固体发酵种类及固体发酵反应器

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1、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 *180第一节 概述 一、固态发酵的定义 n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 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。 Date280固态发酵的定义 n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。 Date380二、固态发酵的特点 1、固

2、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0.930.98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。 Date4803、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

3、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。Date580三、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Date680自然富集固态发酵n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。Date7802、强化微生物混合固态发酵n是指在自然富集固态发酵的基础上，根据

4、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 。 Date8803、限定微生物混合固态发酵n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。Date9804、单菌固态纯种发酵n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

5、非常重要的作用，是固态 发酵的重要方向。Date1080四、固态发酵反应器 1、静态固态发酵反应器 塔柱式（图4-1） Date1180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 Date1280园盘固体发酵机 Date1380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Date1480图4

6、4 强制通风填充床反应器 Date1580图45 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 Date16802、动态固态发酵反应器 （1）转鼓式 Date1780（2）带机械搅拌的筒柱式 图47 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 Date1880滚筒发酵机Date1980（3）流化床反应器 Date2080粉剂硫化

7、床粉剂硫化床Date2180（4）塔式反应器Date2280脱氯塔Date2380一酸塔Date2480五、固态发酵发展趋势和应用前景 n 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。 Date2580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

8、酵微生物特征 能够利用多糖的混合物； 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； 能够深入到料层中，也能穿入基质细胞内； 在发酵过程中以菌丝形式生长，而不易孢子化； 生长迅速，染菌概率小； 可以在含水量低的基质中生长； 能够耐受高浓度的营养盐； 可以耐受基质预处理过程中产生的苯类等有毒物质。 Date26802、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Date27803、固态基质中丝状微生物的生长 n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

9、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。 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。 Date28804、固态基质中细菌和酵母菌的生长 n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。 n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

10、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。 Date2980n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 。 n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。 Date3080n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。 n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。 Date3180二、固态发酵基质原料n玉米秸秆、玉米芯、小麦

11、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。 n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。 Date3280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Date3380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。 Date3480三、影响

12、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Date3580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n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。 Date3680n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

13、酒曲和酱曲、腌菜、烟草发酵、 茶叶发酵、青贮、堆肥等。 Date3780（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。 Date3880混合的多种菌种n例如，华根霉（Rhizopus chinensis）可发酵 生产延胡索酸。当它与

14、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 （Rarrhizus）混合发酵，则可将延胡索 酸转化为天冬氨酸。 Date3980（三）混合固态发酵过程控制1、发酵微生物的选择与培养n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n好氧发酵厌氧发酵交替进行Date

15、4080（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。 Date4180二、静态密闭式固态发酵技术n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。 Date42801、托盘式发酵n特点： 相对比较薄的发酵基质铺在一

16、个面积相对比较大 的托盘上； 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； 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。n问题： 操作难以实现机械化，属“劳动密集型”生产方式 ； 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。Date4380托盘式发酵设备Date44802、填充床式发酵Date4580静态密闭式固态发酵工艺控制 1、温度控制2、水分控制 Date4680三、动态密闭式固态发酵技术 1、转鼓式发酵Date47801、转鼓式发酵n转鼓式反应器的主要特色是空气不是从基质的底 部吹人而是从基质的顶部吹过，空气和基质的热 量和物质交换是通过反应器的转动来促进。n转鼓式固态反应器热量的传递主要有两种途径： 一是直接通过对流和蒸发将热量传递到反应器的 顶部空气；二是由反应器的壁通过传导传递。这 种