固體發(fā)酵種類(lèi)及固體發(fā)酵反應(yīng)器課件

第四章固態(tài)發(fā)酵技術(shù)及過(guò)程控制第一節(jié)概述

第二節(jié)固態(tài)發(fā)酵過(guò)程的控制

第三節(jié)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)

4/8/2023180第一節(jié)概述一、固態(tài)發(fā)酵的定義

一切使用不溶性固體基質(zhì)來(lái)培養(yǎng)微生物的工藝過(guò)程，稱(chēng)為固體基質(zhì)發(fā)酵（solidsubstratefermentation）

固體懸浮在液體中的深層發(fā)酵固態(tài)發(fā)酵

沒(méi)有（或幾乎沒(méi)有）游離水的濕固體材料上培養(yǎng)微生物的工藝過(guò)程。4/8/2023280固態(tài)發(fā)酵的定義是指沒(méi)有或幾乎沒(méi)有自由水存在下，在有一定濕度的水不溶性固態(tài)基質(zhì)中，用一種或多種微生物的一個(gè)生物反應(yīng)過(guò)程，因此固態(tài)發(fā)酵是以氣相為連續(xù)相的生物反應(yīng)過(guò)程。4/8/20233803、固態(tài)發(fā)酵中培養(yǎng)基提供的與氣體的接觸面積要比液體深層發(fā)酵中與氣泡的接觸面積大得多，供氧更充足，同時(shí)，空氣通過(guò)固體層得阻力較小，能量消耗低。4、使用固體原料，在發(fā)酵過(guò)程中，糖化和發(fā)酵過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，簡(jiǎn)化操作工序，節(jié)約能耗。5、高底物濃度可以產(chǎn)生高的產(chǎn)物濃度。6、由于產(chǎn)物濃度高，提取工藝簡(jiǎn)單可控，沒(méi)有大量有機(jī)廢液產(chǎn)生，但提取物含有底物成分。7、生產(chǎn)機(jī)械化程度較低，缺乏在線傳感儀器，過(guò)程控制較困難。4/8/2023580三、固態(tài)發(fā)酵的分類(lèi)1、自然富集固態(tài)發(fā)酵2、強(qiáng)化微生物混合固態(tài)發(fā)酵3、限定微生物混合固態(tài)發(fā)酵4、單菌固態(tài)純種發(fā)酵4/8/2023680自然富集固態(tài)發(fā)酵是指利用自然界中微生物，由不斷演替的微生物進(jìn)行的富集混合發(fā)酵過(guò)程。例如傳統(tǒng)的酒曲、醬油和堆肥發(fā)酵等，不需要接種微生物，而是依賴(lài)空氣和物料中的自然微生物區(qū)系，由多種微生物演替成最適于生長(zhǎng)代謝或共同協(xié)作的小生態(tài)環(huán)境。4/8/20237803、限定微生物混合固態(tài)發(fā)酵是在對(duì)微生物相互作用和群落認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，接種混合培養(yǎng)的微生物是已知和確定的，通常使用兩種或兩種以上經(jīng)過(guò)分離純化的微生物純種，同時(shí)或先后接種在滅菌的培養(yǎng)基中，在無(wú)污染條件下進(jìn)行的固態(tài)發(fā)酵過(guò)程。4/8/20239804、單菌固態(tài)純種發(fā)酵是在純種培養(yǎng)基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，采用已知的單一微生物菌種，接種在滅菌的固態(tài)培養(yǎng)基中，在無(wú)菌條件下進(jìn)行的固態(tài)發(fā)酵過(guò)程。它對(duì)于擴(kuò)大固態(tài)發(fā)酵的應(yīng)用范圍和潛力的發(fā)揮起到非常重要的作用，是固態(tài)發(fā)酵的重要方向。4/8/20231080四、固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器1、靜態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器塔柱式（圖4-1）4/8/20231180園盤(pán)固體發(fā)酵機(jī)4/8/20231380強(qiáng)制通風(fēng)物料靜態(tài)反應(yīng)器（圖4-3）1－發(fā)酵罐；2－空氣調(diào)節(jié)閥門(mén)；3－空氣溫度傳感器；4－濕度傳感器；5－排氣閥；6－溫度控制；7－加濕器；8－冷卻盤(pán)管；9－加熱器；LP－液面探針；RH－相對(duì)濕度調(diào)節(jié)器4/8/20231480圖4－4強(qiáng)制通風(fēng)填充床反應(yīng)器4/8/202315802、動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器

（1）轉(zhuǎn)鼓式

4/8/20231780（2）帶機(jī)械攪拌的筒柱式

圖4－7攪拌式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器

1－攪拌架電機(jī)；2－攪拌槳電機(jī)；3－接種和噴水口；4－溫度傳感器；5－測(cè)重儀；6－濕度傳感器；7－冷卻器；8－濕度調(diào)節(jié)器；9－空氣流量器；10－鼓風(fēng)機(jī)；11－加熱器；12－空氣過(guò)濾器；13－空氣冷卻器4/8/20231880滾筒發(fā)酵機(jī)4/8/20231980粉劑硫化床4/8/20232180（4）塔式反應(yīng)器4/8/20232280脫氯塔4/8/20232380五、固態(tài)發(fā)酵發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景固態(tài)發(fā)酵可利用多種工農(nóng)業(yè)殘?jiān)鳛榈孜锎罅可a(chǎn)化學(xué)物質(zhì)，在有機(jī)酸、酒精、單細(xì)胞蛋白、蘑菇、酶制劑、生物活性物質(zhì)及風(fēng)味物質(zhì)等，盡管上述研究有的還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，但固態(tài)發(fā)酵被認(rèn)為是可再生性資源綜合利用最有希望的途徑，是解決當(dāng)前人類(lèi)所面臨的“三大”危機(jī)的一個(gè)有效手段。當(dāng)前，許多工農(nóng)業(yè)殘?jiān)?、城市生活垃圾已成為人們的社?huì)公害，對(duì)人類(lèi)的生存環(huán)境均產(chǎn)生不利的影響。4/8/20232580第二節(jié)固態(tài)發(fā)酵過(guò)程的控制一、固態(tài)發(fā)酵微生物及生長(zhǎng)機(jī)制

1、適合固態(tài)發(fā)酵微生物特征

①能夠利用多糖的混合物；②有完整的酶系，可以迅速?gòu)膶?duì)某一種多糖的代謝轉(zhuǎn)為對(duì)另一種多糖的代謝；③能夠深入到料層中，也能穿入基質(zhì)細(xì)胞內(nèi)；④在發(fā)酵過(guò)程中以菌絲形式生長(zhǎng)，而不易孢子化；⑤生長(zhǎng)迅速，染菌概率??；⑥可以在含水量低的基質(zhì)中生長(zhǎng)；⑦能夠耐受高濃度的營(yíng)養(yǎng)鹽；⑧可以耐受基質(zhì)預(yù)處理過(guò)程中產(chǎn)生的苯類(lèi)等有毒物質(zhì)。4/8/202326804、固態(tài)基質(zhì)中細(xì)菌和酵母菌的生長(zhǎng)自然漚肥：濕潤(rùn)的有機(jī)物被一系列微生物所分解，其中，由于嗜熱芽孢桿菌的代謝活動(dòng)，在木質(zhì)纖維素類(lèi)物質(zhì)的分解過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的代謝熱，導(dǎo)致培養(yǎng)基內(nèi)溫度高達(dá)60℃以上。飼料的青貯：是由細(xì)菌參與的自然固態(tài)發(fā)酵過(guò)程，尤其是在發(fā)酵過(guò)程的后期，隨著發(fā)酵過(guò)程的進(jìn)行，體系的pH值降低，同時(shí)培養(yǎng)基內(nèi)局部的氧被耗盡，造成培養(yǎng)基內(nèi)變成厭氧環(huán)境，從而抑制了真菌的生長(zhǎng)。4/8/20232980納豆：是日本的一種風(fēng)味食品，它主要是由枯草芽孢桿菌發(fā)酵蒸煮過(guò)的大豆而制成。在嚴(yán)格無(wú)菌條件下，細(xì)菌被越來(lái)越多地用于固態(tài)發(fā)酵過(guò)程，如利用芽孢桿菌(Bacillusspp．)發(fā)酵麩皮生產(chǎn)淀粉酶等。4/8/20233080利用酵母菌的純種固態(tài)發(fā)酵果皮及其他廢棄物產(chǎn)酒精，也愈來(lái)愈引起人們的重視。在淀粉類(lèi)物質(zhì)為底物的同步糖化發(fā)酵過(guò)程中，淀粉酶和酵母菌被同時(shí)引入固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)，酵母菌的存在還有利于提高發(fā)酵產(chǎn)品中的蛋白質(zhì)含量。4/8/20233180二、固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)原料玉米秸稈、玉米芯、小麥秸稈、水稻秸稈、麩皮、稻殼、玉米、大米、小米、大豆、甘蔗渣、酒糟、木薯、玉米皮渣等。為了使底物更容易被微生物利用，經(jīng)常對(duì)底物進(jìn)行化學(xué)或機(jī)械物理處理，如采用酸、堿進(jìn)行化學(xué)水解處理或采用爆碎、粉碎、研磨等物理處理。4/8/20233280固體發(fā)酵基質(zhì)原料

影響微生物生長(zhǎng)的因素（1）固體基質(zhì)的大分子結(jié)構(gòu)（2）顆粒大小影響微生物的生長(zhǎng)（3）顆粒形狀（4）顆粒的多孔性（5）顆粒均勻性及硬度4/8/20233380固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)的差異性（1）復(fù)雜的，非均一的基質(zhì)結(jié)構(gòu)。（2）基質(zhì)的不同批次之間的差異。（3）發(fā)酵基質(zhì)混合上的困難。（4）微生物在基質(zhì)顆粒間活力的不均勻性。4/8/20233480三、影響固態(tài)發(fā)酵過(guò)程的主要參數(shù)1、濕度與水活度2、溫度與熱量傳遞3、通氣與傳質(zhì)過(guò)程4、pH值4/8/20233580第三節(jié)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)一、混合固態(tài)發(fā)酵技術(shù)（一）混合固態(tài)發(fā)酵概念混合發(fā)酵(mixedfermentation)：許多發(fā)酵過(guò)程是純菌株無(wú)法完成或只能微弱地進(jìn)行的，必須依靠?jī)煞N或多種微生物共同培養(yǎng)來(lái)完成的過(guò)程如傳統(tǒng)酒曲和醬曲、腌菜、煙草發(fā)酵、茶葉發(fā)酵、青貯、堆肥等。4/8/20233680強(qiáng)化微生物混合固態(tài)發(fā)酵(intensifiedmixedsolid-statefermentation)以人為強(qiáng)化接種微生物菌系不明確的富集培養(yǎng)物或特定微生物培養(yǎng)物來(lái)進(jìn)行混合發(fā)酵如傳統(tǒng)酒曲和醬曲、腌菜、煙草發(fā)酵、茶葉發(fā)酵、青貯、堆肥等。4/8/20233780（二）混合固態(tài)發(fā)酵工藝特點(diǎn)1、充分利用培養(yǎng)基、設(shè)備、人員和時(shí)間，可以在同一發(fā)酵容器中經(jīng)過(guò)相同工藝過(guò)程，提高所需產(chǎn)品的質(zhì)和量，或獲得良種、多種產(chǎn)品。2、混合發(fā)酵能夠獲得一些獨(dú)特的產(chǎn)品，而純種發(fā)酵是很難做到的。3、混合的多種菌種，增加了發(fā)酵中許多基因的功能，通過(guò)不同代謝能力的組合，完成單個(gè)菌種難以完成的復(fù)雜代謝作用，可以代替某些基因重組工程菌來(lái)進(jìn)行復(fù)雜的多種代謝反應(yīng)，或促進(jìn)生長(zhǎng)代謝，提高生產(chǎn)效率。4/8/20233880混合的多種菌種例如，華根霉（Rhizopuschinensis）可發(fā)酵生產(chǎn)延胡索酸。當(dāng)它與大腸埃希菌（E．coli）混合發(fā)酵，延胡索酸就能完全轉(zhuǎn)化成琥珀酸。用膜醭畢赤酵母（Pichiamembranaefaciens）代替大腸桿菌混合發(fā)酵，延胡索酸就被轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)—蘋(píng)果酸。如果普通變形菌（Proteusvulgaris）和少根根霉（R．a(chǎn)rrhizus）混合發(fā)酵，則可將延胡索酸轉(zhuǎn)化為天冬氨酸。4/8/20233980（三）混合固態(tài)發(fā)酵過(guò)程控制1、發(fā)酵微生物的選擇與培養(yǎng)在限定微生物混合固態(tài)發(fā)酵中，用兩種或兩種以上經(jīng)鑒定的純種微生物進(jìn)行發(fā)酵。這種條件下，微生物的營(yíng)養(yǎng)需求已知，就可以建立適合于這些微生物生長(zhǎng)發(fā)育的培養(yǎng)條件。2、發(fā)酵過(guò)程條件控制好氧發(fā)酵厭氧發(fā)酵交替進(jìn)行4/8/20234080（四）混合固態(tài)發(fā)酵工藝過(guò)程存在的問(wèn)題1、大多數(shù)混合菌體系中菌間相互關(guān)系和作用機(jī)制的研究尚不夠深入；2、對(duì)于具有協(xié)同作用關(guān)系的菌株篩選和組合還是一個(gè)隨機(jī)的過(guò)程，缺乏有效的理論指導(dǎo)，；3、對(duì)混合培養(yǎng)體系也不能有效地協(xié)調(diào)菌間的關(guān)系，使其達(dá)最佳生態(tài)水平，發(fā)揮最大效應(yīng)。4/8/20234180二、靜態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵技術(shù)靜態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵，主要是指發(fā)酵過(guò)程中的固體基質(zhì)保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，通常所說(shuō)傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)酵即指此種發(fā)酵方式。靜態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，主要有托盤(pán)式或填充床式反應(yīng)器，這些系統(tǒng)均不包含攪拌設(shè)備。4/8/202342801、托盤(pán)式發(fā)酵特點(diǎn)：①相對(duì)比較薄的發(fā)酵基質(zhì)鋪在一個(gè)面積相對(duì)比較大的托盤(pán)上；②沒(méi)有強(qiáng)制的通風(fēng)，但在托盤(pán)上可以有孔，空氣可以緩慢地在托盤(pán)的周?chē)h(huán)；③發(fā)酵基質(zhì)的溫度隨著反應(yīng)器周?chē)h(huán)境的溫度而變化，因此可以通過(guò)控制反應(yīng)器所在的空間溫度來(lái)控制反應(yīng)器的內(nèi)部溫度。問(wèn)題：

①操作難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，屬“勞動(dòng)密集型”生產(chǎn)方式；②由于發(fā)酵基質(zhì)是靜態(tài)的，因此傳質(zhì)、傳熱困難，這就使托盤(pán)上所添加的基質(zhì)的厚度往往只有幾厘米到十幾厘米。4/8/20234380托盤(pán)式發(fā)酵設(shè)備4/8/202344802、填充床式發(fā)酵4/8/20234580靜態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵工藝控制1、溫度控制2、水分控制4/8/20234680三、動(dòng)態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵技術(shù)1、轉(zhuǎn)鼓式發(fā)酵4/8/202347801、轉(zhuǎn)鼓式發(fā)酵轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器的主要特色是空氣不是從基質(zhì)的底部吹人而是從基質(zhì)的頂部吹過(guò)，空氣和基質(zhì)的熱量和物質(zhì)交換是通過(guò)反應(yīng)器的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)促進(jìn)。轉(zhuǎn)鼓式固態(tài)反應(yīng)器熱量的傳遞主要有兩種途徑：一是直接通過(guò)對(duì)流和蒸發(fā)將熱量傳遞到反應(yīng)器的頂部空氣；二是由反應(yīng)器的壁通過(guò)傳導(dǎo)傳遞。這種反應(yīng)器可以用干空氣增加基質(zhì)的水分蒸發(fā)來(lái)降溫，因?yàn)檫@樣的反應(yīng)器可以從頂部通過(guò)噴水來(lái)調(diào)節(jié)基質(zhì)的水分含量。轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器的裝料系數(shù)一般是0.3。4/8/202348802、攪拌式發(fā)酵4/8/202349802、攪拌式發(fā)酵攪拌式固態(tài)發(fā)酵兩種主要類(lèi)型：水平攪拌式的和轉(zhuǎn)鼓式。在水平攪拌式中，發(fā)酵基質(zhì)的運(yùn)動(dòng)是由攪拌軸的運(yùn)動(dòng)來(lái)提供動(dòng)力的；而在轉(zhuǎn)鼓式中是由罐體的運(yùn)動(dòng)來(lái)提供的。除此以外，二者其他方面都很類(lèi)似。垂直式的反應(yīng)器一般都要強(qiáng)制通風(fēng)。4/8/202350803、氣固流化床發(fā)酵4/8/20235180流化床發(fā)酵的特色和優(yōu)點(diǎn)①由于通氣良好，因此有助于好氧微生物的生長(zhǎng)，在流化床上生長(zhǎng)的微生物呼吸率可以達(dá)到靜態(tài)培養(yǎng)的10倍；②代謝熱的去除十分完全，不會(huì)發(fā)生培養(yǎng)基溫度過(guò)高的問(wèn)題；③氣體和揮發(fā)性的代謝產(chǎn)物可以很快消失，減小抑制；④混合效果很好，消除了發(fā)酵基質(zhì)中的溫度和濕度梯度，有利于過(guò)程中的工藝參數(shù)的控制；⑤某些產(chǎn)物（如單細(xì)胞蛋白）可以直接在反應(yīng)器中進(jìn)行干燥；⑥相對(duì)于傳統(tǒng)的固態(tài)培養(yǎng)，生產(chǎn)效率大大提高，因此可以減少生產(chǎn)所占用的空間和生產(chǎn)操作費(fèi)用。4/8/202352804、立式多層固態(tài)發(fā)酵罐4/8/20235380立式多層固態(tài)發(fā)酵罐特點(diǎn)立式多層固態(tài)發(fā)酵采用的發(fā)酵罐具有占地面積小、自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)能力大、易于監(jiān)測(cè)和控制等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)酵物料可以在發(fā)酵罐內(nèi)進(jìn)行蒸煮、滅菌、降溫等操作，更重要的是實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵罐內(nèi)接種、發(fā)酵罐內(nèi)噴淋加濕、自動(dòng)翻料、溫濕度自動(dòng)檢測(cè)顯示、自動(dòng)進(jìn)出料等自動(dòng)控制操作過(guò)程。可以在常溫、常壓下工作，利用夾套、內(nèi)蛇管和無(wú)菌空氣進(jìn)行加熱和冷卻。由于發(fā)酵物料是在密閉條件下進(jìn)行發(fā)酵，而且進(jìn)入發(fā)酵罐內(nèi)的空氣和水都經(jīng)過(guò)滅菌處理，完全消除了雜菌污染的可能性，最終產(chǎn)品的質(zhì)量有了確切的保證。4/8/20235480操作及應(yīng)用范圍立式多層固態(tài)發(fā)酵罐在投料前先進(jìn)行空罐滅菌，發(fā)酵物料從發(fā)酵罐頂部人料孔加人，進(jìn)入發(fā)酵罐底下第一層，然后翻起第二層堆料板，加第二層料，依次按此步驟進(jìn)行加料。然后進(jìn)行蒸煮、滅菌。發(fā)酵物料的控溫是依靠發(fā)酵罐的內(nèi)蛇管、外夾套冷卻水以及罐底壓人的無(wú)菌空氣，然后從罐頂排出。目前，國(guó)內(nèi)已有0.5—10m3規(guī)格的立式多層圓桶形固態(tài)發(fā)酵罐出售，可以用于菌體蛋白、纖維素酶、淀粉酶、四環(huán)素、赤霉酸、紅曲、醋曲、醬曲的生產(chǎn)，生物制藥（包括生物農(nóng)藥），飼料和菜籽餅固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)酶等許多領(lǐng)域。4/8/20235580在固體發(fā)酵過(guò)程中進(jìn)行攪拌具有以下一些特點(diǎn)和要求：①設(shè)計(jì)上必須符合清潔無(wú)菌的衛(wèi)生要求；②要求對(duì)固體基質(zhì)施加的剪切力較?。虎酃腆w基質(zhì)經(jīng)預(yù)處理（浸泡、滅菌）后，可通過(guò)固體攪拌器內(nèi)部接種，以避免染菌；④可通過(guò)攪拌保證添加水分分布均勻，以便于控制水分含量；⑤通過(guò)外部冷卻夾套和攪拌提高溫控效果。4/8/20235680四、氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)純種發(fā)酵技術(shù)氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)純種發(fā)酵新技術(shù)的研制成功，標(biāo)志著現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的成熟。大致可歸納為以下三個(gè)方面：（1）打破現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)中液體深層發(fā)酵技術(shù)的壟斷局面（2）開(kāi)辟新的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)（3）對(duì)傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)4/8/202357801、打破現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)中液體深層發(fā)酵技術(shù)的壟斷局面有許多現(xiàn)行的液體發(fā)酵法生產(chǎn)過(guò)程，都可以用此現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)代替。典型的有Bt發(fā)酵、纖維素酶發(fā)酵、果膠酶發(fā)酵、固氮菌發(fā)酵、赤霉素發(fā)酵、核黃素發(fā)酵等。以此類(lèi)推，整個(gè)酶制劑工業(yè)都有可能轉(zhuǎn)成以固態(tài)發(fā)酵法為主體。其他還有農(nóng)用抗生素、有機(jī)酸等，也有部分代替的可能。4/8/202358802、開(kāi)辟新的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)典型事例是如白僵菌、綠僵菌等在液體中不產(chǎn)生分生孢子，必須采用現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)。更重要的是，木質(zhì)纖維素的生物轉(zhuǎn)化與生物量全利用是人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中的重大課題，現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)將是該課題最終克服技術(shù)經(jīng)濟(jì)關(guān)的突破口?？砷_(kāi)創(chuàng)眾多的新產(chǎn)業(yè)：①以酒精為代表的清潔液體燃料工業(yè)；②高效有機(jī)生物肥工業(yè)；③菌體飼料蛋白工業(yè)；④飼料添加劑工業(yè)等。4/8/202359803、對(duì)傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)壓力脈動(dòng)操作往往可使發(fā)酵時(shí)間縮短1／3，變溫操作往往可提高菌體活性。在復(fù)合菌群組合優(yōu)化方面也可發(fā)揮作用。因此對(duì)傳統(tǒng)制酒，及風(fēng)味食品制造方面提供技術(shù)改進(jìn)的新途徑，甚至創(chuàng)制新的風(fēng)味發(fā)酵食品、保健食品等，例如用紅曲霉固態(tài)發(fā)酵制紅曲霉素及保健食品等。4/8/20236080（一）氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)純種發(fā)酵的工藝過(guò)程圖4－11雙筒式雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵罐示意圖4/8/20236180圖4－12單筒式雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵罐示意圖4/8/20236280圖4－13小推車(chē)盤(pán)架系統(tǒng)4/8/20236380圖4－14小推車(chē)盤(pán)架機(jī)械輸送系統(tǒng)4/8/20236480氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)純種發(fā)酵工藝特點(diǎn)①無(wú)固體層機(jī)械翻動(dòng)裝置，由薄層、氣相雙動(dòng)態(tài)及循環(huán)風(fēng)機(jī)達(dá)到傳質(zhì)與傳熱要求；②由于無(wú)固體翻動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易密封，便于工業(yè)放大；③反應(yīng)器為受壓容器，可用壓力蒸汽進(jìn)行嚴(yán)格的空罐或?qū)嵐逌缇瑹o(wú)死角，便于清掃；④采用無(wú)菌壓縮空氣供氧，發(fā)酵過(guò)程中反應(yīng)器為正壓狀態(tài)，故能?chē)?yán)格達(dá)到純種固態(tài)培養(yǎng)的要求；4/8/20236580⑤氣相雙動(dòng)態(tài)有促進(jìn)微生物代謝、強(qiáng)化細(xì)胞內(nèi)外的傳質(zhì)，減少代謝產(chǎn)物的反饋抑制，從而有縮短發(fā)酵周期、提高轉(zhuǎn)化率的功能；⑥反應(yīng)器的環(huán)形結(jié)構(gòu)與循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)，使反應(yīng)器內(nèi)的溫度、濕度均勻一致；⑦反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置冷卻排管，加之循環(huán)風(fēng)機(jī)配合后，強(qiáng)制罐內(nèi)氣相空氣順次通過(guò)物料和冷卻排管，降低發(fā)酵物料的溫度，并便于反應(yīng)器內(nèi)溫度與濕度的調(diào)控；⑧氣相雙動(dòng)態(tài)的周期、振幅與波形由進(jìn)出氣閥的適時(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)完成，可以隨發(fā)酵過(guò)程對(duì)供氧與發(fā)熱要求進(jìn)行計(jì)算機(jī)在線優(yōu)化控制。4/8/20236680（二）氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵的機(jī)制氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵中氣體內(nèi)循環(huán)的目的是使氣相始終處在對(duì)流擴(kuò)散狀態(tài)。內(nèi)循環(huán)速率變化也應(yīng)與微生物的代謝狀況相對(duì)應(yīng)，隨著微生物代謝活動(dòng)的加劇，氣體內(nèi)循環(huán)速率也應(yīng)增加。但風(fēng)速太大，填料層表面基質(zhì)將被吹起。風(fēng)速可以通過(guò)馬達(dá)轉(zhuǎn)速及風(fēng)扇功率估計(jì)。在氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵中，培養(yǎng)基料層的厚度、氣體脈沖壓力變化范圍、氣體內(nèi)循環(huán)速率等都會(huì)影響發(fā)酵。由于是密閉系統(tǒng)，氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵中能很好保持水分。4/8/20236780五、吸附載體固態(tài)發(fā)酵技術(shù)傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)酵不足之處：①固體培養(yǎng)基既是碳源，又是它們的結(jié)構(gòu)組成部分，在微生物發(fā)酵生長(zhǎng)過(guò)程中，培養(yǎng)基被分解了，底物容易結(jié)塊，孔隙率也降低。由于底物的外形和物理特性都發(fā)生了變化，結(jié)果降低了發(fā)酵過(guò)程中的傳質(zhì)和傳熱。②固體物中的雜質(zhì)容易帶入發(fā)酵提取液中，難以應(yīng)用于純度要求高的發(fā)酵產(chǎn)品。③由于底物的不均勻性，難以維持發(fā)酵反應(yīng)的穩(wěn)定性和一致性，生物量和代謝產(chǎn)物的成分不易分析，不利于發(fā)酵過(guò)程的控制以及動(dòng)力學(xué)研究與模型建立等。4/8/20236880（一）吸附載體固態(tài)發(fā)酵的特點(diǎn)吸附載體固態(tài)發(fā)酵的特點(diǎn)特征是以天然或人工合成的多孔材料代替麩皮之類(lèi)的固態(tài)基質(zhì)作為微生物的載體，營(yíng)養(yǎng)成分可以嚴(yán)格控制，發(fā)酵結(jié)束，只需將菌體和培養(yǎng)液擠壓出來(lái)進(jìn)行抽提，載體又可以重新使用。吸附載體固態(tài)發(fā)酵可以克服傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵存在的許多問(wèn)題4/8/202369801、選用適宜的惰性吸附載體充當(dāng)固態(tài)發(fā)酵的固相，可以克服底物結(jié)塊、傳質(zhì)和傳熱差的難題，避免固體物中的雜質(zhì)帶人發(fā)酵提取液中；2、由于多孔吸附載體在無(wú)游離水狀態(tài)下固態(tài)發(fā)酵，利于氣—液—固傳遞，發(fā)酵水平比液體發(fā)酵提高3～5倍，設(shè)備投資比液體深層發(fā)酵低得多；3、能夠維持固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中環(huán)境的均勻性與一致性；4、容易分析生物量和代謝產(chǎn)物，利于發(fā)酵過(guò)程的控制以及動(dòng)力學(xué)研究與模型建立；5、采用培養(yǎng)基實(shí)消、液體種子在位無(wú)菌接種和在位超聲控濕等配套的無(wú)菌操作方法，解決大規(guī)模固體培養(yǎng)基難以滅菌和大規(guī)模無(wú)菌接種的問(wèn)題；6、該技術(shù)拓寬了固體發(fā)酵應(yīng)用范圍，具有廣泛的適用性與推廣意義。4/8/20237080吸附載體固態(tài)發(fā)酵與深層液態(tài)發(fā)酵相比的優(yōu)點(diǎn)由于吸附載體固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中，固態(tài)載體提供了微生物生長(zhǎng)的巨大表面，單位體積的比表面積可以始終維持在很高的水平，微生物可以在通人少量或不需要通入空氣或氧氣的條件下，從外界中獲得自身生長(zhǎng)所需的氧氣，因此，不需要通人大量無(wú)菌氧氣或空氣，也不需要強(qiáng)力攪拌，節(jié)省能源。4/8/20237180（二）吸附載體固態(tài)發(fā)酵的載體選擇惰性吸附載體是吸附載體固態(tài)發(fā)酵中一個(gè)關(guān)鍵因素。為了確定微生物適合的載體，應(yīng)了解微生物發(fā)酵周期、載體材料的吸附等溫線、載體發(fā)酵過(guò)程物理化學(xué)變化以及水活度對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響。另外，對(duì)于載體的選擇還要依賴(lài)于所選用的生物反應(yīng)器。如在非攪拌發(fā)酵反應(yīng)器中，如果載體使用不當(dāng)就會(huì)造成反應(yīng)濕度低，結(jié)果會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng)。而在攪拌發(fā)酵反應(yīng)器中，載體應(yīng)能夠承受攪拌所造成的剪切力，并且能夠保護(hù)菌絲體不受攪拌的影響。載體還必須耐蒸汽加熱或藥物滅菌，多孔結(jié)構(gòu)既有足夠的表面積，又能允許空氣流通。4/8/20237280對(duì)于吸附載體需考察以下幾個(gè)物理性質(zhì)（1）表觀密度：在23℃環(huán)境下，用游標(biāo)卡尺測(cè)定載體試片的規(guī)格尺寸為5.0cm×5.0cm×2.5cm，并稱(chēng)取它的質(zhì)量，然后計(jì)算出表觀密度。（2）測(cè)定氣泡平均孔徑：用一只小型放大鏡，數(shù)出位于2.0cm長(zhǎng)度直線上的氣泡數(shù)，并計(jì)算出氣泡平均孔徑。（3）最大吸水率：把規(guī)格尺寸為5.0cm×5.0cm×2.5cm的試片浸入23℃的水中，用戴聚乙烯手套的手在水中擠壓試片，直至沒(méi)有氣泡出來(lái)時(shí)再放松，使其充分地吸水。最大吸水量最大吸水率＝×100％吸水前載體試片的質(zhì)量（4）開(kāi)孔率最大吸水率×表觀密度開(kāi)孔率＝0.9975式中：0.9975表示水在23℃時(shí)的密度。（5）載體吸水性在固態(tài)發(fā)酵時(shí)，為了能夠減小發(fā)酵過(guò)程中因水分揮發(fā)而引起水活度的降低，惰性載體應(yīng)能夠在發(fā)酵過(guò)程中緩釋出部分水，以維持發(fā)酵過(guò)程水活度的穩(wěn)定。4/8/20237380（三）吸附載體固態(tài)發(fā)酵過(guò)程分析惰性載體吸附固態(tài)發(fā)酵技術(shù)既不同于利用農(nóng)作物產(chǎn)品為底物的傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵，也不同于液態(tài)攪拌通氣發(fā)酵。其不同點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：惰性載體吸附固態(tài)發(fā)酵提高了固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中環(huán)境的均勻性與一致性；為微生物生長(zhǎng)提供了一個(gè)巨大的界面環(huán)境，強(qiáng)化了發(fā)酵過(guò)程中的氧、熱等的傳遞過(guò)程；提供了一個(gè)不存在很強(qiáng)的剪切力作用的發(fā)酵環(huán)境。4/8/202374801、吸附載體固態(tài)發(fā)酵提高了固態(tài)發(fā)酵環(huán)境的均勻性傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中，由于發(fā)酵底物的不均勻性，由底物形成的大環(huán)境中具有多種多樣的微環(huán)境。如根據(jù)氧在微環(huán)境中的分布情況，可以將固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)表面和內(nèi)部的環(huán)境分為好氧環(huán)境、兼性厭氧環(huán)境和嚴(yán)格厭氧環(huán)境。這些多種多樣的微環(huán)境的存在，使得傳統(tǒng)的