生物发酵时所需要的温度也不相同，同样使用豆粕进行固体发酵，枯草芽孢杆菌最适温度是30℃，而纳豆杆菌最适温度则高达39℃。

微生物在生长和代谢过程中释放出热量，固体培养基由于没有自由流动的液相，导热性较差，散热缓慢而引起热量的积聚，从而影响微生物生长及其产物代谢。

固态发酵的热量传递过程包括两个方面：一是固态培养基颗粒内热量传递；二是热量在颗粒表面到颗粒间气相的传递。

徐福建等（2002）比较了固态发酵生产柠檬酸填料床反应器蒸发、对流、传导3种传热方式，发现3种不同的传热方式导热所占比例分别为64.7％、26.65％和8.65％。

转鼓式反应器通过传导散热使发酵过程中产生的热量从底层到顶部的空间扩散或者由外壁散发到周围环境，有效地避免了固微生物固体发酵参数和设备的研究进展田玉虎谷巍（山东宝来利来生物工程股份有限公司）［中国分类号］Q93-335［文献标识码］A［文章编号］1002-8358（2014）03-29-3HORIZON OF SCIENCE AND TECHNOLOGY科技视野２９饲料广角·态基质中热量的积聚。

1.3pH值pH值是影响固体发酵过程的重要因素，由于固态物料含水量低，液态发酵中的pH值检测方法难以使用。

一般认为，固体发酵中某些物料的优良缓冲性能有助于减少对pH 值控制的需要，只要调节好初始pH 值，发酵过程中不用对其进行监测。

但在实际过程中，菌体代谢会导致物料pH值发生较大变化，这时可以加入适量的缓冲液或者含氮盐类如铵盐来调节。

刘唤明等（2008）在6.0、6.5、7.0、7.5、8.0的初始pH值下分别对枯草芽孢杆菌进行固态发酵试验，活菌数分别达到379、392、421、402、383cfu/g，因此，菌体生长的最佳初始pH值为7.0。

Ali等（2011）固体发酵纳豆杆菌发现，pH值从4.0到6.0粗纤维水解量增加；而从6.0到9.0呈现下降趋势，因此，粗纤维水解最佳pH值为6.0。

1.4传质固体发酵的传质包括宏观和微观两个方面：微观传质依赖于微生物生长过程中氧气和二氧化碳的扩散、酶的催化、营养成分的吸收和代谢废物的形成；而宏观传质包括固体发酵系统气流的进出、基质的类型、反应器的设计、颗粒之间的空隙以及颗粒大小和微生物的类别。

基质表面湿度足以形成一层液膜，是传质的控制因素，其传质阻力比液体发酵小。

一般可利用以下措施改善传质状况：以颗粒状多孔或纤维状物质做底物；减小底物厚度；增大底物间空隙；使用多孔浅盘发酵；搅拌底物或使用转鼓反应器。

流化床式反应器是在金属网或多孔板上铺置粉状培养基，经过空气上吹形成流化层状态，使用强力的空气持续搅拌，有效避免了基质颗粒的黏附和聚集，大大促进了固体发酵的传质。

1.5干燥处理固体发酵产物的干燥处理是影响产品活性和储存性能的重要环节。

固体发酵产物经过干燥处理达到一定的含水量后，不仅有利于产物的分离提纯，更有利于保持产物的活性，降低杂菌污染，尤其是孢子粉的生产。

研究发现干燥方式显著影响枯草芽孢杆菌固体发酵产品中的含菌量，经冷冻干燥和65℃真空干燥后，发酵物活菌数显著高于80℃恒温常压干燥。

2固体发酵的设备固体发酵设备的主要缺陷是传质困难和蒸汽集中，从而影响反应器的性能。

搅拌和旋转一方面促进了传质和传热速率，另一方面也会因产生的强力对基质的疏松性和真菌的菌丝生长产生不利影响。

每种反应器都是根据固体基质的特性以更加有利于固体发酵的理念来设计的，按照通气方式和混合系统的不同可以分为以下5种。

2.1浅盘发酵器这是比较常用的一种固态发酵设备，但相比传统的浅盘发酵有了简单的改进。

它由很多平底的托盘组成，在每个托盘上铺了一层薄薄的无菌培养基，约有几厘米深。

反应器放置在常温的有潮湿空气循环的房间里，通过增湿器调节空气的温湿度，通入过滤后的无菌空气，满足菌体生长对氧的需求。

这种反应器的优点是操作简便、产率较高、产品均匀，缺点是需要很多的托盘和巨大的空间，耗费劳动力，无法进行机械化操作，不适用于大规模生产。

2.2流化床式反应器这种反应器是在金属网或多孔板上铺置粉状培养基，经过空气上吹形成流化层状态，目前在日本已实现了大规模工业应用。

流化床反应器操作的主要参数是粒径大小和颗粒分布，粒径分布越狭窄，细小颗粒越容易保持流化状态。

为避免基质颗粒的黏附和聚集，此装置使用强力的空气持续搅拌。

这种反应器的优点是增加了散热、通风和底物搅拌，缺点是强力产生的热积聚影响接种体的生长，从而减少发酵产量。

2.3转鼓式反应器这种反应器的基本结构是一个圆柱型或鼓型容器，由一个转动系统支撑和提供动力。

转鼓反应器是由基质床层、气相流动空间和转鼓壁等组成的多相反应系统。

基质床层持续地或者间歇地进行搅拌混合，空气在床层上方循环流动但气流并不大。

与传统固态发酵生物反应器不同的是，基质床层不是铺成平面，而是由处于滚动状态的固体培养基颗粒构成。

菌体生长在固体颗粒表面，转鼓以较低的转速转动，就如同设置了搅拌轴那样加速传质和传热过程。

当鼓的转动速率增大时剪切力的作用会影响菌丝生长。

这一类反应器可以满足充足的通风和温度控制，同时减少对接种体和产品的损害。

混合是通过旋转整个反应器和搅拌装置，如搅棒和挡板实现的，这种装置的缺点是鼓形容器只能容纳30%发酵物，否则无法进行混合。

2.4圆柱式反应器它通常由固体底物玻璃或者塑料组成，底物被保持在有孔的底部，同时，通过潮湿的空气持续的强力供应，反应器外侧包着一层水套来控制温度。

这种装置通常应用于商业酒曲的生产，缺点是难以获得产品，不利于控制温度微生物的生长。

2.5搅拌式发酵反应器搅拌式发酵反应器和液态反应器类似，有立式和卧式之分，卧式反应器根据搅拌方式又可分为转轴式和转筒式。

但由于固态基质的搅拌特性，对搅拌浆的设计有特殊要求。

此类搅拌器在食品工业早已应用，日本生产的小型带柴油发动机专门用于纤维素物质固态发酵的搅拌式小型反应器，可供乡村家庭使用，其发酵产物可直接用作饲料。

以上反应器都具有一定的缺陷，这就促使研究者不断开发新的发酵设备或者改进现有的装置，新的反应器应该持续的进行生产并允许规模的扩HORIZON OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 科技视野３０大。

国外研究者开发出一种新型浸入式反应器，可以最大限度地保持产物的活性，同时又可以减少操作带来的问题，从而保证生产的持续进行。

3固体发酵面临的挑战固体发酵具备很多优点，近年来随着社会工业化的进程得到了广泛的应用，但在许多方面还不完善，除了前面提到的参数控制问题，在诸如规模的扩大、生物量的估算以及最终产品的纯化等方面也面临着很大的挑战。

3.1规模的扩大规模的扩大很大程度上依赖于固体发酵反应器的改进，传统的固体发酵反应器都有自身的缺陷，例如不利于散热、通风和底物搅拌以及热积聚对接种体的损害。

通过对现有反应器进行改良，可以有效地解决传热、传质问题和空间限制，提高发酵产量和产品活性，如浸入式固体发酵反应器和压力脉动固体发酵反应器。

3.2生物量的分析生物量的分析是研究固体发酵动力学必需的一项内容。

氨基葡萄糖、麦角固醇、蛋白质、干重以及二氧化碳释放量的变化都可以间接反映生物量的改变。

氨基葡萄糖含量是最可靠的检测菌丝生物量的方法，但只能反映营养成分浓度的变化；麦角固醇和氨基葡萄糖一起检测可以很好地反映真菌孢子数量，但手动检测耗时较多、过程较长，不易操作。

近年来，数字化图像处理成为检测固体发酵生物量的一种有力工具，图像经过立体显微镜拍摄后再用KS400软件进行处理，可直观反映菌体的生长状况。

3.3产品的纯化固体发酵产品的纯化一方面可以减少固体发酵的生产成本，另一方面也提高了产品的活性和价值，适合高附加值产品（如酶）的生产。

传统的纯化方式存在生产效率低、纯度低、产品活性低、不易储存等缺点，纯化的方法和设备需要进一步的研究和优化。

近20年以来，固体发酵技术被广泛应用于社会生产的方方面面，在生产成本、产物品质和环境净化方面，固体发酵具备绝对的优势。

但固体发酵的传质、传热等过程较液体发酵难以控制和操作，最终导致菌生长和产品性能不稳定；发酵过程涉及到生化、物理、微生物等复杂过程，很难保证较高的纯度。