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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，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， 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3C/, 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 度除受基质本身的影响外，还与溶质的种类和数量有关不 同微生物要求也不同一般而言，细菌要求在0.90-0.99之 间；大多数酵母菌要求在0.80-0.90；真菌及少数酵母菌要求 在0.60-0.70o因此，固态发酵常用真菌原因就是其对水活度 要求低，可以降低杂菌的污染在固态发酵过程中，由于基 质的水解，物质的溶出，降低[2],将延长微生物的滞后期， 导致生物量减少。

可以通过加无菌水、加湿空气和安装喷湿 器等方法来提高，以保证菌体正常生长四 现代固态发酵技术的应用固态发酵技术在传统功能食品和酒类酿造方面得到了 广泛应用，如酱油、米酒、豆豉、黄酒和白酒等•从传统固态 发酵发展到现代固态发酵，该技术在生产抗生素、酶制剂、精 饲料、有机酸、生物活性物质等方面发挥了重大作用,并进一 步扩大到生物转化、生物燃料、生物防治、垃圾处理及生物 修复等领域,固态发酵作为潜在的技术引起人们的密切关注.4」生物转化利用固态发酵技术对农作物及农作物残渣进行生物转 化提高其营养价值具有巨大经济价值现在食品和饲料行业 对其利用越来越广泛，如利用根霉菌对木薯及木薯渣进行发 酵以提高其营养价值；利用白腐菌或黄抱原毛平革菌对木质 纤维素进行降解［3, 4］；利用木霉发酵棕稠提高其在饲料行 业的利用率［5］4.2生物燃料用农业、工业残渣固态发酵生产生物燃料可大致分为两 大类：气体和液态生物燃料对传统沼气进行净化可得到新 型生物燃料；生物制氢是一个相对较新的生物燃料的气体类 型，由氢细菌、产酸和产甲烷细菌联合厌氧发酵农工业废物 液体生物燃料最近被分为生物乙醇和生物柴油由于世界能 源危机生物乙醇表现出了振奋人心的重要性，生物柴油作为 石油的潜在替代品不断得到发展。

利用固态发酵方法生产生 物乙醇有可消除糖的制备过程，节省成本；降低发酵罐体积, 无废水；降低能耗等优点，发酵过程由酵母产生的转化酶和 酒化酶对天然原料（如甜菜、苹果渣、甜高粱和木薯等）进行 转化［6］与酒精不同，生物柴油是一种酯，生物发酵提取的 乙基或甲基酯可以与传统柴油混合或100%地作为生物柴油 使用等用微藻处理工业废水生产藻油取得突破性进展，藻 油经简单处理即可作为生物柴油［7］4.3生物防治生物防治是一种既不污染环境，又可杀死害虫或病菌的 办法，是利用有益生物或其他生物来抑制或消灭有害生物的 一种防治方法，常见的有应用真菌、细菌、病毒和能分泌抗 生物质的抗生菌（对人体和环境不产生公害）利用固态发酵 生产真菌杀虫剂，药物对害虫的毒力得到极大的提高如早 期的白僵菌、苏云金杆菌杀虫；又如假单砲杆菌、哈慈木霉 和绿色木霉复合使用能最大限度地抑制尖抱镰刀菌香蕉转 化型［8］施用固态发酵微生物肥料能减轻西瓜、黄瓜连作障 碍［9］4.4垃圾处理目前国、内外城市垃圾处理主要采用填埋、焚烧、发酵 等方法，其中填埋技术占地面积大，不易降解；釆用垃圾焚 烧技术，其减量化程度高，但投资巨大且受到烟气排放的制 约；发酵技术具有减容、减量及无害化程度低及可再循环利 用等优点成为国内外垃圾处理方面的首选。

利用固态发酵技 术加工处理生活垃圾，不但解决了资源短缺等问题，同时降 低了垃圾排放德国公司采用隧道仓发酵系统对分类收集的 有机垃圾、不含重金属等工业有害物进行处理，生产高等级 的有机肥料，处理能力为7.3万/年西班牙巴塞罗那的垃圾 综合处理厂采用垃圾前分选、好氧堆肥、厌氧发酵、沼气发 电等工艺可处理城市混合垃圾和餐馆垃圾，日综处理能力为 1050加拿大处理厂采用滚筒发酵工艺技术，每年生产12.5 万腐熟堆肥•中国广东省博罗县采用分选、有机垃圾发酵、肥 料加工、可燃物热解、气化发电、无机垃圾填埋等工艺相结 合的系统集成技术对生活垃圾进行处理，生产有机复混肥4.5生物修复固态发酵生物技术是有毒化合物生物降解与环境生物 修复的有益工具如国家海洋局第三研究所学者利用太平洋 深海红球菌(.53)修复石油污染海水和湖水，石油的分解率达 到90%,同时收集菌体还可得到富含的油脂59.18%[10]o利 用•对含有咖啡因的物质进行固态发酵进行生物修复可达到 对咖啡因降解的U的希腊学者利用微生物去除垃圾填埋场 中的腐植酸，去除率可达85%以上[11]五结语随着人们对固态发酵机理认识的不断加深，现代固态发 酵的成功将成为现代发酵技术的一次革命，对某些材料进行 降解、修复及转化成对人们有益或无害的物质，既无损于自 然生态系统，又可解决环境污染问题，减轻资源危机。

随着固态发酵过程动力学数学模型的深入研究和发展， 加之系统控制技术的完善，揭示固态发酵过程的变化规律和 固态发酵反应器的设计会更加科学合理，从而使得固态发酵 系统工艺参数控制达到最优化。