固态发酵工程研究进展

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1、固态发酵工程研究进展固态发酵指体系在没有或几乎没有自由水存在下，微生物在固态物质上生长的过程，过程中维持微生物活性需要的水主要为结合水或与固体基质结合的状态。固态发酵是人类利用微生物生产产品历史最悠久的技术之一。近几年，由于能源危机与环境问题的日益严重，固态发酵技术再次引起人们的重视，固态发酵领域的研究出现了翻天覆地的变化。一基质（底物）研究在固态发酵中，固体底物不仅提供微生物所需营养，还作为细胞的固定物，能提供微生物所需一切营养的底物被认为是理想底物。基质在固态发酵中具有独特的作用，它影响微生物发酵过程的传质、传热及微生物的代谢功能等。所以人们对底物研究比较透彻，主要集中在

2、基质的特性、预处理及灭菌等方面。1.1基质特性微生物要在底物上进行生长并产生代谢产物，必将受到底物本身的物理因素和化学因素的影响。但底物颗粒的尺寸及湿度或水活度在固态发酵中对微生物的生长于活性最重要。底物颗粒的大小直接影响到单位体积反应表面积，也会影响颗粒间菌体的生长、氧的供给率及二氧化碳的移出率等。一般来讲，小的底物颗粒可以提供较大微生物攻击表面积，可以明显提高固态发酵反应速率，被认为是理想的选择。但是，在许多情况下太小的颗粒容易造成底物积团，颗粒间空隙率也减小，导致阻力增大，对传热、传质产生不利的影响，以致于妨碍微生物的呼吸或通气，结果导致微生物不良生长；同时，大颗粒由于

3、存在较大间隙有利于提高传质和传热效率，还可提供更好的呼吸及通气条件，但提供较小的微生物攻击表面积。随着菌丝的增长，空隙大小在反应过程中会减小，氧、二氧化碳有效扩散系数降低。1.2底物预处理及吸收大多底物都是聚合物，不仅具有不溶于水，在微生物开始发酵初期不易被攻击等特点而且底物经常缺少某些微生物所需的营养，这时需要从外部添加这些营养。为了使底物更容易地被微生物利用，经常对底物进行化学或机械预处理。底物预处理方法很多，包括：汽爆、浸提、粉碎、裂解、研磨等机械处理及碱化学处理。微生物的生长应归因于其分泌酶对底物有效分解的程度。但底物的物理和化学因素都会促进或限制微生物的生长。下列因

4、素决定了微生物对底物的水解及利用：（1）微生物分泌酶的种类；（2）微生物对酶解物利用状况及其生长状态；（3）酶、底物及水解物的消耗度；（4）酶的扩散率；（5）底物被攻击面积；（6）底物不均匀性；（7）最终产物的反馈抑制；（8）微生物对易降解碳源的要求；（9）酶动力学等。1.3培养基灭菌我们知道随着反应器的放大，培养基大规模灭菌会带来许多问题，如：培养基物理化学性质改变、有毒化合物的形成及营养物的损失等。灭菌加热及冷却时间随培养基规模而变，灭菌过程受不同因素影响如杀死微生物的速率（与微生物活细胞成正比）、不同微生物对温度的敏感性差别等。对大规模灭菌一般采用高温、短时方法，这样由

5、于热而引起营养成分破坏的概率减小。在工业化生产时，培养基灭菌遇到的另一个棘手问题是：培养基有的有机成分易受热分解，甚至在较高温度下互相作用，形成对微生物有毒害作用的物质。有时培养基灭菌除了考虑杀死微生物外，还应考虑温度对基质的物理化学性质的影响。二无菌操作相对概念在任何液体发酵中，大多都要求无菌操作，这是因为杂菌可以在含水量高的液体培养基中比发酵使用的微生物生长更好。而对于固态发酵来说，其菌种一般可在含水量低的情况下快速生长；如果固态发酵所用微生物接种到已灭菌的底物上，此过程有利于微生物优于杂菌生长，甚至可以排除杂菌的干扰。这意味着严格的无菌操作在固态发酵不是十分重要。当然，

6、操作尽可能地无菌。对于易染菌微生物的固态发酵可采取加大接种量和利用密闭反应器（如：转鼓式、密闭盘式及圆柱式反应器）等措施来控制染菌。三工艺控制参数固态发酵最明显的特征就是传质和传热过程的不均匀性，这使得固态发酵的自动化控制和在线检测非常困难。在固态发酵中，控制的工艺参数主要有：温度、值、物料或培养基的含水量等。3.1温度由于微生物的生长、蛋白质合成、酶和细胞活性及代谢产物合成对温度的敏感性[1],对温度的控制很重要。固态发酵中，微生物生长初期要达到一定的温度，才能保证其正常生长。微生物在生长过程中，会释放大量的生物热，尤其是在微生物的对数生长期，产热速度很快，菌丝体生长旺盛，

7、造成物料大面积板结，加之固态发酵中没有自由流动相，导热性能差，单位距离上存在很大的温度梯度，有时高达3°C/,不利于微生物的生长和产酶，必须通过通风降温、喷淋无菌水及翻曲等手段使热量及时散发。3.2值目前，世界范围内对于这方面的研究很少，但值是影响发酵过程的重要因素，由于固态物料的含水量偏低，液态发酵中的值检测手段难以应用。一般认为，只要调节好初始值,发酵过程中不必对其进行监测和控制。在实际过程中，菌体代谢会导致物料值发生较大变化。3.3水活度微生物能否在底物上生长取决于该基质的水活度。水活度除受基质本