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1、2005年32(1)微生物学通报·99·专论与综述固态发酵生物反应器廖春燕郑裕国(浙江工业大学生物工程研究所杭州310014)摘要:固态发酵是指微生物在没有或几乎没有游离水的固体的湿培养基上的发酵过程。与深层液体发酵相比,它具有很多优点,因此近年来受到了研究者的重视。主要介绍了固态发酵的特点和数学模型,综合论述了各类应用于固态发酵的生物反应器的研究现状、设计标准和应用领域。关键词:固态发酵,数学模型,生物反应器中图分类号:TS20113文献标识码:A文章编号:025322654(2005)0120099205SolidStateFermentationBioreactorLIAOChun2Y
2、anZHENGYu2Guo(InstituteofBioengineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310014)Abstract:Solidstatefermentationinvolvesthegrowthofmicroorganismsonmoistsolidsubstratesintheabsenceoffreeflowingwater1Ithasgainedconsiderableattentionoflateyearsduetoitsseveraladvantagesoversub2mergedfermentation1T
3、hispapermainlyintroducesthecharacteristicsandmathematicalmodelsofsolidstatefer2mentationandsummarizesthedevelopmentsituationofvariousbioreactors,thedesignstandardsandapplications1Keywords:Solidstatefermentation,Mathematicalmodel,Bioreactor固态发酵(SolidStateFermentation,SSF)是最古老的生物技术之一。微生物生长和代谢所需的氧大部分来
4、自气相,也有部分存在于与固体基质混合在一起的水中。所以固态发酵常涉及气、固、液三相,使情况变得非常复杂。在固态发酵中,对于生物反应器的设计除了氧的传递是一个限制性的因素外,更复杂和更重要的两个参数是温度和固体培养基的水含量。影响生物反应器设计的其它因素还有:(1)菌体的形态学以及其对机械剪切力的抵抗性;(2)是否需要无菌发酵过程。在分析各种各样的生物反应器各自的优点和缺点之前,应该特别指出通常很多类型的反应器只能够在实验室水平运作,规模化生产时会由于生成大量热和系统的复杂性而变得复杂。1固态发酵的特点固态发酵又称固体发酵,是指微生物在没有或几乎没有游离水的固体的湿培养基[1]上生长、繁殖、代
5、谢的发酵过程。固态的湿培养基一般含水量在50%左右,但也有的固态发酵的培养基含水量为30%或70%等。培养基呈液态的微生物发酵过程称为液态发酵。固态发酵与深层液体发酵有很大的区别,前者的底物是固态的,几乎不溶于收稿日期:2004203215,修回日期:2004206201·100·微生物学通报2005年32(1)水,而后者的大部分底物溶解于水。我国农村的堆肥、青饲料发酵和做酒曲,就是固态发酵。固态发酵的特征,体现在它与液态发酵相比的相对优、缺点方面(表1)。表1固态发酵与液态发酵相比的优缺点优点缺点(1)培养基含水量少,废水、废渣少,环境污染少,(1)菌种限于耐低水活性(aw)的微生物,菌种
6、选择容易处理;性少;(2)消耗低,供能设备简易;(2)发酵速度慢,周期较长;(3)培养基原料多为天然基质或废渣,广泛易得,价(3)天然原料成分复杂,有时变化,影响发酵产物的格低廉;质和量;(4)设备和技术较简易;(4)工艺参数难检测和控制;(5)产物浓度较高,后处理方便。(5)产品少,工艺操作消耗劳力多,强度大。2固态发酵的数学模型[2]数学模型是优化生物过程的必要工具。数学模型不仅能指导生物反应器的设计和操作,而且能够对在发酵体系里发生的各种现象如何结合起来控制整个过程的操作提供见解。人们提出的关于固态发酵领域的数学模型可以分为下列两种:宏观模型和微观模型。宏观模型涉及的是生物反应器的操作
7、,它描述基质床的传质传热过程。微观模型涉及的是在颗粒表面和内部发生的各种现象,并不把生物反应器的操作作为一个整体来描述。显然,由于它们的重点不同,这两种数学模型对于生物反应器都非常重要。固态发酵生物反应器的数学模型的目的是描述不同的操作变量如何影响反应器的性能。生物反应器的模型可认为由两个亚模型组成:动力学亚模型和平衡(传递)[2]亚模型。平衡(传递)亚模型描述在生物反应器不同相里或相之间的传质传热,而动力学
