固态发酵技术及过程控制

五、固态发酵发展趋势和应用前景

固态发酵可利用多种工农业残渣作为底物 大量生产化学物质，在有机酸、酒精、单 细胞蛋白、蘑菇、酶制剂、生物活性物质 及风味物质等，尽管上述研究有的还处在 实验室研究阶段，但固态发酵被认为是可 再生性资源综合利用最有希望的途径，是 解决当前人类所面临的“三大”危机的一 个有效手段。当前，许多工农业残渣、城 市生活垃圾已成为人们的社会公害，对人 类的生存环境均产生不利的影响。
第四章 固态发酵技术及过程控制
第一节 概述 第二节 固态发酵过程的控制 第三节 固态发酵技术
2016/12/18
80
1
第一节 概述
一、固态发酵的定义

一切使用不溶性固体基质来培养微生物的 工艺过程，称为固体基质发酵（solid substrate fermentation）
固体悬浮在液体中的深层发酵
2、动态固态发酵反应器
（1）转鼓式
2016/12/18
80
17
（2）带机械搅拌的筒柱式
图4－7 搅拌式固态发酵反应器 1－搅拌架电机；2－搅拌桨电机；3－接种和喷水口；4－温 度传感器；5－测重仪；6－湿度传感器；7－冷却器；8－ 湿度调节器；9－空气流量器；10－鼓风机；11－加热器； 12－空气过滤器；13－空气冷却器
2016/12/18 80 12
园盘固体发酵机
2016/12/18
80
13
强制通风物料静态反应器（图4-3）
1－发酵罐；2－ 空气调节阀门； 3－空气温度传 感器；4－湿度 传感器；5－排 气阀；6－温度 控制； 7－加湿器；8－ 冷却盘管；9－ 加热器；LP－液 面探针；RH－相 对湿度调节器
2016/12/18
80
4
3、固态发酵中培养基提供的与气体的接触面积要比 液体深层发酵中与气泡的接触面积大得多，供氧 更充足，同时，空气通过固体层得阻力较小，能 量消耗低。 4、使用固体原料，在发酵过程中，糖化和发酵过程 同时进行，简化操作工序，节约能耗。 5、高底物浓度可以产生高的产物浓度。 6、由于产物浓度高，提取工艺简单可控，没有大量 有机废液产生，但提取物含有底物成分。 7、生产机械化程度较低，缺乏在线传感仪器，过程 控制较困难。
2016/12/18 80 5
三、固态发酵的分类
1、自然富集固态发酵
2、强化微生物混合固态发酵 3、限定微生物混合固态发酵 4、单菌固态纯种发酵
2016/12/18 80 6
自然富集固态发酵

是指利用自然界中微生物，由不断演替的 微生物进行的富集混合发酵过程。例如传 统的酒曲、酱油和堆肥发酵等，不需要接 种微生物，而是依赖空气和物料中的自然 微生物区系，由多种微生物演替成最适于 生长代谢或共同协作的小生态环境。
2016/12/18
80
7
2、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，强化接 种微生物菌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，例如沼 气发酵、白酒发酵及废物发酵降解处理等。
2016/12/18
80
8
3、限定微生物混合固态发酵
二、固态发酵的特点
1、固态发酵培养基中没有游离水的流动，水是培养 基中较低的组分。培养基中水活度在0.99以下，适 宜于水活度在0.93～0.98的微生物生长，限制了应 用范围，同时也限制了某些杂菌的生长。 2、微生物从湿的固态基质吸收营养物，营养物浓度 存在梯度，发酵不均匀，菌体的生长、对营养物 的吸收和代谢产物的分泌存在不均匀。

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，同时或先后接种在灭菌 的培养基中，在无污染条件下进行的固态 发酵过程。
2016/12/18
80
9
4、单菌固态纯种发酵

是在纯种培养基础上建立起来的，采用已 知的单一微生物菌种，接种在灭菌的固态 培养基中，在无菌条件下进行的固态发酵 过程。它对于扩大固态发酵的应用范围和 潜力的发挥起到非常重要的作用，是固态 发酵的重要方向。
2016/12/18 80 18
滚筒发酵机
2016/12/18
80
19
（ ） 流 化 床 反 应 器
3
2016/12/18
80
20
粉 剂 硫 化 床
2016/12/18
80
21
（4）塔式反应器
2016/12/18
80
22
脱氯塔
2016/12/18
80
23
源自文库
一酸塔
2016/12/18
80
24
2016/12/18
80
10
四、固态发酵反应器
1、静态固态发酵反应器
塔 柱 式 （ 图 4-1 ）
2016/12/18 80 11
浅盘式（图4-2）
1－浅盘室；2－ 水阀门；3－紫 外灯管；4，8， 13－空气阀门； 5，11－空气过 滤器；6－排气 口； 7－加湿器；9－ 加热器；10－空 气循环；12－进 气口；14－浅盘； 15－浅盘架
2016/12/18 80 14
图4－4 强制通风填充床反应器
2016/12/18
80
15
图4－5 Koji工业制曲设备 1－曲室；2多孔板；3－旋转机；4，11－卸料螺杆机；5－空 气调节器；6－鼓风机；7－排气管；8－调节阀；9－空气过 滤器；10－装料机；12－控制台
2016/12/18 80 16
（四）混合固态发酵工艺过程存在 的问题
1、大多数混合菌体系中菌间相互关系和作用 机制的研究尚不够深入 ； 2、对于具有协同作用关系的菌株筛选和组合 还是一个随机的过程 ，缺乏有效的理论指 导，； 3、对混合培养体系也不能有效地协调菌间的 关系，使其达最佳生态水平，发挥最大效 应。
2016/12/18 80 41
2016/12/18
80
29

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。
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 spp．)发酵麸皮生产淀粉酶等。

2016/12/18
80
30

利用酵母菌的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。
2016/12/18 80 36

强化微生物混合固态发酵(intensified mixed solid-state fermentation) 以人为强化接种微生物菌系不明确的富 集培养物或特定微生物培养物来进行混合 发酵 如传统酒曲和酱曲、腌菜、烟草发酵、 茶叶发酵、青贮、堆肥等。
2016/12/18
二、静态密闭式固态发酵技术

静态密闭式固态发酵，主要是指发酵过程 中的固体基质保持相对静止状态，通常所 说传统的固态发酵即指此种发酵方式。静 态密闭式固态发酵反应器，主要有托盘式 或填充床式反应器，这些系统均不包含搅 拌设备。
2016/12/18
80
42
特点： ①相对比较薄的发酵基质铺在一个面积相对比较大的 托盘上； ②没有强制的通风，但在托盘上可以有孔，空气可以 缓慢地在托盘的周围循环； ③发酵基质的温度随着反应器周围环境的温度而变化， 因此可以通过控制反应器所在的空间温度来控制反 应器的内部温度。 问题： ①操作难以实现机械化，属“劳动密集型”生产方式； ②由于发酵基质是静态的，因此传质、传热困难，这 就使托盘上所添加的基质的厚度往往只有几厘米到 十几厘米。
2016/12/18 80 26
2、界面作用
（1）营养物在界面上的富集
（2）界面分布的微生物 （3）微生物界面效应的意义
2016/12/18
80
27
3、固态基质中丝状微生物的生长

丝状真菌的生长是以其顶端延长的方式进行的， 顶端之后的菌丝只能变厚而不能伸长；在生长过 程中又靠顶端延伸的方式产生繁茂的分枝而构成 真菌的菌落，可见真菌的生长主要表现在菌丝顶 端的生长。
2016/12/18
80
34
三、影响固态发酵过程的主要参数
1、湿度与水活度 2、温度与热量传递 3、通气与传质过程 4、pH值
2016/12/18
80
35
第三节 固态发酵技术
一、混合固态发酵技术 （一）混合固态发酵概念 混合发酵(mixed fermentation) ： 许多发酵过程是纯菌株无法完成或只能 微弱地进行的，必须依靠两种或多种微生 物共同培养来完成的过程 如传统酒曲和酱曲、腌菜、烟草发酵、 茶叶发酵、青贮、堆肥等。
80 39
2016/12/18
（三）混合固态发酵过程控制
1、发酵微生物的选择与培养
在限定微生物混合固态发酵中，用两种或 两种以上经鉴定的纯种微生物进行发酵。 这种条件下，微生物的营养需求已知，就 可以建立适合于这些微生物生长发育的培 养条件。 2、发酵过程条件控制 好氧发酵厌氧发酵交替进行

2016/12/18 80 40
80 25
2016/12/18
第二节 固态发酵过程的控制
一、固态发酵微生物及生长机制 1、适合固态发酵微生物特征
①能够利用多糖的混合物； ②有完整的酶系，可以迅速从对某一种多糖的代谢转为对另 一种多糖的代谢； ③能够深入到料层中，也能穿入基质细胞内； ④在发酵过程中以菌丝形式生长，而不易孢子化； ⑤生长迅速，染菌概率小； ⑥可以在含水量低的基质中生长； ⑦能够耐受高浓度的营养盐； ⑧可以耐受基质预处理过程中产生的苯类等有毒物质。
外层是不定形的组分，主要是蛋白质、甘露聚糖和葡聚糖；内层是定形的，由 几丁质、纤维素或二者组成的微纤。顶部后面坚硬的细胞壁和复杂的分支系统 使得菌丝牢固地固定在底物上，并产生强大的内压使顶部延伸有了动力。
2016/12/18 80 28
4、固态基质中细菌和酵母菌的生长


自然沤肥 ：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 ：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值降低，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。
固态发酵
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。
2016/12/18 80 2
固态发酵的定义

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，因此固态发酵是以 气相为连续相的生物反 应过程。
80 3
2016/12/18
在淀粉类物质为底物的同步糖化发酵过程 中，淀粉酶和酵母菌被同时引入固态发酵 系统，酵母菌的存在还有利于提高发酵产 品中的蛋白质含量。

2016/12/18
80
31
二、固态发酵基质原料

玉米秸秆、玉米芯、小麦秸秆、水稻秸秆、 麸皮、稻壳、玉米、大米、小米、大豆、 甘蔗渣、酒糟、木薯、玉米皮渣等。 为了使底物更容易被微生物利用，经常对 底物进行化学或机械物理处理，如采用酸、 碱进行化学水解处理或采用爆碎、粉碎、 研磨等物理处理。
2016/12/18
80
38
混合的多种菌种

例如，华根霉（Rhizopus chinensis）可发酵 生产延胡索酸。当它与大肠埃希菌 （E．coli）混合发酵，延胡索酸就能完全 转化成琥珀酸。用膜醭毕赤酵母（Pichia membranaefaciens）代替大肠杆菌混合发酵， 延胡索酸就被转化为L—苹果酸。如果普通 变形菌（Proteus vulgaris）和少根根霉 （R．arrhizus）混合发酵，则可将延胡索酸 转化为天冬氨酸。

2016/12/18
80
32
固体发酵基质原料 影响微生物生长的因素
（1）固体基质的大分子结构 （2）颗粒大小影响微生物的生长 （3）颗粒形状 （4）颗粒的多孔性 （5）颗粒均匀性及硬度
2016/12/18
80
33
固态发酵基质的差异性
（1）复杂的，非均一的基质结构。 （2）基质的不同批次之间的差异。 （3）发酵基质混合上的困难。 （4）微生物在基质颗粒间活力的不均匀性。
80
37
（二）混合固态发酵工艺特点
1、充分利用培养基、设备、人员和时间，可以在同 一发酵容器中经过相同工艺过程，提高所需产品 的质和量，或获得良种、多种产品。 2、混合发酵能够获得一些独特的产品，而纯种发酵 是很难做到的。 3、混合的多种菌种，增加了发酵中许多基因的功能， 通过不同代谢能力的组合，完成单个菌种难以完 成的复杂代谢作用，可以代替某些基因重组工程 菌来进行复杂的多种代谢反应，或促进生长代谢， 提高生产效率。