固体发酵种类及固体发酵反应器
固体发酵和半固态发酵的概念
固体发酵和半固态发酵的概念
固体发酵和半固态发酵是微生物学中两种常见的发酵方式。
固体发酵是指在固态基质中进行的微生物发酵过程。
在这种发酵过程中，微生物通常生长在固态的基质表面，以基质中的水分为生长和代谢所需的水源。
固体发酵的基质通常是含有高纤维素和低水分的材料，如秸秆、木屑、豆渣等。
固体发酵具有容积小、氧气传输不易、代谢产物不易分离等特点。
半固态发酵是指在半固态基质中进行的微生物发酵过程。
在这种发酵过程中，微生物通常生长在半固态基质中，以基质中的水分为生长和代谢所需的水源。
半固态发酵的基质通常是含有较高水分的材料，如果蔬残渣、豆类、肉类等。
半固态发酵具有容积大、氧气传输易、代谢产物易于分离等特点。
升流式固体厌氧反应器
升流式固体厌氧反应器（USR）,是一种结构简单、适用于高悬浮固体有机物原料的反应器。
原料从底部进入消化器内，与消化器里的活性污泥接触，使原料得到快速消化。
未消化的有机物固体颗粒和沼气发酵微生物靠自然沉降滞留于消化器内，上清液从消化器上部溢出，这样可以得到比水力滞留期高得多的固体滞留期（SRT）和微生物滞留期（MRT），从而提高了固体有机物的分解率和消化器的效率。
在当前畜禽养殖行业粪污资源化利用方面，有较多的应用。
许多大中型沼气工程，均采用该工艺。
经过USR处理后产生的沼液属于高浓度有机废水。
该废水具有有机物浓度高、可生化性好、易降解的特点，不能达到排放标准，因此除用于花卉蔬菜等的肥料外，剩余沼液须回流至集水池，经过好氧处理后达标回用或排放。
针对该沼液含氨氮较高的特点，通过预处理可将溶于水的挥发性氨氮部分去除。
沼液中的有机物则通过生物法进行处理。
即利用水中微生物的新陈代谢作用，将有机污染物降解，达到净化水质、消除污染的目的前处理7.1前处理工艺类型7.1.1 “能源生态型”沼气工程污水通过管道自流入调节池，在调节池前设有格栅，以清除较大的杂物，人工清出的粪便运至调节池，与污水充分地混合，然后流入到计量池，计量池的容积根据厌氧消化器的要求确定。
当以鸡粪为原料时，应在调节池后设沉砂池。
粪便的加入点与厌氧消化器类型有关，一般在调节池加入，带有搅拌装置的塞流式反应器也可直接加入到厌氧消化器。
7.1.2 “能源环保型”沼气工程污水通过管道自流入调节池，在调节池前设有格栅，以清除较大的杂物，调节池的污水用泵抽入到固液分离机，分离的粪渣用作有机肥原料，分离出的污水流入沉淀池，沉淀的污泥进入污泥处理设施，上清液自流入集水池。
7.2前处理的一般规定7.2.1 “能源生态型”沼气工程前处理的一般规定a、前处理的目的是将粪便污水调质均化，为厌氧产沼气创造条件；b、污水进入固液分离机前应通过格栅清除污水中较大的杂物；c、以鸡粪为原料时宜设沉砂池；d、以牛粪为原料时应有粪草分离装置；e、沟渠坡度应确保污水自流入沉砂池或计量池。
几种常见反应器的堆肥类型及工艺
运行翻 堆 、曝气 、搅 拌 、混 合 、协 助通风 等设施或 操作 的堆肥经 常堆放 在第二个 通气筒 仓 。由于原料在 筒仓 中
来控 制堆体 的温度 和含水 率 ，同时在反应 器堆肥 中还要 垂直堆放 ，因而这种 系统使堆肥 的 占地 面积很 小。尽 管
解决 物料移 动 、出料 的问题 ，最终 达到提 高发酵速 率 、
或 间歇地输 入这些 系统 ，通 常允许物料 从反应器 的顶部 部设 有抽风 口，外 接除臭 系统 ，装 置的两 侧设有 通风及
向底部周期 性地运 输下落 ，同时在塔 内通过翻板 的翻动 排风 管线 ，将空气 引入活 动翻板下 面 ，经 活动翻 板 的缝
进 行通风 、干燥 。这 种堆肥 系统的特 点是省地省 工 ，但 隙进 入上一层 发酵舱 ，从 上一层发 酵舱 的上部或 顶部 排 相 对投 资较大 ，设备维修 困难。
我 国学者 陈海 滨 和万 迎 峰 （ ０ ６）设计 的发 酵塔 ２０
３ ｗⅥ ｅ ｏ ．ｏ ． ４ ．ｈ ｍｅｇ ｖｃ ｎ
出，实现供氧及散热功能 ，发酵周期 为４ ６ ～ 天。
添加混
产品 输出
｝
图２ 典 型 的塔 式堆 肥 系统
３ 滚筒式堆肥反应器 ．
滚筒 式堆肥反应器 是一个使 用水平滚筒 来混合 、通风 以及输 出物料 的堆肥 系统 。滚 筒架在 大的支座 上 ，并且通 过一个机 械传动
一
图３滚 筒 式 堆肥 系统 简 图
批新 堆料被 装入 第一个 隔仓。 每个移 动 门都有 一个基
座 以成 功实现 批次 接种微 生物 。堆肥产 品可 由出料端 直
由滚 筒 的 出料 端 提 供 通气 ，原 料 在 滚 筒 中翻 动 时 接输送 到分选 机 ，分 选机 去除大 颗粒物 质 ，大颗 粒物质 与空 气混合 在一起 。空气 的流 动方 向和原料运 动 方向相 被送回到滚筒 中进一步堆肥 处理 。
第二章 通风发酵设备
（3） 挡板 挡板的作用：
a. 改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体激烈翻动，增 加溶解氧。 b. 防止搅拌过程中漩涡的产生，而导致搅拌器露在料液以上，起不 到搅拌作用。 挡板宽度：（0.1～0.12）D，装设4～6块即可满足全挡板条件。 挡板与罐壁之间的间隙：（1/8～1/5）D，避免形成死角，防止物料与菌 体堆积。
全挡板条件：条件是达到消除液面旋涡的最低条件（在搅拌发酵罐中增 加挡板或其他附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基本消失）。 （2-3）
(4) 轴封 定义：运动部件与静止部件之间的密封叫作轴封。如搅拌轴 与罐盖或罐底之间。
作用：防止泄漏和污染杂菌。
形式：填料函和端面轴封两种。
填料函式轴封是由填料箱体、填料底 衬套、填料压盖和压紧螺栓等零件构成， 使旋转轴达到密封的效果。 端面式轴封又称机械轴封。密封作用 是靠弹性元件（弹簧、波纹管等）的压力 使垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧密 的相互贴合，并作相对转动而达到密封。
(2)机械搅拌通气发酵罐的溶氧系数
对通气发酵系统的氧溶解过程通常用溶氧系数（kLa）表示，有多种经验公式。
'
Pg ' k L a K ' vs VL
Pg V 或 k L a K '' G VL VL
B、竖式蛇管换热装置
① 结构及形式，以蛇管的形式分组安装于发酵罐内，有四组、六组或 八组不等，根据管的直径大小而定，容积5 m3以上的发酵罐多用这种换 热装置。 ② 优点：冷却水在管内的流速大；传热系数高。适用于冷却用水温度 较低的地区，水的用量较少。
0.4
vs 0.5n0.5
【课堂笔记】《发酵工程》
《发酵工程笔记》笔者：赵可目录第一章绪论（p1） (1)1.1概念 (1)1.2发酵工程的研究内容 (1)1.3发酵过程的特点 (2)1.4发酵过程的问题 (2)1.5发酵工程的发展简史 (2)1.6发酵工程工程的任务 (2)1.7发展方向 (3)第二章生物发酵的基本过程（p36） (3)2.1发酵的基本过程 (3)2.2发酵过程的一般过程和操作方式 (3)2.3微生物的发酵类型 (4)2.3.1液体发酵 (4)2.3.2固体发酵 (4)2.3.3好氧发酵 (5)2.3.4厌氧发酵 (5)第三章种子扩大配培养（p44） (5)3.1概念 (5)3.2种子扩大培养工艺 (6)3.2.1制备流程 (6)3.2.2优良种子具备的条件 (6)3.2.3影响种子的质量因素 (6)3.2.4种子质量控制措施 (6)第四章发酵培养基（p48） (6)4.1一般特点 (6)4.2发酵培养基的组成与制备 (6)4.2.1发酵培养基的组成 (6)4.2.2发酵培养基的制备要点 (7)4.3发酵培养基的设计和优化 (8)4.3.1设计发酵培养基要考虑的因素： (8)4.3.2摇瓶实验： (8)4.3.3正交实验：多因素多水平 (8)第五章发酵过程产物分析（p53） (8)5.1分析项目按性质分可分三类： (8)5.2发酵终点的判断 (8)第六章发酵动力学（p59） (8)6.1发酵动力学概念 (8)6.2研究发酵动力学的目的 (9)6.3动力学 (9)6.3.1课程重点 (9)6.4生物反应类型 (9)6.5发酵的目的 (9)6.6发酵研究的关键问题 (9)6.7优化发酵过程达到高产目标的方法 (10)6.8发酵动力学研究的基本过程 (10)6.9分批发酵动力学 (10)6.9.1菌龄 (10)6.9.2分类 (10)6.9.3细胞生长动力学 (10)6.9.4分批发酵基质消耗动力学 (11)6.9.5分批发酵产物形成动力学 (11)6.9.6分批发酵的优缺点 (12)6.9.7重要截图（来自中国MOOC余龙江教授） (12)6.10讨论与问题 (13)第七章分批发酵、补料分批发酵和高密度发酵（p81） (14)7.1分批发酵 (14)7.1.1分批发酵的操作工艺 (15)7.1.2菌体生长规律 (15)7.1.3代谢变化 (15)7.2补料分批发酵 (16)7.2.1适用范围： (16)7.2.2物料流加方式 (16)7.2.3补料分批动力学 (16)7.3高密度发酵 (16)7.3.1影响高密度发酵生产的因素 (16)7.3.2高密度发酵存在的问题 (17)7.4讨论与问题 (17)7.4.1分批发酵和补料分批发酵有哪些联系和区别？ (17)7.4.2分批发酵的流程 (17)7.4.3分批发酵包括哪些时期 (17)7.5课堂问题 (17)第八章连续发酵（p105） (19)8.1基本概念 (19)8.2连续发酵的优缺点 (19)8.3连续发酵的类型 (19)8.4连续发酵操作方式 (20)8.4.1开放式连续发酵 (20)8.4.2封闭式连续发酵 (20)8.5膜连续发酵 (21)8.6连续发酵的控制方式 (21)8.7连续发酵的实际应用 (22)8.7.1连续发酵 (22)8.7.2分批发酵 (22)8.7.3补料分批发酵 (22)8.7.4连续发酵在工业上的应用 (23)第九章微生物的现代固态发酵（p121） (23)9.1固态发酵 (23)9.1.1固态发酵的特点 (23)9.1.2固体培养的优点 (23)9.1.3固液发酵的比较 (23)9.1.4传统固态发酵与现代固态发酵 (24)9.1.5固态发酵分类 (25)9.1.6适合固态发酵的微生物 (25)9.1.7固态发酵的界面作用 (25)9.2固态发酵反应器 (25)9.2.1静态固态发酵反应器 (25)9.2.2动态固态发酵反应器 (26)9.2.3固态发酵反应器 (26)9.3固态发酵的应用 (26)第十章基因工程菌株发酵（p154） (27)10.1工业化生产的基因工程菌应具备的条件 (27)10.2基因工程菌的发酵 (27)10.2.1培养操作和发酵设备 (27)10.3讨论与问题 (27)10.3.1基因工程菌的不稳定性 (27)10.3.2改善措施： (27)10.3.3生产过程: (27)第十一章发酵过程中氧的溶解、传递、测定及其影响因素（p167） (28)第十二章发酵控制工程（p183） (28)12.1讨论与问题 (28)第十三章空气除菌（p250） (29)13.1几个基本概念 (29)13.2染菌的危害 (29)13.3树立无菌概念，强调无菌操作 (29)13.4灭菌和除菌的基本原理 (30)13.5发酵工程的灭菌工程（p228） (30)13.5.1化学物质灭菌 (30)13.5.2干热灭菌法 (30)13.5.3湿热灭菌法 (31)13.5.4射线灭菌 (31)13.5.5过滤介质除菌 (31)13.5.6静电除菌 (31)13.5.7臭氧灭菌 (31)13.6名词概念 (32)13.7培养基和发酵设备的灭菌 (32)13.7.1温度和时间对培养基的影响 (32)13.7.2影响培养基灭菌的其他因素 (33)13.7.3培养基分批灭菌 (33)13.7.4发酵设备的灭菌 (34)13.8空气除菌 (34)13.8.1发酵用无菌空气的概念和质量标准 (34)第十四章发酵工程设备（p265） (35)14.1通气发酵罐 (35)14.1.1机械搅拌通气发酵罐 (35)14.1.2自吸式发酵罐 (35)14.2嫌气发酵罐 (36)14.2.1基本要求 (36)《发酵工程》1-14章节笔记第一章绪论（p1）1.1概念发酵工程利用微生物或动植细胞的生长繁殖和代谢活动以及特定功能，通过现代化工程技术生产有用物质或直接应用于工业化生产的技术体系；是将传统发酵与现代的DNA重组，细胞融合，分子修饰，和改造新技术结合并发展起来的现代发酵技术；它是渗透有工程学的微生物学和细胞生物学，是现代生物技术产业的基础与核心。
发酵动力学
微生物发酵动力学： 是研究发酵过程中微生
物菌体的生长、营养物质消耗、产物生成的 动态平衡及其内在规律的科学。
发酵动力学中常用的几个术语:
1．得率(或产率，Y)：包括生长得率(Yx/s)和产物 得率(Yp/s)。
得率：是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的 关系。
生长得率：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳源) 所产生的菌体重(g)。
∵在稳定状态下，底物增加速率 dS/dt＝0， ∴上式表现为： 又 ∵ μ＝D
D(S 0 S )YX / S X
∴ X＝YX/S（S0-S） 此式即连续培养的稳定态方程。
三、细胞浓度与稀释率的关系 已知分批发酵时： mS Ks S mS D 用于连续培养时，∵μ＝D， ∴ Ks S
发酵反应动力学的研究内容
研究反应速度及其影响因素并建 立反应速度与影响因素的关联
反应动力学模型
+
反应器特性
反 应 器 的 操 作 模 型
操作条件与反 应结果的关系， 定量地控制反 应过程
研究发酵动力学的目的：
进行最佳发酵工艺条件的控制，即发酵工 艺最优化。
第一节 发酵类型
1．固体发酵生产 固体发酵生产是将一种或多
X—细胞干重浓度(g/L) t—时间(h) μ—比生长速率(h-1)，即单位重量 菌体的瞬时增量g/(g· h)
对数期： μ 与微生物种类、培养温度、pH、培养基成分 及限制性基质浓度等因素有关。在对数生长 阶段，细胞的生长不受限制，因此比生长速 率达到最大值μ m
dX mX dt
Xt mt 经积分后 ln X0
当X=Xmax时，开始以恒定的速度补加培养基(因 为此时营养物基本耗完)。 这时，稀释率D<μ max，事实上随着流加的进行， 所有限制性营养物都很快被消耗（即流入的营养物 与细胞消耗掉的营养物相等）。因此dS/dt＝0。 尽管随时间的延长，培养液中总菌体量增加，但实 际上细胞浓度X保持不变，即dX/dt=0，因而μ ≈ D。 这种dS/dt=0, dX/dt=0, μ ≈ D的状态，就称为“准 恒定状态”。
固体发酵罐的用途及功能说明
固体发酵罐的用途及功能说明固体发酵罐作为常用的发酵罐之一，应用范围广泛。
百仑生物5升、10升、200升固体发酵罐固体发酵罐广泛应用于饲料发酵、肥料发酵、茶叶发酵、益生菌发酵、甲醇发酵、制药、酶制剂、生物农药、酒类发酵、沼气发酵等领域。
固体发酵法是在固体发酵罐是指利用自然底物做碳源及能源，或利用惰性底物做固体支持物，其体系无水或接近于无水的发酵过程。
主要有浅盘式发酵和厚层通风发酵。
固体发酵罐的作业原理：微生物生长在潮湿不溶于水的基质进行发酵，在固体发酵过程中不含任何自由水，随著微生物产出的自由水的添加，固体发酵规模延伸至黏稠发酵以及固体颗粒悬浮发酵。
可以以为每个细胞之间的生长环境未必相同。
为进一步提高培育效率，选用增大外表积的方法。
在发酵生产上，能用液体外表培育的，大多选用液体深层培育法来代替。
百仑生物150升不锈钢固体发酵罐固体发酵生产流程大致如下：生产菌种---固体种或液体种---接种---固体发酵罐---发酵---发酵料烘干---粉碎---复配---检测---包装---成品。
固体发酵罐的优势主要表现在以下三个方面：(1)培养基简单且来源广泛，多为便宜的天然基质或工业生产的下脚料;(2)基质含水量低，可大大减少生物反应器的体积，不需要废水处理，环境污染较小;(3)投资少，能耗相对较低;发酵过程一般不需要严格的无菌操作，技术要求较低;(4)减少人工操作，数据可查询。
固体发酵系统具有以下功能：(1)在位灭菌。
发酵罐内直接通入蒸汽，辅助以特殊搅拌系统，达到在位高温灭菌的目的。
(2)温湿度控制。
湿度数显，采用风量对温度进行反馈控制，物料湿度采用全雾化补水系统进行调节。
(3)接种。
在位压差均匀接种，在发酵过程中，利用罐内的物料混匀与破碎系统，做到接种均匀。
(4)搅拌。
特殊蛟龙式搅拌浆，可以把物料充分混合。
(5)放料。
罐体采用卧式结构，在罐体侧部配置放料口，可以卸料干净。
(6)通气。
过滤器可在线灭菌，保证空气洁净，固体发酵罐采用内循环方式，用搅拌桨分散和打碎气泡，它溶氧速率高，混合效果好（7）取样。
第6章 生物反应器
第6章生物反应器生物反应器就是指提供适宜细胞生长和产物形成的各种条件，促进细胞的新陈代谢，在低消耗下获得高产量的一种反应设备。
一个优良的发酵罐应具备的条件：1)结构简单;2)不易染菌;3)良好的液体混合性能;4)较高的传质传热速率;5)单位时间单位体积的生产能力高;6)同时还应具有配套而又可靠的检测和控制仪表。
工业生产用的发酵罐趋向大型化和自动化。
6.1 通风发酵罐一、通用式发酵罐又称机械搅拌通气式发酵罐，使之既有机械搅拌装置，又有压缩空气分布装置的发酵罐。
1、工作原理是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，提高发酵液的溶解氧。
一个好的通用式发酵罐的基本条件：1)具有适宜的径高比；通常H/D = 2～4，罐身长有利于氧的溶解2)能承受一定压力；水压试验压力为工作压力的1.5倍，即0.38MPa3)搅拌通风装置要能使气泡分散细碎，气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧，提高氧的利用率4)具有足够的冷却面积；5)罐内应抛光，尽量减少死角，使灭菌彻底，避免染菌；6)搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。
2、结构特点发酵罐主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、消泡器、联轴器、空气分布器、挡板、冷却装置、人孔及视镜等。
1) 罐体罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢2) 搅拌器和搅拌轴其作用一是打碎空气气泡，增加气－液接触界面，以提高气－液间的传质速率；二是为了使发酵液充分混和，液体中的固形物料保持悬浮状态。
3) 挡板其作用是为防止发酵液随搅拌器运转而产生旋涡，以提高混合效果。
4) 空气分布器其作用是将无菌空气引入到发酵液中同时初步分散气泡。
5) 冷却装置在发酵过程中，细胞呼吸和机械搅拌都将产生一定热量，为了保证发酵在一定温度下进行，必须将这些热量及时移去，因此需要设置冷却装置。
6) 消泡器分耙式消泡器和半封闭涡轮消泡器二、机械搅拌自吸式发酵罐利用机械搅拌的高速旋转而吸入空气的一种发酵罐。