固态发酵
固态发酵名词解释
固态发酵名词解释
固态发酵（Solid-state Fermentation，简称SSF）是一种发酵过程，它是在固态培养基上进行的发酵。
固态培养基是一种非液体的培养基，它可以是纸张、木板、砂石、颗粒状的生物质等。
在固态发酵中，发酵菌种通常是被固定在固态培养基上的，因此，它们无法在液体中浮动，也无法通过气体交换来摄取氧气。
相反，它们必须依靠固态培养基上的氧气来进行新陈代谢。
固态发酵具有许多优点，例如：
•可以大大降低发酵过程中的能耗；
•可以降低发酵产物的污染；
•可以促进发酵菌种之间的相互作用；
•可以提高发酵产物的质量和产量。
固态发酵广泛应用于食品、饲料、生物质能源、生物药剂等领域。
固态发酵技术-物质和热量
04
04
固态发酵技术的优化与改进
固态发酵技术的工艺优化
优化菌种选育
01
通过选育具有优良发酵性能的菌种，提高固态发酵产物的产量
和质量。
优化固态发酵工艺参数
02
通过调整发酵温度、湿度、pH值等工艺参数，改善固态发酵过
程的物质传递和热量平衡，提高产物产量。
优化固态发酵原料配比
03
微生物的生长和代谢
微生物生长
固态发酵过程中，微生物利用原料中 的营养物质进行生长繁殖，形成菌丝 体和孢子。
微生物代谢
微生物在生长过程中进行代谢活动， 将原料中的营养物质转化为代谢产物， 如酒精、乳酸、醋酸等。
代谢产物的形成和积累
酒精的形成和积累
固态发酵过程中，微生物将葡萄糖代谢产生酒精，随着发酵过程 的进行产生不利影响， 因此需要控制适宜的温度范围。
热量对固态发酵过程的影响
01
适宜的温度可以促进固态发酵的 进行，提高发酵效率。
02
过高的温度会导致微生物死亡或 失活，影响发酵效果。
温度的波动会影响固态发酵的稳 定性，因此需要保持温度的恒定 。
03
热量管理是固态发酵过程中的重 要环节，合理的热量控制可以提
固态发酵技术可以用于将 废弃物转化为生物质能， 提高能源利用效率。
在环境保护和治理领域的应用前景
有机废弃物处理
固态发酵技术可用于处理有机废弃物，如农作物秸秆、畜禽粪便 等，实现废弃物的资源化利用。
污水处理
固态发酵技术可以用于污水处理，降低水体中的有害物质含量， 提高水质。
土壤修复
固态发酵技术可以用于土壤修复，改善土壤质量，提高土壤肥力。
固态发酵技术的应用领域
固态发酵工艺
固态发酵工艺固态发酵工艺是一种以微生物在固体底物上生长代谢为基础的技术。
其主要优点包括发酵过程相对简单，生产成本低，产品品质好，营养价值高等。
因此，在食品、医药、化工等领域得到广泛应用。
本文将重点探讨固态发酵工艺的原理、分类、应用领域及挑战等方面。
一、固态发酵的原理固态发酵与液态发酵相比，其发酵底物通常是由白腐菌、黑曲霉、酵母菌等微生物种类组成的一种复杂生态系统。
这些微生物以底物为营养源，在发酵过程中产生酶和代谢产物，其中酶的作用可以分解底物成分，代谢产物则对底物的性质产生一定影响，直接决定了发酵产物的品质。
二、固态发酵的分类根据不同的发酵底物，固态发酵主要分为以下几类：豆类、谷物、木质素、酒渣、果皮等。
其中豆类是最常用的底物之一，如黄豆、豆饼等，主要用于生产豆制品，如豆豉、豆腐等。
谷物类固态发酵主要应用于酱油、米酒、醪糟等食品的生产。
木质素类固态发酵被广泛应用于木质素的降解和生物质燃料的制备等方面。
酒渣类固态发酵用于生物质能的转化和生产酒渣菌蛋白等。
果皮类固态发酵主要用于生产果皮醋等产品。
三、固态发酵的应用领域 1.食品领域：固态发酵技术在食品加工中得到了广泛应用，如豆制品、酱油、醋、米酒、酸奶、面包等。
2.药物领域：利用固态发酵技术生产天然药物，如青黛、灵芝、人参等。
3.环保领域：利用固态发酵技术处理废弃物，如酒渣、果皮等。
4.工业领域：通过固态发酵技术生产有机酸、生物柴油、单细胞蛋白等产品。
四、固态发酵工艺的挑战由于固态发酵的发酵底物非常复杂，所涉及的微生物多样且生态环境复杂，因此，固态发酵工艺面临着以下挑战： 1.微生物筛选和优化：选择合适的微生物对于固态发酵的成功至关重要，同时需要通过优化培养条件，提高微生物的代谢能力和产物的产率。
2.发酵条件控制：固态发酵中，底物湿度、通气、温度等因素都对发酵过程产生影响，需要合理控制这些条件，才能保证发酵的成功。
3.发酵底物的特性：不同的发酵底物性质不同，对于不同的固态发酵底物，需要制定相应的处理策略和工艺。
固态发酵课件.ppt
固态发酵 概述
内涵 特点 分类 反应器
固态发酵 设备
固态发酵 概述
内涵 特点 分类 反应器
固态发酵 设备
3.2 固态发酵的形式
• 固态发酵可以以许多不同的形式进 行，按照使用的微生物的情况和形 成的产品条件不同，固态发酵可分 为自然富集固态发酵、强化微生物 混合固态发酵、限定微生物混合固 态发酵和单菌固态纯种发酵。
固态发酵 概述
内涵 特点 分类 反应器
固态发酵 设备
固态发酵 概述
内涵 特点 分类 反应器
固态发酵 设备
固态发酵 概述
内涵 特点 分类 反应器
固态发酵 设备
2、固态发酵的特点
• 基质：可被微生物降解或不被降解 的多孔固体基质，气固表面积大 （ 103-106m/cm2 ） ， 有 利 于 微 生 物生长。
固态发酵 概述
内涵 特点 分类 反应器
固态发酵 设备
固态发酵 概述
内涵 特点 分类 反应器
固态发酵 设备
4.1 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；
• 由于是非均相反应，发酵参数的测 定和控制比较困难，大多发酵过程 依赖经验。
固态发酵 概述
内涵 特点 分类 反应器
固态发酵 设备
2.1主要影响参数
水活度 温度 通气与传质 pH值
固态发酵 2.1.1 水活度（aw）
概述
内涵 特点 分类 反应器
由于固态发酵的最大特点就是无 游离水，因而底物含水量的变化，
必然会对发酵过程产生影响。
固态发酵和液态发酵的区别
固态发酵和液态发酵的区别
固态发酵和液态发酵的区别如下：
1、全液态发酵法：用时短，操作简单，生产效率最高。
全生料液态发酵
2、串香法：以食用酒精为酒基，利用固态发酵的酒醅（香醅）进行串香。
或将酒醅与酒精混合然后复蒸取酒（浸蒸法）。
3、固液结合法：操作比较简单，物耗少。
液态发酵的白酒使用的原料单一，必须保证粮食没有发霉。
发酵液中香味成分来源贫乏，如酯类只能依靠酵母产生，而组成白酒的口味不可缺少的乳酸与乳酸乙酯含量就极少了。
与液态发酵相比，固态发酵有以下不同：
1、固态发酵单粮多粮均可发酵，出酒较液态更有特色；
2、固态发酵使用传统酒曲，微生物易生长，酶系丰富，出酒香味物质丰富，总酸总酯含量高，口感有层次；
3、固态发酵过程粗放，不需严格无菌条件；
四川泸州瑞华生物制曲
4、废水比液态发酵少；
5、固态发酵劳动力需求大，发酵时间较长；
6、固态发酵出酒率比液态低。
白酒固态发酵的方法
白酒固态发酵的方法
白酒固态发酵是一种传统的酿造白酒的方法，其步骤如下：
1. 原料准备：选用优质的高粱、小麦等谷物为主要原料，将其研磨成细粉末。
2. 煮粉：将细粉末和水混合，加热煮沸，形成稀糊状物。
3. 固态发酵：将煮沸后的糊状物均匀地铺在发酵窖或容器中，厚度一般为10-15厘米。
4. 接种发酵菌：在糊状物表面均匀地撒布食醋酸菌或酒曲，用于发酵过程中产生酒精。
5. 发酵：放置窖或容器密封发酵，温度控制在15-25左右，保持适宜湿度。
6. 蒸馏：发酵完全后，将发酵物进行蒸馏，分离出酒精。
7. 精制和陈酿：将蒸馏得到的白酒进行精制和糖化，然后贮存并进行陈酿，使其继续发展和改善口感。
需要注意的是，白酒固态发酵是一种相对较慢的发酵过程，需要较长的时间来完成。
同时，发酵过程需要严格控制温度、湿度等参数，以确保发酵的顺利进行。
另外，不同地区对于固态发酵方法可能会有一些细微的差异。
固态发酵技术
明代宋应星的《天工开物》 中的红曲制造
民国时期制曲情形
• 我国传统酿造技术绝大多数是固态发酵： • 白酒酿造：酒曲（固态）；酒窑发酵（固） • 黄酒酿造：酒曲（固态）；发酵（半固态） • 醋：曲（固）；酒醅（固，半固）；醋醅 （固态）； • 酱油：米曲（固态）；发酵（半固）； • 豆豉：固态； • 酱：曲（固态）；酱（半固）
2.2 固态发酵的特点
• 固态发酵，物料的水含量低，水活度低。
• 由于固体物料的比热容值与水的比热容值要小得多， 且物料水分含量越低，故物料热传导系数很小。但 单位体积发酵基质的产热量却较多。
• 固态发酵物料的颗粒特性、颗粒粒径大小不同的特 性、菌丝缠结导致物料结块特性，使基质的混合和 扩散都较困难，容易形成温度、基质浓度及产物浓 度的梯度。
• 固态发酵物料，或称为基质（substrate）， 既是微生物生长的营养源，是微生物生长的微 环境，也是发酵产物的聚集地。
• • • •
物料含水量并不是表示物料状态的唯一指标。 固态物料含水量：40%-80%。 有些发酵，物料含水量很大，仍可看作是固态。 原因：物料亲水性能好，尽管含水量高，但几乎 没有可流动的游离水。可看成是固态发酵。 • 例如：烟梗，料水比达1∶10，才有游离水出现。 • 水的作用：溶解作用；高热容量载体；加速质量 传递；物料孔隙的填充作用； 氧的载体； • 固态发酵物料含水量下降，使物料的许多性能不 同于液态发酵。
• 氧气和其它非极性气体的溶解度和扩散性较好。
• 霉菌的固体培养，比液态培养更容易产生孢子。 • 某些霉菌，在固态培养状态下，产生的酶更多，次 级代谢产物的产率更高（如青霉素，赤霉酸）。
• 固体培养，菌体量的测定比较困难。
• 有的固态发酵产品，无需提取纯化，直接可用于生 产或直接使用。 • 相对于液态发酵来说，传统固态发酵方式，能量消 耗低，生产成本低；大多没有废水排放，但有时会 有大量的固态废渣。 • 传统固态发酵手工操作较多，故劳动强度大。
固态发酵酿酒技术
固态发酵酿酒技术
固态发酵酿酒技术是一种传统的酿酒方法，与液态发酵相比，其特点在于酵母和发酵基质（如麦芽、米等）以固态形式存在，其中氧气和水分的含量较少，需要较长的时间和温度来完成发酵。
以下是固态发酵酿酒技术的一些基本步骤：
1.选取适宜的基质：固态发酵的基质应该有较高的含糖量和蛋白质含量，比如麦芽、大米等。
基质应当清洗干净、消毒处理，以避免有害细菌的污染。
2.发酵前处理：将选好的基质放入发酵箱中，控制其含水量和温度，利用酵母等微生物的作用，使基质中的糖分、淀粉质等转化为酒精和二氧化碳，形成酿酒的原料。
3.发酵过程控制：在固态发酵过程中，需要注意控制空气和水分的含量，保持适宜的温度，以促进微生物的生长和繁殖。
发酵过程中需要进行适时的搅拌，以充分利用氧气和保持发酵基质的均匀性。
4.熟化和贮存：发酵完成后，需要进行熟化和贮存处理，以使酿酒的风味更加浓郁、口感更加醇厚。
此过程中需要控制温度、光线和空气的含量，避免细菌和霉菌的生长，保持酒的品质。
固态发酵酿酒技术有着悠久的历史和丰富的文化内
涵，在一些地区和酒厂中仍然得到广泛应用。
与液态发酵相比，固态发酵能够更好地保留原料的风味和口感，且发酵过程中产生的有机酸等物质，还有助于增强酿酒的风味和保鲜效果。
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序表
序 号 8
项目
过程 控制 产物 提取 能量 消耗
固态发酵
缺乏有效的在线测量手段，过程 控制比较困难 由于产物浓度高，提取工艺简单 ，没有大量的有机废水 糖化和发酵同时进行，简化操作 工序，节能 固体培养基的水活度在0.99以下 ，适宜于在0.93~0.98的微生物 生长，限制了应用范围，同时也 限制杂菌生长 代谢热驱除比较困难，主要依靠 通气蒸发冷却，易造成局部缺水 模拟自然生长环境，使微生物保 持与自然界相似的生长状态；微 生物是在接近于自然状态下生长 ，有可能产生一些通常液体发酵 中不产生的酶和其他代谢产物
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第三节
固态发酵反应器
• 不同形式的工业规模的固态发酵反应器：
• 转鼓式、木盒式、加盖盘式、垂直培养盒式、倾 斜接种盒式、浅盘式、传送带式、圆柱式、混合 式
• 以基质的运动情况可分为两类：
• ①静态固态发酵反应器，包括浅盘式和塔柱式反 应器； • ②动态固态发酵反应器，包括机械搅拌的筒柱式 、转鼓式反应器等。
• 具体表现是固体发酵基质中游离水的多少。
固态发酵与液态发酵的比较
序 号 1 2 3 4 5 6 7 项目 水分 营养物 接种量 产物浓 度 产率 营养扩 散 散热 固态发酵 培养基没有游离水，水是培养 基中较低的组分 微生物从湿的固态基质吸收营 养物，营养物浓度存在梯度 接种量比较大，大于10% 发酵结束时，培养基是湿物料 状态，产物浓度高 使用浓缩的培养基和较小的固 体发酵生物反应器，产率高 微生物生长受营养扩散的限制 有效去除代谢热困难，易出现 过热的问题 液态发酵 培养基中始终有游离水的流动，水 是主要组分 微生物从溶解水中吸收营养物，营 养物浓度始终不存在梯度 接种量比较小，小于10% 发酵结束时，培养基是液体状态， 产物浓度低 使用稀释的培养基和较大体积的生 物反应器，产率低 不受营养扩散问题的影响 高水含量使发酵温度控制容易，发 酵设备庞大
传统固态发酵
在极为简单的发酵容器中或敞口 式容器中进行
基本是自然富集发酵或强化菌种 发酵 限于传统食品的生产 操作能耗低，设备投资小，劳动 强度大 可直接利用粮食和纤维原料，价 格低廉 一般产品后处理简单，可直接烘 干
• 一、传统固态发酵与现代固态发酵
在密闭容器的固态发酵反应器中进行
采用单一菌株纯种或限定菌株混合发酵 扩大了固态发酵的应用范围 增加了操作能耗，设备投资大 需要无菌处理发酵原料
静态固态发酵反应器
2. 动态固态发酵反应器
• （1）转鼓式
基本形式是将一个圆柱形(鼓形)容器支架在一个 转动系统上，转动系统主要起支撑及提供动力这 两种作用。
• （2）带机械搅拌的筒柱式
• 特点是发酵器主体静止不动，而容器内的搅拌器 使发酵过程中的物料处于连续的运动状态，在反 应器的一端有取样、加料和通气口。
适宜于分离纯化高附加值产品
二、固态发酵的形式
• 1. 按微生物的情况和形成的产品条件分类
• 自然富集固态发酵是指利用自然界中的微生物， 由不断演替的微生物进行的富集混合发酵过程。 • 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，人为强化接种微生物茵系不明确的富集培养 物或特定微生物培养物所进行的混合发酵过程。
Байду номын сангаас液态发酵
许多在线传感器的成熟，可以实现 发酵过程控制 要去除大量的有机废水，分离设备 的体积大，费用高 一般发酵原料需要复杂的加工，消 耗能量大 适用于大多数微生物生长 通过冷却水控制，不存在通气造成 水分缺乏
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11
发酵 范围
热 驱除
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环境
在人工液体培养基中均匀生长
第二节
现代固态发酵
固态发酵的分类
第一节
• 一、固态发酵的内涵
概述
• 一般发酵工艺过程按照培养基物理性状不同，将 发酵方式分为两大类：固态发酵和液态发酵。 • 液态发酵主要有表面发酵和深层发酵
• 一切使用不溶性固体基质来培养微生物的工艺过 程，称之为固体基质发酵。
• 固态发酵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态基质中，用一种或多 种微生物的一个生物反应过程。
2. 按固态发酵固相的性质分类
• （1）同体底物基质固态发酵利用的培养基是既充 当固相，又为微生物生长提供营养的初级农作物 产物。 如麸皮、马铃薯、谷子、豆饼以及其他含淀粉和 纤维素的农作物产品。
• （2）固态发酵采用的固体是惰性载体，载体可以 是天然的，也可以是人工分成的。 载体材料有大麻、珍珠岩、聚氨酯泡沫体、蔗糖 渣和聚苯乙烯等。
固态发酵系统
液态发酵系统
二、固态发酵的特点
• 固态发酵是气体作为生物反应过程中的O2、CO2、 热量、营养和产物的传递介质。 • O2、CO2扩散比较容易
• 热量传递困难 • 存在明显的营养梯度 • 无大量有机废水产生
三、固态发酵与液态发酵比较分析
• 固态发酵与液态发酵本质区别是以气相还是以液 相为连续相的差异。
• 缺点：
①无法准确控制气体和物料的湿度，只能供饱和 湿空气； ②无法取样分析； ③放大过程中难以消除床径扩大的影响。
• 完善的固态发酵供气、保温、控温系统应有以下特 点： • ①测量并控制进气组成、湿度及温度；
• ②测量尾气组成并反馈调节进气组成、湿度和温度 ； • ③在较大规模应用时采用循环供气； • ④完善的气体过滤设备。
• 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，同时或先后接种同一灭过 茵的培养基中，在无污染条件下进行的固态发酵 过程。
• 单菌固态纯种发酵是在纯培养基础上建立起来的 ，对于选育良种、保持生理活性和代谢过程中的 稳定起很大作用。
• 无论何种形式的固态发酵反应器，都必须考虑以下 问题： ①接种技术 ②灭菌方式
③发酵基质的特性
④供气手段
⑤参数的测量和控制 ⑥取样分析技术 ⑦结构简单，操作方便
一、静态固态发酵反应器与动态固态发酵反应器
• 1. 静态固态发酵反应器
• 优点： ①系统简单，廉价，操作方便； ②克服固态发酵无法用摇瓶法作大量基础研究的 缺点，同时可作多条件的平行实验并且温度、湿 度等条件均一； ③系统易灭菌。