第十六章固态发酵 第一节概述 固态发酵起源于中国,具有几千年的历史。近年来,由于固态发酵具有节水、节能的独 特优势,属于清洁生产技术、逐步得到世界各国的重视。因此,本书从全新角度和从发展的 观点来讨论固态发酵,以期使人们重新认识固态发酵。本着继承、发展和创新的观点,不仅 对固态发酵基础理论进行分析,而且从固态发酵的典型应用过程上来说明。 、固态发酵的内涵 般发酵工艺过程按照培养基物理性状不同,将发酵方式分为两大类:固态发酵和液态 发酵。液态发酵主要有表面发酵和深层发酵 而一切使用不溶性固体基质来培养微生物的工艺过程,称之为固体基质发酵( solid substrates fermentation)。按照这样的理解,既包括将固体悬浮在液体中的深层发酵,也包括 在没有(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。而对于固态发酵来讲 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 搅拌电机 发酵液体(水作为连续相 无 空 气体(空气作为连续相) 固体颗粒 图1.1固态发酵与液态发酵的比较 a)固态发酵系统:(b)液态发酵系统 由于人们对于固态发酵传统的认识是从固体基质开始,它既是微生物生长代谢的碳源能源, 又是微生物生长的微环境,上述对于固态发酵的定义难以反映出固态发酵的科学内涵。从生
第十六章 固态发酵 第一节 概述 固态发酵起源于中国，具有几千年的历史。近年来，由于固态发酵具有节水、节能的独 特优势，属于清洁生产技术、逐步得到世界各国的重视。因此，本书从全新角度和从发展的 观点来讨论固态发酵，以期使人们重新认识固态发酵。本着继承、发展和创新的观点，不仅 对固态发酵基础理论进行分析，而且从固态发酵的典型应用过程上来说明。 一、固态发酵的内涵 一般发酵工艺过程按照培养基物理性状不同，将发酵方式分为两大类：固态发酵和液态 发酵。液态发酵主要有表面发酵和深层发酵 而一切使用不溶性固体基质来培养微生物的工艺过程，称之为固体基质发酵(so1id substrates fermentation)。按照这样的理解，既包括将固体悬浮在液体中的深层发酵，也包括 在没有(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。而对于固态发酵来讲， 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。 由于人们对于固态发酵传统的认识是从固体基质开始，它既是微生物生长代谢的碳源能源， 又是微生物生长的微环境，上述对于固态发酵的定义难以反映出固态发酵的科学内涵。从生
物反应过程的本质考虑,固态发酵是以气相为连续相的生物反应过程,与此相反,液态发酵 是以液相为连续相的生物反应过程。从这个定义中可以充分认识固态发酵的特点.以及液态 发酵本质的区别(图1.1) 二、固态发酵的特点 固态发酵是气体作为生物反应过程中的O、CO2、热量、营养和产物的传递介质,表现 为O2、CO2扩散比较容易,热量传递困难,存在明显的营养梯度,并且无大量有机废水产 三、固态发酵与液态发酵比较分析 固态发酵与液态发酵本质区别是以气相还是以波相为连续相的差异,具体表现是固体 发酵基质中游离水的多少。固态发酵中微生物生长在缺乏或几乎缺乏不可见液体水的颗粒之 间,在固态发酵系统中,微生物可以从湿的基质颗粒中获得所需的水分。固体发酵基质的含 水量可以有效控制在12%~80%之间,大多含水量在60%左右。与固态发酵相反,典型的深 层液体发酵的发酵液中台有5%左右的溶质,至少有95%的水。当前发酵工业所使用的主要 是深层液态发酵,尽管这种技术已经经过了较长期的使用和研究,但是,它仍然存在着许多 难以克服的缺点,需要采用新的技术加以解决。 表1.1固态发酵与液态发酵的比较 培养基中没有游离水的流动,水是培养基中较低的培养基中始终右游离水的流动水是培养基中主要组分 生物从混的固态基质吸收营养物营养物浓度存在微生物从溶解水中吸收营养物背养物浓度始终不存在 培养体系涉及到气液、图二相气相是连续相,而液相培养体系大多仅涉及气,液两相而固相所占比例低是 不是连续相 接种比比较大,大于1% 接种比比 小于10% 微生物所需氧主要来自于气相兵需少量无熊空气能徽生物所蓄氧来自于溶解氧需要消耗较大耗用于循 生物溶解氧需求 面绌撸蹶爬酒热食仅可提供氧气和排踪样发性广物,热金终要牙留仪供气和谁除发性产物代磁 生物吸附于固态底物的表面生长或渗透到固态底物徼生物均匀分布在培养体系中 发酵结束时,培养基是湿物料状态,产物浓度高 发酵结束时,培养基是液体状态,产物浓度低 使用浓缩的培养基和较小的固态发酵生物反应器 使用稀释的培养基和较大体积的生物反应器,因此生产 率较低 高底物浓度可以产生高的产物浓度 高底物浓度产生非牛顿流体问题需要补料系统 由于系统压力低,所需通气的压力低 由于需要克服液位差和气体从气相到液相的阻力,系统 需要较商气源压力 余题校内的混合难以实现且徽生物生长受营养扩散的可实现有效混合,营养扩散通常不受限制 有效去除代谢热困难,易出现过热问题 高水含量使发酵温度控制容易,发酵设备庞大 匀菌体的生长对营养物的吸收和代谢产铛发酵坳匀 的分泌在各处都是不均匀 由于缺乏有效在线测量手段,过程控制比较困难 许多在线传感器的成熟,可以实现发酵过程控制 程同时进行,简化操作T序,节约 在发腰过程中糖化与发酵过一般发酵原料需要经过较复杂的加工消耗能最大
物反应过程的本质考虑，固态发酵是以气相为连续相的生物反应过程，与此相反，液态发酵 是以液相为连续相的生物反应过程。从这个定义中可以充分认识固态发酵的特点．以及液态 发酵本质的区别（图 1.1）。 二、固态发酵的特点 固态发酵是气体作为生物反应过程中的 O2、CO2、热量、营养和产物的传递介质，表现 为 O2、CO2 扩散比较容易，热量传递困难，存在明显的营养梯度，并且无大量有机废水产 生。 三、固态发酵与液态发酵比较分析 固态发酵与液态发酵本质区别是以气相还是以波相为连续相的差异，具体表现是固体 发酵基质中游离水的多少。固态发酵中微生物生长在缺乏或几乎缺乏不可见液体水的颗粒之 间，在固态发酵系统中，微生物可以从湿的基质颗粒中获得所需的水分。固体发酵基质的含 水量可以有效控制在 12％~80％之间，大多含水量在 60％左右。与固态发酵相反，典型的深 层液体发酵的发酵液中台有 5％左右的溶质，至少有 95％的水。当前发酵工业所使用的主要 是深层液态发酵，尽管这种技术已经经过了较长期的使用和研究，但是，它仍然存在着许多 难以克服的缺点，需要采用新的技术加以解决。 表 1.1 固态发酵与液态发酵的比较
续表1.1 固态发酵 在需要大量供氧过程中,空气通过固体层的阻力较小 态发酵中固态颗粒提供的液体表面积比|在好氧发中需要克服静液层阻力才能将供氧的通过 液体发酵中气泡提供的界面高得多 深的液层,消耗能量人 体培养基的水活度在0,99以下,适宜于水活度在 93~0.98的激生物生长限制了应用范围,同时也 适用于大多数微生物的牛长 代谢热驱除比较难,主要幕通气薇发冷却,易造成《谢热平除比较容易通过冷却水控制不存在通气造成 因发微环境稱于微生物分化,特别是丝状真蘭分撤态发牌环境抑制微生物分化代谢,不利于次生代谢产 化代谢 备不完善.缺乏在线传感仪器,机械化程度低 复性差 所需设备完斧,自动化程度高,技术比较成熟 松然生长环地徵生物保热与自然界相似的生 毒柔生线中不产生酶相买他代产物:如有人工派体培养基中均匀生长 第二节固态发酵的分类 、传统固态发酵与现代固态发酵 然固态发酵与液态发酵相比,具有它独特的优势,但也存在着许多不足。特别是传 统固态发酵是发酵工业中古老而又落后工艺的代名词。甚至,在发酵工程或生化工程的教科 书中,也很少提到固态发酵。现代发酵技术的关键条件是纯种大规模集约化培养.随着科学 技术发展和可持续发展的影响,国内外逐步重视对固态发酵的研究开发,已取得了很大进展 因此,依据固态发酵过程中是否能实现限定微生物纯种培养,分为传统固态发酵与现代固态 发酵。现代固态发酵是为了充分发挥固态发酵的优势,针对传统固态发酵存在的问题,使之 适应现代生物技术的发展而进行的,可以实现限定微生物的纯种大规模培养。 表1.2现代固态发酵与传统固态发酵 现代固态发酵 在密团容器的固态发酵反应器中进行 在极为简单的发酵容器中或敞冂式固态发酵进行 采用单一菌株纯种或限定株混合发酵 基本是自然富集发酵或强化菌种发酵 扩大了固态发醇的应用范围 于传统食品的生产 增加了操作能耗,设备投资较大 操作能耗低设备投资小,劳动强度大 需要无菌处理发酵原料 可直接利用粮食和纤维家原料,价格低廉 适宜于分离纯化高附加值产品 般产品后处理简单,可直接烘于 、固态发酵的形式 1,按微生物的情况和形成的产品条件不同分类 固态发酵可以以许多不同的形式进行,按照使用的微生物的情况和形成的产品条件不 同,固态发酵可分为自然富集固态发酵、强化微生物混合固态发酵、限定微生物混合固态发 酵和单菌固态纯种发酵 自然富集固态发酵是指利用自然界中的微生物,由不断演替的微生物进行的富集混合发
续表 1.1 第二节 固态发酵的分类 一、传统固态发酵与现代固态发酵 虽然固态发酵与液态发酵相比，具有它独特的优势，但也存在着许多不足。特别是传 统固态发酵是发酵工业中古老而又落后工艺的代名词。甚至，在发酵工程或生化工程的教科 书中，也很少提到固态发酵。现代发酵技术的关键条件是纯种大规模集约化培养．随着科学 技术发展和可持续发展的影响，国内外逐步重视对固态发酵的研究开发，已取得了很大进展。 因此，依据固态发酵过程中是否能实现限定微生物纯种培养，分为传统固态发酵与现代固态 发酵。现代固态发酵是为了充分发挥固态发酵的优势，针对传统固态发酵存在的问题，使之 适应现代生物技术的发展而进行的，可以实现限定微生物的纯种大规模培养。 表 1.2 现代固态发酵与传统固态发酵 二、固态发酵的形式 1，按微生物的情况和形成的产品条件不同分类 固态发酵可以以许多不同的形式进行，按照使用的微生物的情况和形成的产品条件不 同，固态发酵可分为自然富集固态发酵、强化微生物混合固态发酵、限定微生物混合固态发 酵和单菌固态纯种发酵。 自然富集固态发酵是指利用自然界中的微生物，由不断演替的微生物进行的富集混合发
酵过程。典型的例子是传统酒曲和酱油、腌莱、烟草发酵、茶叶发酵、青贮、堆肥等。它不 需要人工接种微生物,其所需发酵的微生物主要依赖于当地空气和物料中的自然微生物区 系,多种微生物演替成最适于生长代谢或共生协作的小生态环境。其微生物富集区系不仅与 当地空气和物料中的自然微生物区系有关,而且与小生态环境自然变化密切相关。 强化微生物混合固态发酵是指在自然富集固态发酵的基础上,根据人们部分掌握的微生 物代谢机制,人为强化接种微生物茵系不明确的富集培养物或特定微生物培养物所进行的混 合发酵过程。强化微生物混合固态发酵除应用于沼气发酵、白酒发酵作用外,在石油采收、 湿法冶金、食品发酵等领域同样显示其优势。人们在长期的科学研究和生产实践中却不断发 现,不少生命活动及其效应是借助于两种以上的生物在同一环境中的共同作用下进行的,甚 至是单独不能或只能微弱进行的。例如废物的处理,纤维索和本质素的降解,甲烷的产生和 利用等。自然界的微生物没有一种是单独存在的,单靠纯培养很难反映它们的真实活动情况 因此,强化微生物混合固态发酵微生物资源具有非常广阔的应用前景。 限定微生物混合固态发酵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 接种同一灭过茵的培养基中,在无污染条件下进行的固态发酵过程。人类对微生物的利用经 历过天然混合培养到纯种培养两个阶段,纯培养技术使得研究者摆脱了多种微生物共存的复 杂局面,能够不受干扰地对单一目的菌株进行研究,从而丰富了人们对微生物形态结构、生 理和遗传特性的认识。但是,在长期的实验和生产实践中,人们不断地发现很多重要生化过 程是单株微生物不能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完成。 虽然微生物混合培养在很多领域中的作用已得到充分肯定,部分成果己成功应用于实践,但 对大多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。因此,目前对于具有协同 作用关系的菌株筛选和组合还是一个随机过程的,缺乏有效的理论指导,而且对于已经应用 的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。这严 重地阻碍了混合菌培养的发展和应用。因此,如果从生理、代谢和遗传角度对混合茵间关系 和协同作用机制进行深入研究,对混合菌培养的理论和应用都将有巨大的突破。随着混合菌 培养在各方面应用研究的深入,人们不再满足于传统的反应模式,已开始引人一些新兴的生 物工程技术,使该领域的研究更具活力。采用固定化细胞技术固定混合菌可使反应系统多次 使用,降低成本,增加效率,在实际应用中很有意义。利用细胞融合技术和基因工程技术由 具有互生或共生关系的微生物构建工程菌,可使工程菌既具有混合培养的功能,又拥有纯培 养菌株营养要求单一、生理代谢稳定、易于调控等优点,也是极有前景的研究方向。 单菌固态纯种发酵是在纯培养基础上建立起来的,对于选育良种、保持生理活性和代谢 过程中的稳定起很大作用。它对于扩大固态发酵的应用范围和潜力的发挥起到非常重要作 用,同时,也是固态发酵一个重要方向 2,按固态发酵固相的性质分类 根据固态发酵固相的性质,可以把固态发酵分为两种类型。一种是以农作物(如麸皮 豆饼等)为底物的固态发酵方式。这些底物既是固态发酵过程中的固相组成部分,又为微生 物生长提供营养,在这里可以称这种发酵为传统固态发酵方式(或固体底物基质固态发酵) 另一种固态发酵方式是以惰性固态载体为固态发酵过程令的固相,微生物生长的营养是吸附 在载体上的培养液,称这种发酵方式为惰性载体吸附固态发酵。 同体底物基质固态发酵利用的培养基是既充当固相,又为微生物生长提供营养的初级农 作物产物,如麸皮、马铃薯、谷子、豆饼以及其他含淀粉和纤维素的农作物产品。第二种固 态发酵采用的固体是惰性载体,这些载体可以是天然的,也可以是人工分成的。这些载体材 料有大麻、珍珠岩、聚氨酯泡沫体、蔗糖渣和聚苯乙烯等 固体底物基质固态发酵的一个主要的不足之处就是碳源是它们的结构组成部分,在微生
酵过程。典型的例子是传统酒曲和酱油、腌莱、烟草发酵、茶叶发酵、青贮、堆肥等。它不 需要人工接种微生物，其所需发酵的微生物主要依赖于当地空气和物料中的自然微生物区 系，多种微生物演替成最适于生长代谢或共生协作的小生态环境。其微生物富集区系不仅与 当地空气和物料中的自然微生物区系有关，而且与小生态环境自然变化密切相关。 强化微生物混合固态发酵是指在自然富集固态发酵的基础上，根据人们部分掌握的微生 物代谢机制，人为强化接种微生物茵系不明确的富集培养物或特定微生物培养物所进行的混 合发酵过程。强化微生物混合固态发酵除应用于沼气发酵、白酒发酵作用外，在石油采收、 湿法冶金、食品发酵等领域同样显示其优势。人们在长期的科学研究和生产实践中却不断发 现，不少生命活动及其效应是借助于两种以上的生物在同一环境中的共同作用下进行的，甚 至是单独不能或只能微弱进行的。例如废物的处理，纤维索和本质素的降解，甲烷的产生和 利用等。自然界的微生物没有一种是单独存在的，单靠纯培养很难反映它们的真实活动情况。 因此，强化微生物混合固态发酵微生物资源具有非常广阔的应用前景。 限定微生物混合固态发酵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 接种同一灭过茵的培养基中，在无污染条件下进行的固态发酵过程。人类对微生物的利用经 历过天然混合培养到纯种培养两个阶段，纯培养技术使得研究者摆脱了多种微生物共存的复 杂局面，能够不受干扰地对单一目的菌株进行研究，从而丰富了人们对微生物形态结构、生 理和遗传特性的认识。但是，在长期的实验和生产实践中，人们不断地发现很多重要生化过 程是单株微生物不能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完成。 虽然微生物混合培养在很多领域中的作用已得到充分肯定，部分成果己成功应用于实践，但 对大多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。因此，目前对于具有协同 作用关系的菌株筛选和组合还是一个随机过程的，缺乏有效的理论指导，而且对于已经应用 的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。这严 重地阻碍了混合菌培养的发展和应用。因此，如果从生理、代谢和遗传角度对混合茵间关系 和协同作用机制进行深入研究，对混合菌培养的理论和应用都将有巨大的突破。随着混合菌 培养在各方面应用研究的深入，人们不再满足于传统的反应模式，已开始引人一些新兴的生 物工程技术，使该领域的研究更具活力。采用固定化细胞技术固定混合菌可使反应系统多次 使用，降低成本，增加效率，在实际应用中很有意义。利用细胞融合技术和基因工程技术由 具有互生或共生关系的微生物构建工程菌，可使工程菌既具有混合培养的功能，又拥有纯培 养菌株营养要求单一、生理代谢稳定、易于调控等优点，也是极有前景的研究方向。 单菌固态纯种发酵是在纯培养基础上建立起来的，对于选育良种、保持生理活性和代谢 过程中的稳定起很大作用。它对于扩大固态发酵的应用范围和潜力的发挥起到非常重要作 用，同时，也是固态发酵一个重要方向。 2，按固态发酵固相的性质分类 根据固态发酵固相的性质，可以把固态发酵分为两种类型。一种是以农作物(如麸皮、 豆饼等)为底物的固态发酵方式。这些底物既是固态发酵过程中的固相组成部分，又为微生 物生长提供营养，在这里可以称这种发酵为传统固态发酵方式(或固体底物基质固态发酵)。 另一种固态发酵方式是以惰性固态载体为固态发酵过程令的固相，微生物生长的营养是吸附 在载体上的培养液，称这种发酵方式为惰性载体吸附固态发酵。 同体底物基质固态发酵利用的培养基是既充当固相，又为微生物生长提供营养的初级农 作物产物，如麸皮、马铃薯、谷子、豆饼以及其他含淀粉和纤维素的农作物产品。第二种固 态发酵采用的固体是惰性载体，这些载体可以是天然的，也可以是人工分成的。这些载体材 料有大麻、珍珠岩、聚氨酯泡沫体、蔗糖渣和聚苯乙烯等。 固体底物基质固态发酵的一个主要的不足之处就是碳源是它们的结构组成部分，在微生
物发酵生长过程中,培养基被分解了,底物容易结块,孔隙率也降低,结果底物的外形和物 理特性都发生了变化,降低了发酵过程中的传质和传热。例如,麦片在发酵过程中由于淀粉 的降解和水的挥发,会导致固体底物变形结块,结果使传质和传热受到影响。而具有稳定结 构的固态载体充当固态发酵的固相可以克服这一缺点,从而更有利于微生物的生长和产物产 量的增加。例如,采用聚氨酯泡沫体为载体吸附固态发酵核酸酶P时,产量和活力分别比 采用麸皮固态发酵提高9倍和4倍 另外,惰性载体吸附固态发酵与固体底物基质固态发酵相比,还具有产物提取简便的优 点。可以很容易地从惰性载体中提取到胞外产物,而且所得到的产物含有较少的杂质,载体 还可以重复使用。例如,利用聚苯乙烯作为载体,以肋生弧茵产生L-谷氨酰胺酶时,产物 比采用麦麸粉固态发酵时得到的产物黏性要低。另外,前者的产物不含蛋白质污染物,而后 者含有多余的淀粉酶和纤维素酶等 与固体底物基质固态发酵相比,惰性载体吸附固态发酵还具有其他很多优点,如:能 够对培养基营养成分进行合适的调节;容易了解产物中的各成分并进行分析,从而有利于发 酵过程的控制以及动力学研究与模型建立等。 第三节固态发酵反应器 生物反应器提供生物生长的环境,可以阻止外物进人和内部物质的外溢,必须无毒、耐 振动、不易腐蚀,有良好的搅拌、通气、散热、冷却系统,能够进行无菌操作。固态发酵不 同于深层液态发酵,反应基质以固态形式存在,反应体系内的传递过程极其复杂,包括气 固、气一液、液一固等形式,气相是其最主要的流动介质,因此固态发酵生物反应器与液体 发酵反应器有着显著的区别,而目的限制固态发酵反应用于现代生物反应工程的一个重要因 素就是适用的固态发酵反应器 迄今为止已有许多类型的固态发酵反应器问世(包括实验室、中试、工业生产规模)。 B Lonsane曾经归纳出了九种不同形式的工业规模的固态发酵反应器:转鼓式,木盒式:加 盖盘式:垂直培养盒式,倾斜接种盒式,浅盘式,传送带式;圆柱式:混合式等。KE. Aidou 也提出了十种不同形式的固态发酵反应器,但以基质的运动情况则可以分为两类:①静态固 态发酵反应器,包括浅盘式和塔柱式反应器;②动态固态发酵反应器,包括机械搅拌的筒柱 式、转鼓式反应器等。第一类反应器内发酵基质在发酵过程中基本处于静止状态。其优点是 结构简单,操作方便,放大问题小;其明显的缺点是:由于发酵基质的相对静止,热量、氧 气和其他营养物质的传递困难,从而导致基质内部温度、湿度、酸碱度和菌体生长状态的严 重不均匀。第二类反应器中的基质处于间断或连续的运动状态.而强化了传热和传质,设备 结构紧凑,自动化程度相对较高,但由于机械部件多,结构复杂,灭菌消毒比较围难,固态 基质的搅拌能耗过大,发酵物料的持续运动有可能会破坏菌丝体,从而影响菌体的生长与代 谢。对于实验室规模的发酵过程,搅拌所起的作用(如促进物质传递,使发酵基质内部参数 均匀)不一定十分显著,因而这种设备的放大是一个突出的问题。无论何种形式的固态发酵 反应器,都必须考虑以下几个方面的问题:①接种技术:②灭菌方式;③发酵基质的特性; ④供气手段;⑤参数的测量和控制:⑥取样分析技术;⑦结构简单,操作方便 固态发酵由于其基质以固态存在,所以不能像液体发酵那样可以用摇瓶进行大量的基础 研究,而只能依靠设计合理、控制手段完备的固态发酵反应器。固态发酵反应器主要由两部 分组成,即反应器主体和供气、控温、保温系统,后者的主要目的是保持发酵系统的需氧状 态和调节发酵基质的温度和湿度 、静态固态发酵反应器与动态固态发酵反应器
物发酵生长过程中，培养基被分解了，底物容易结块，孔隙率也降低，结果底物的外形和物 理特性都发生了变化，降低了发酵过程中的传质和传热。例如，麦片在发酵过程中由于淀粉 的降解和水的挥发，会导致固体底物变形结块，结果使传质和传热受到影响。而具有稳定结 构的固态载体充当固态发酵的固相可以克服这一缺点，从而更有利于微生物的生长和产物产 量的增加。例如，采用聚氨酯泡沫体为载体吸附固态发酵核酸酶 P1 时，产量和活力分别比 采用麸皮固态发酵提高 9 倍和 4 倍。 另外，惰性载体吸附固态发酵与固体底物基质固态发酵相比，还具有产物提取简便的优 点。可以很容易地从惰性载体中提取到胞外产物，而且所得到的产物含有较少的杂质，载体 还可以重复使用。例如，利用聚苯乙烯作为载体，以肋生弧茵产生 L-谷氨酰胺酶时，产物 比采用麦麸粉固态发酵时得到的产物黏性要低。另外，前者的产物不含蛋白质污染物，而后 者含有多余的淀粉酶和纤维素酶等。 与固体底物基质固态发酵相比，惰性载体吸附固态发酵还具有其他很多优点，如：能 够对培养基营养成分进行合适的调节；容易了解产物中的各成分并进行分析，从而有利于发 酵过程的控制以及动力学研究与模型建立等。 第三节 固态发酵反应器 生物反应器提供生物生长的环境，可以阻止外物进人和内部物质的外溢，必须无毒、耐 振动、不易腐蚀，有良好的搅拌、通气、散热、冷却系统，能够进行无菌操作。固态发酵不 同于深层液态发酵，反应基质以固态形式存在，反应体系内的传递过程极其复杂，包括气— 固、气—液、液—固等形式，气相是其最主要的流动介质，因此固态发酵生物反应器与液体 发酵反应器有着显著的区别，而目的限制固态发酵反应用于现代生物反应工程的一个重要因 素就是适用的固态发酵反应器。 迄今为止已有许多类型的固态发酵反应器问世(包括实验室、中试、工业生产规模)。 B.Lonsane 曾经归纳出了九种不同形式的工业规模的固态发酵反应器；转鼓式，木盒式；加 盖盘式；垂直培养盒式，倾斜接种盒式，浅盘式，传送带式；圆柱式；混合式等。K.E.Aidou 也提出了十种不同形式的固态发酵反应器，但以基质的运动情况则可以分为两类：①静态固 态发酵反应器，包括浅盘式和塔柱式反应器；②动态固态发酵反应器，包括机械搅拌的筒柱 式、转鼓式反应器等。第一类反应器内发酵基质在发酵过程中基本处于静止状态。其优点是 结构简单，操作方便，放大问题小；其明显的缺点是：由于发酵基质的相对静止，热量、氧 气和其他营养物质的传递困难，从而导致基质内部温度、湿度、酸碱度和菌体生长状态的严 重不均匀。第二类反应器中的基质处于间断或连续的运动状态．而强化了传热和传质，设备 结构紧凑，自动化程度相对较高，但由于机械部件多，结构复杂，灭菌消毒比较围难，固态 基质的搅拌能耗过大，发酵物料的持续运动有可能会破坏菌丝体，从而影响菌体的生长与代 谢。对于实验室规模的发酵过程，搅拌所起的作用(如促进物质传递，使发酵基质内部参数 均匀)不一定十分显著，因而这种设备的放大是一个突出的问题。无论何种形式的固态发酵 反应器，都必须考虑以下几个方面的问题：①接种技术；②灭菌方式；③发酵基质的特性； ④供气手段；⑤参数的测量和控制；⑥取样分析技术；⑦结构简单，操作方便。 固态发酵由于其基质以固态存在，所以不能像液体发酵那样可以用摇瓶进行大量的基础 研究，而只能依靠设计合理、控制手段完备的固态发酵反应器。固态发酵反应器主要由两部 分组成，即反应器主体和供气、控温、保温系统，后者的主要目的是保持发酵系统的需氧状 态和调节发酵基质的温度和湿度。 一、静态固态发酵反应器与动态固态发酵反应器
1,静态固态发酵反应器 目前静态固态发酵反应器(见表13)在实验室研究中应用较为普遍,尤其是圆柱式的固 态发酵反应器。文献报道的系统多是将一个或多个静态圆柱式反应器平行放在一个恒温箱中 并通以饱和空气。其优点是:①系统简单,廉价,操作方便;⑦克服固态发酵无法用摇瓶法 作大量基础研究的缺点,同时可作多条件的平行实验并且温度、湿度等条件均一;③系统易 灭菌。其缺点是:①无法准确控制气体和物料的湿度,只能供饱和湿空气:①无法取样分析: ③放大过程中难以消除床径扩大的影响。静态固态发酵反应器无论体积、高径比如何变化, 其基本形式是不变的.但供气、保温、控温系统却是千差万别的。完善的固态发酵供气、保 温、控温系统应有以下持点:①测量并控制进气组成、湿度及温度;⑦测量尾气组成并反馈 调节进气组成、湿度和温度:③在较大规模应用时采用循环供气:④完善的气体过滤设备。 具体应用时,应根据研究目的加以简化,以求经济节约。 表1.3静态固态发酵反应器 反应器类型 优点 缺点 静态浅盘式 投计和操作简单 温度、湿度难以控制;装料 量较少 专图柱式(无强制|设计和操作简单订作大温度度难以控制放大 风) 量固态发酵基础研究装料过程中难以消除床径扩大的 景多;清洗与灭菌物底 影响 温度、湿度相对来说容易无菌空气用量大;温度随 圆柱式(有强制|控制,系统简单;供氧较容装料量的增加而波动较大; 通风 易消洗与灭菌彻底 易导致气体短路、沟流 木盒式 系统简单操作方便 海度、湿度难以控制;不易 工程放大 加盖盘式 所需空间少 卸料困难;不易工程放大 垂直培养盒式」系就 适合实验室小试固态发醉传热困难不易工程放大 倾斜接种盒式|效防正湿润物料瘫联成图有(度不嘉字奕制 2,动态固态发酵反应器 (1)转鼓式其基本形式是将一个圆柱形(鼓形)容器支架在一个转动系统亡,转动系统主 要起支撑及提供动力这两种作用。文献中报道的各类转鼓式发酵器转动速率一般为1~16r/ min,甚至可以达到188r/min。这类反应器都有进、出气体设备,空气人口管装在容器底 部,或者以多个支管分布于容器内各处,支管上有许多喷气口,有时还要在进气口的相对位 置安装一个排气扇。空气进入发酵器之前先通人浓硫酸中,然后经过一个注有无菌水的增湿 设备 (2)带机械搅拌的筒柱式其特点是发酵器主体静止不动,而容器内的搅拌器使发酵过 程中的物料处于连续的运动状态,在反应器的一端有取样、加料和通气口。灭菌方式为直接 通气灭菌 以上两类发酵器内微生物生长较快并且均一,放大过程中所遇到的困难是由于物料运动
1，静态固态发酵反应器 目前静态固态发酵反应器(见表 1.3)在实验室研究中应用较为普遍，尤其是圆柱式的固 态发酵反应器。文献报道的系统多是将一个或多个静态圆柱式反应器平行放在一个恒温箱中 并通以饱和空气。其优点是：①系统简单，廉价，操作方便；⑦克服固态发酵无法用摇瓶法 作大量基础研究的缺点，同时可作多条件的平行实验并且温度、湿度等条件均一；③系统易 灭菌。其缺点是：①无法准确控制气体和物料的湿度，只能供饱和湿空气；①无法取样分析； ③放大过程中难以消除床径扩大的影响。静态固态发酵反应器无论体积、高径比如何变化， 其基本形式是不变的．但供气、保温、控温系统却是千差万别的。完善的固态发酵供气、保 温、控温系统应有以下持点：①测量并控制进气组成、湿度及温度；⑦测量尾气组成并反馈 调节进气组成、湿度和温度；③在较大规模应用时采用循环供气；④完善的气体过滤设备。 具体应用时，应根据研究目的加以简化，以求经济节约。 表 1.3 静态固态发酵反应器 2，动态固态发酵反应器 (1)转鼓式 其基本形式是将一个圆柱形(鼓形)容器支架在一个转动系统亡，转动系统主 要起支撑及提供动力这两种作用。文献中报道的各类转鼓式发酵器转动速率一般为 1~16r／ min，甚至可以达到 188r／min。这类反应器都有进、出气体设备，空气人口管装在容器底 部，或者以多个支管分布于容器内各处，支管上有许多喷气口，有时还要在进气口的相对位 置安装一个排气扇。空气进入发酵器之前先通人浓硫酸中，然后经过一个注有无菌水的增湿 设备。 (2)带机械搅拌的筒柱式 其特点是发酵器主体静止不动，而容器内的搅拌器使发酵过 程中的物料处于连续的运动状态，在反应器的一端有取样、加料和通气口。灭菌方式为直接 通气灭菌。 以上两类发酵器内微生物生长较快并且均一，放大过程中所遇到的困难是由于物料运动
导致在生长过程中菌丝被伤害,这个问题的严重性随着发酵器容积的增大而增加。此外,在 放大过程中还会存在发酵体系温度控制、保持不染菌、发酵基质聚集成球状而影响传质传热 等诸多方面的问题 (3)搅拌运动的盘式固态发酵反应器通常盘式反应器长2m,宽0.8m,深22m。三个 并排的螺旋式搅拌器在以65cm/min的速度水平运动的同时,还以22r/min的转速自转。 在搅拌器载车上还有两个喷口,用于补料加水。盘式反应器底部由两层金属网制成,过滤空 气由底部均匀进入1m厚的发酵基质。其缺点是:不能用于无菌操作过程,只能用于自然发 酵和混合发酵过程。本系统易于放大。 表14动态固态发酵反应器类型及优缺点 反应器类型 参考文献 转鼓式 高;微生物生 鲁潋器|号斧 Han, Anderso 1980: Aidoo, et al 1984; Nishio ct al 1979 于供氧、传热,易于保持固体对菌丝体的损伤大;易导致 龄按等物嫠分散养*成如x死角不可Dmks Tengerdy, et al 1987; Hong,et 流俸床式 供氧,传热虹在培养内不会无菌空气用量大能耗高;癖a198; Mishra, et al 198z:Ko 在局部过热问题 于工程放大 kitka, ct l 1990 、实验室固态发酵反应器、中试固态发酵反应器与工业级固态发酵反应器 按照固态发酵反应器所承载的固体物料多少不同,可将固态发酵反应器分类为三大类: 第一是实验室固态发酵反应器,可进行克级规模固体物料的固态发酵实验:第二类是中试固 态发酵反应器,一般进行千克级固体物料的固态发酵试验:第三类是工业级固态发酵反应器, 可应用于工业生产,承载吨级固体物料。 三、固态发酵研究取得的主要进展 1,由敞开式发酵到封闭式发酵 敞开式发酵虽然投资少、操作方便,但大规模生产有散热困难、易污染等问题。 Nishio 等设计了转鼓式发酵罐; vIesurs等人设计了一种特殊的卧式发酵罐。这类封闭式发酵罐可 以彻底灭菌.便于控制发酵罐中的温度。 2,从经验发酵到控制发酵 液体发酵可实现电子汁算机控制,对发路过程中的参数实现预测。但在固态发酵中最近 也取得了一定的进展。基质含水量是决定固态发酵成功与否的关键因素之一,起始含水量通 常控制在30%~75%范围内。在固态硫化床反应器中,培养基的水分依据硫化层内的电极和 塔壁间静电容量值,从喷嘴喷岀无菌水雾加以控制。在厚层通风池中固态发酵,其培养温度 可通过继电器控制池内温度保持在30℃左右。在固态发酵中,真菌的菌丝穿插于基质之间, 吸附性强。多数常规方法都无法使用。现常用间接测定方法,如;测定菌体蛋白质,测定氧 摄人、二氧化碳的排出、ATP含量和葡萄糖胺含量,测定某些酶的活性(同菌体量成正比的 酶)等方法。虽然pH值也是影响菌体生长代谢的关键因素之一,但固态发酵的某些基质的 优良缓冲性能帮助减少对pH位控制的需 3,从浅盘式发酵到机械化发酵 中国现在酿造业的固体曲制备以采用厚层通风池发酵,这些发酵设备占地面积大、劳动 强度大。前苏联已研制出密闭的柱形固态发酵罐,完全机械化操作,日发酵1000Kg物料。 中国己研制出可装料800kg的圆片制曲机,能半机械化连续操作。 4,从固态单菌发酵到固态混合发酵
导致在生长过程中菌丝被伤害，这个问题的严重性随着发酵器容积的增大而增加。此外，在 放大过程中还会存在发酵体系温度控制、保持不染菌、发酵基质聚集成球状而影响传质传热 等诸多方面的问题。 (3)搅拌运动的盘式固态发酵反应器 通常盘式反应器长 2m，宽 0.8m，深 2.2m。三个 并排的螺旋式搅拌器在以 65cm／min 的速度水平运动的同时，还以 22r／min 的转速自转。 在搅拌器载车上还有两个喷口，用于补料加水。盘式反应器底部由两层金属网制成，过滤空 气由底部均匀进入 1m 厚的发酵基质。其缺点是：不能用于无菌操作过程，只能用于自然发 酵和混合发酵过程。本系统易于放大。 表 1.4 动态固态发酵反应器类型及优缺点 二、实验室固态发酵反应器、中试固态发酵反应器与工业级固态发酵反应器 按照固态发酵反应器所承载的固体物料多少不同，可将固态发酵反应器分类为三大类： 第一是实验室固态发酵反应器，可进行克级规模固体物料的固态发酵实验；第二类是中试固 态发酵反应器，一般进行千克级固体物料的固态发酵试验；第三类是工业级固态发酵反应器， 可应用于工业生产，承载吨级固体物料。 三、固态发酵研究取得的主要进展 1，由敞开式发酵到封闭式发酵 敞开式发酵虽然投资少、操作方便，但大规模生产有散热困难、易污染等问题。Nishio 等设计了转鼓式发酵罐；viesurs 等人设计了一种特殊的卧式发酵罐。这类封闭式发酵罐可 以彻底灭菌．便于控制发酵罐中的温度。 2，从经验发酵到控制发酵 液体发酵可实现电子汁算机控制，对发路过程中的参数实现预测。但在固态发酵中最近 也取得了一定的进展。基质含水量是决定固态发酵成功与否的关键因素之一，起始含水量通 常控制在 30％~75％范围内。在固态硫化床反应器中，培养基的水分依据硫化层内的电极和 塔壁间静电容量值，从喷嘴喷出无菌水雾加以控制。在厚层通风池中固态发酵，其培养温度 可通过继电器控制池内温度保持在 30℃左右。在固态发酵中，真菌的菌丝穿插于基质之间， 吸附性强。多数常规方法都无法使用。现常用间接测定方法，如；测定菌体蛋白质，测定氧 摄人、二氧化碳的排出、ATP 含量和葡萄糖胺含量，测定某些酶的活性(同菌体量成正比的 酶)等方法。虽然 pH 值也是影响菌体生长代谢的关键因素之一，但固态发酵的某些基质的 优良缓冲性能帮助减少对 pH 位控制的需要。 3，从浅盘式发酵到机械化发酵 中国现在酿造业的固体曲制备以采用厚层通风池发酵，这些发酵设备占地面积大、劳动 强度大。前苏联已研制出密闭的柱形固态发酵罐，完全机械化操作，日发酵 1000Kg 物料。 中国己研制出可装料 800kg 的圆片制曲机，能半机械化连续操作。 4，从固态单菌发酵到固态混合发酵
由于纯种培养技术的迅速发展而一度受到冷落的混合培养技术,现又逐步受到重视。在 这些天然混合物和非均质的基质中,几种微生物能找到最适于发育和共生协作的小生态环 境。由于同时利用不同菌株进行共同培养,增加了培养物的基因库容量、从而可以通过不同 电极能力组合,完成单菌难以完成的复杂的转化过程,达到提高基质产率和生产效率等目的。 并且,这样的工艺可以用来代替遗传工程菌来进行复杂的多种反应。这时的混合培养不再是 粗放的、不加控制的系统, 5,从堆积发酵到流化态发酵 固态生化反应器由简单浅盘发酵到机械化发酵罐,它们还都是堆积发酵。现日本已兴 起流化床培养,活力可提高到5~10倍 6,从上游过程和下游过程分别操作到组合操作 发酵工业过程主要由发酵过程(也称上游过程)和产物分离过程(下游过程)两部分组成 现大多数工业是把发酵过程和产物分离纯化过程分别放在不同操作单元中完成,并前后连接 成一个整体。若把发酵过程和产物分离纯化过程两者结合在一起,在同一单元操作中同时进 行,则表现比许多优势。例如,可减少反应产物对反应的反馈抑制:打破反应的平衡态使反 应不断地向生成产物的方向进行;可提高原料的利用率和转化率;提高发酵器生产能力:减 少产物分离纯化的费用和降低生产成本等。李永泉等已进行肌昔发酵和分离组合过程优化条 件的研究,使平均产甘率提高了65.2%,基质利用串提高5645% 第四节固态发酵的应用 、固态发酵的产品 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,如乙醇、单细胞蛋白 蘑菇、酶制剂、有机酸、生物次级代谢产物等高价值产品,所以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。固态发酵产品主要涉及有机酸、生物燃料、生物活性物质 风味物质及其他物质。 1,有机酸 有机酸是羧酸( RCOOH)、磺酸( RSO,OH)、亚磺酸( RSOOH)、硫代羧酸( RCOSH)等的 总称。很久以前.人们已开始研究利用微生物发酵生产有机酸以代替从水果、蔬菜等植物中 提取有机酸的方法,有机酸都是微生物的初级代谢产物,与人们日常生活、工业生产有着十 分密切的关系,也是发酵工业小历史上最悠久、价格最低的产品 由于它们的原料是可再生物质,与化学合成相比,发酵更适合食品、医药等部门。近 几年微生物育种和工艺方面的进步,使用固态发酵生产的传统发酵工业仍具有强大的生命 力。乳酸、柠檬酸很久以前就达到了固态发酵工业化生产。近几年陆续有文献报道,人们开 始利用固态发酵技术探索生产富马酸、草酸、亚麻酸等(见表1.6。下面主要谈及乳酸与柠 檬酸的研究进展状况。 乳酸是一种历史悠久的微生物发酵产物,酸奶可能是人类历史上第一个发酵食品。用丝 状真菌或细菌菌株都可以进行固态发酵生产乳酸。其底物广泛,可用农作物(如树薯、甜菜 等),也可用残渣(如甘蔗渣、胡萝卜加工废渣等)。 Soccol利用 R oryzae比较了固态与液态发 酵生产乳酸,固态发酵惰性支持物由营养盐与甘蔗渣组成,结果证明固态发酵生产水平及生 产率均高于液态发酵。 Richter利用细菌 L paracasei比较乳酸固态及液态发酵,得到同样的 结论。液态发酵乳酸浓度,产率,周期分别为88~106g/L,91%%%,24~32h与之对应 固态发酵分别为90g/kg,91%-95%,120-200h 柠檬酸是十分重要的有机酸,它原来是从柠檬中分离得到的,广泛应用于食品、洗涤剂、 医药工业。一般用黑曲霉( Aspergillus niger)或假丝酵母( Candida sp)液态发酵生产。但固态发
由于纯种培养技术的迅速发展而一度受到冷落的混合培养技术，现又逐步受到重视。在 这些天然混合物和非均质的基质中，几种微生物能找到最适于发育和共生协作的小生态环 境。由于同时利用不同菌株进行共同培养，增加了培养物的基因库容量、从而可以通过不同 电极能力组合，完成单菌难以完成的复杂的转化过程，达到提高基质产率和生产效率等目的。 并且，这样的工艺可以用来代替遗传工程菌来进行复杂的多种反应。这时的混合培养不再是 粗放的、不加控制的系统， 5，从堆积发酵到流化态发酵 固态生化反应器由简单浅盘发酵到机械化发酵罐，它们还都是堆积发酵。现日本已兴 起流化床培养，活力可提高到 5~10 倍。 6，从上游过程和下游过程分别操作到组合操作 发酵工业过程主要由发酵过程（也称上游过程）和产物分离过程(下游过程)两部分组成。 现大多数工业是把发酵过程和产物分离纯化过程分别放在不同操作单元中完成，并前后连接 成一个整体。若把发酵过程和产物分离纯化过程两者结合在一起，在同一单元操作中同时进 行，则表现比许多优势。例如，可减少反应产物对反应的反馈抑制；打破反应的平衡态使反 应不断地向生成产物的方向进行；可提高原料的利用率和转化率；提高发酵器生产能力；减 少产物分离纯化的费用和降低生产成本等。李永泉等已进行肌昔发酵和分离组合过程优化条 件的研究，使平均产甘率提高了 65.2％，基质利用串提高 56.45％。 第四节 固态发酵的应用 一、固态发酵的产品 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，如乙醇、单细胞蛋白、 蘑菇、酶制剂、有机酸、生物次级代谢产物等高价值产品，所以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。固态发酵产品主要涉及有机酸、生物燃料、生物活性物质、 风味物质及其他物质。 1，有机酸 有机酸是羧酸(RCOOH)、磺酸(RSO2OH)、亚磺酸(RSOOH)、硫代羧酸 (RCOSH)等的 总称。很久以前．人们已开始研究利用微生物发酵生产有机酸以代替从水果、蔬菜等植物中 提取有机酸的方法，有机酸都是微生物的初级代谢产物，与人们日常生活、工业生产有着十 分密切的关系，也是发酵工业小历史上最悠久、价格最低的产品。 由于它们的原料是可再生物质，与化学合成相比，发酵更适合食品、医药等部门。近 几年微生物育种和工艺方面的进步，使用固态发酵生产的传统发酵工业仍具有强大的生命 力。乳酸、柠檬酸很久以前就达到了固态发酵工业化生产。近几年陆续有文献报道，人们开 始利用固态发酵技术探索生产富马酸、草酸、亚麻酸等(见表 1．6)。下面主要谈及乳酸与柠 檬酸的研究进展状况。 乳酸是一种历史悠久的微生物发酵产物，酸奶可能是人类历史上第一个发酵食品。用丝 状真菌或细菌菌株都可以进行固态发酵生产乳酸。其底物广泛，可用农作物(如树薯、甜菜 等)，也可用残渣(如甘蔗渣、胡萝卜加工废渣等)。Soccol 利用 R.oryzae 比较了固态与液态发 酵生产乳酸，固态发酵惰性支持物由营养盐与甘蔗渣组成，结果证明固态发酵生产水平及生 产率均高于液态发酵。Richter 利用细菌 L.paracasei 比较乳酸固态及液态发酵，得到同样的 结论。液态发酵乳酸浓度，产率，周期分别为 88~106g／L，91％~％％，24~32h 与之对应 固态发酵分别为 90g／kg，91％~95％，120~200h。 柠檬酸是十分重要的有机酸，它原来是从柠檬中分离得到的，广泛应用于食品、洗涤剂、 医药工业。一般用黑曲霉(Aspergillus niger)或假丝酵母(Candida sp.)液态发酵生产。但固态发
酵可用农业残渣作碳源,生产柠檬酸具有很大的潜力。利用固态发酵生产柠檬酸,几乎所有 生产都利用农作物作底物,菌株为黑曲霉。发酵底料中加甲醇可大大提高柠檬酸的产量 ε langon硏究了糖酵解率对柠檬酸及草酸的影响,指岀柠檬酸过量产生与通过糖酵解流加葡 萄糖有关,流加率较低时,柠檬酸聚集增加。 2,生物活性物质 所谓生物活性物质就是微生物在代谢活动过程中所产生的次级代谢产物。次级代谢产物 是微生物在细胞分化过程中产生,往往不是细胞生长所必需的代谢产物,对细胞不具有明显 作用.而且通常由一簇结构相似的化合物组成。但微生物可产生的生物活性次级代谢产物拥 有医疗作用,具有重要的工业价值。 Balakrishnan等论述了利用固态发酵技术进行生产次级 代谢产物不同策略与过程。尽管人们已实现了采用固态发酵技术生产高价值生物活性次级代 谢产物,但是在商业化方面,还有许多工作要做。抗生素、霉菌素、细菌内毒素、植物生长 素、免疫类药物、生物碱等都是重要的生物活性次级代谢产物,它们已成功利用固态发酵生 抗生素包括:青霉素、头孢菌素、四环素、金霉素、土霉素、伊枯草菌素、枯草菌溶血 素、放线菌紫素、次甲霉亲、单菌素及环孢素等。抗生素是人类使用最多的一类药物,已有 100多种抗生素被商品化生产,为人类防治疾病作出了巨大贡献 近年来,有些研究集中在利用固态发酵生产抗生素,对以上抗生素研究大多用农业剩 余物,仅少数用甘蔗渣或紫菜惰性支持物:伊枯草菌素、枯草菌溶血素用细菌类菌株,其他 抗生素用丝状真菌菌株。伊枯草菌素是一种有力抗真菌类素.有效地抑制植物病原体,固态 发酵生产这种抗生素常用底物为麸皮或豆腐渣,固态发酵比液态发酵效率高6-8倍。Yang等 研究用纤维素作底物固态生产四环素,发酵周期8d,可得四环素10~llmg/kg底物。枯草 菌溶血素是一种血纤维蛋白抑制剂,可用重组细菌固态发酵技术生产,固态发酵为液态发酵 4~5倍。环孢素具有抗真菌、抗寄生虫、抗炎症及免疫抑制功能,是人类移植不可缺少的药 物。环孢素绝大部分是用液体发酵生产,但现在国外开始研究用分离菌( Tolypocladium sp.) 作菌株固态生产环孢素,结果表明在最优条件下,环孢素可大量生产 3,风味化合物 风味化合物是指具有芳香味的物质。大部分风味化合物是通过化学合成或天然物的萃 取得到,但目前市场调查表明消费者偏爱贴有天然标志的食品。植物是食油、香料的主要源 泉,但它们受天气、植物病等天然条件的制约。生产风昧化合物一个替代路线就是用微生物 合成或转化。目前、已知道几种微生物(包括细菌、真菌)拥有合成不同风味化合物的能力。 用这些微生物液态发酵生产风味化合物生产率低,不利于工业化,但固态发酵可能有高的生 产率,引起不少国外学者的兴趣,发酵底物可为树薯残渣、甘蔗渣、咖啡壳等热带农业剩余 物。 Ferron等综述7微生物发酵生产风味食品的可行性,提倡用固态发酵生产,用自然物为 底物固态生产可以将低成本、优质的产品服务于人类。然而,这种生产过程的困难在于分离、 回收发酵目的物,至今在这方面仍无较大进展。 吡嗪是杂环化合物、拥有坚果、烧烤风味,可作食品添加剂,特别是烷基吡嗪经常在 食品中见到。可利用菌株 B natto或 B subtilis固态发酵底物大豆生产这些化合物。众所周知, 脂是芳香化合物源泉。在 ceratocystis类微生物中,甘薯黑疤病菌(C. fimbriata)具有台成脂的 巨大能力,其固态发酵底物可为树薯残渣、苹果渣、大豆、咖啡渣等,生长迅速,接孢子能 力强,可产多种风味化合物.如菠萝味、水果味化合物。 Medeiros等利用菌株马克期克鲁维 酵母马克斯变种( Kluyveromyces maxianus进行不同的底物(树薯残渣、麸皮、苹果渣、甘蔗 渣、向日葵等)固态发酵生产风味化合物尝试,结果证实了树薯残渣、麸皮生产风味化合物 的可行性。 4,其他生物产品
酵可用农业残渣作碳源，生产柠檬酸具有很大的潜力。利用固态发酵生产柠檬酸，几乎所有 生产都利用农作物作底物，菌株为黑曲霉。发酵底料中加甲醇可大大提高柠檬酸的产量。 Leangon 研究了糖酵解率对柠檬酸及草酸的影响，指出柠檬酸过量产生与通过糖酵解流加葡 萄糖有关，流加率较低时，柠檬酸聚集增加。 2，生物活性物质 所谓生物活性物质就是微生物在代谢活动过程中所产生的次级代谢产物。次级代谢产物 是微生物在细胞分化过程中产生，往往不是细胞生长所必需的代谢产物，对细胞不具有明显 作用．而且通常由一簇结构相似的化合物组成。但微生物可产生的生物活性次级代谢产物拥 有医疗作用，具有重要的工业价值。Balakrishnan 等论述了利用固态发酵技术进行生产次级 代谢产物不同策略与过程。尽管人们已实现了采用固态发酵技术生产高价值生物活性次级代 谢产物，但是在商业化方面，还有许多工作要做。抗生素、霉菌素、细菌内毒素、植物生长 素、免疫类药物、生物碱等都是重要的生物活性次级代谢产物，它们已成功利用固态发酵生 产。 抗生素包括：青霉素、头孢菌素、四环素、金霉素、土霉素、伊枯草菌素、枯草菌溶血 素、放线菌紫素、次甲霉亲、单菌素及环孢素等。抗生素是人类使用最多的一类药物，已有 100 多种抗生素被商品化生产，为人类防治疾病作出了巨大贡献。 近年来，有些研究集中在利用固态发酵生产抗生素，对以上抗生素研究大多用农业剩 余物，仅少数用甘蔗渣或紫菜惰性支持物；伊枯草菌素、枯草菌溶血素用细菌类菌株，其他 抗生素用丝状真菌菌株。伊枯草菌素是一种有力抗真菌类素．有效地抑制植物病原体，固态 发酵生产这种抗生素常用底物为麸皮或豆腐渣，固态发酵比液态发酵效率高 6~8 倍。Yang 等 研究用纤维素作底物固态生产四环素，发酵周期 8d，可得四环素 10~11mg／kg 底物。枯草 菌溶血素是一种血纤维蛋白抑制剂，可用重组细菌固态发酵技术生产，固态发酵为液态发酵 4~5 倍。环孢素具有抗真菌、抗寄生虫、抗炎症及免疫抑制功能，是人类移植不可缺少的药 物。环孢素绝大部分是用液体发酵生产，但现在国外开始研究用分离菌 (Tolypocladium sp.) 作菌株固态生产环孢素，结果表明在最优条件下，环孢素可大量生产。 3，风味化合物 风味化合物是指具有芳香味的物质。大部分风味化合物是通过化学合成或天然物的萃 取得到，但目前市场调查表明消费者偏爱贴有天然标志的食品。植物是食油、香料的主要源 泉，但它们受天气、植物病等天然条件的制约。生产风昧化合物一个替代路线就是用微生物 合成或转化。目前、已知道几种微生物(包括细菌、真菌)拥有合成不同风味化合物的能力。 用这些微生物液态发酵生产风味化合物生产率低，不利于工业化，但固态发酵可能有高的生 产率，引起不少国外学者的兴趣，发酵底物可为树薯残渣、甘蔗渣、咖啡壳等热带农业剩余 物。Ferron 等综述 7 微生物发酵生产风味食品的可行性，提倡用固态发酵生产，用自然物为 底物固态生产可以将低成本、优质的产品服务于人类。然而，这种生产过程的困难在于分离、 回收发酵目的物，至今在这方面仍无较大进展。 吡嗪是杂环化合物、拥有坚果、烧烤风味，可作食品添加剂，特别是烷基吡嗪经常在 食品中见到。可利用菌株 B.natto 或 B.subtilis 固态发酵底物大豆生产这些化合物。众所周知， 脂是芳香化合物源泉。在 ceratocystis 类微生物中，甘薯黑疤病菌(C.fimbriata)具有台成脂的 巨大能力，其固态发酵底物可为树薯残渣、苹果渣、大豆、咖啡渣等，生长迅速，接孢子能 力强，可产多种风味化合物．如菠萝味、水果味化合物。Medeirns 等利用菌株马克期克鲁维 酵母马克斯变种(Kluyveromyces maxianus)进行不同的底物(树薯残渣、麸皮、苹果渣、甘蔗 渣、向日葵等)固态发酵生产风味化合物尝试，结果证实了树薯残渣、麸皮生产风味化合物 的可行性。 4，其他生物产品
大量的文献表明,固态发酵应用于其他各种各样的产品生产,如生物表面活性剂、麸酸 胺、色素、维生素、类胡萝卜素、黄原胶等。生物表面活性剂具有低毒、低降解率、利于环 境等优点,因而引起学者们的关注。传统生产方法是微生物分解碳氢化合物,与化表面活性 剂相比成本较高。但现在,可以利用固态发酵成功生产表面活性剂。这种方法利用残渣,成 本大大下降,具有相当大的吸引力。利用一株短杆菌( Brevibacterium sp),以接种葡萄糖 尿素、维生素、食盐等物质的甘蔗渣为底物,可固态生产麸酸胺,产量高达80mg/ kgSDM干 发酵底物)。甘蔗渣作底物,也可用红曲霉( M purpureus)固态生产红、黄色素,转鼓培养比静 态培养产量高得多 黄原胶、琥珀酰聚糖是外切糖类化合物。日前,国外对此类化合物硏究进展相当快 固态发酵生产外切糖类化合物的底物相当广泛,如谷物废渣、苹果渣、葡萄渣、柑橘渣等。 利用上述底物,固态发酵在生产糖类化合物方面,完全可以与液态发酵媲美。可利用微生物 野油莱黄单胞菌(Ⅺ anthomonoas campestris)固态生产黄原胶。水溶性维生素(B2、B6、B1、核 黄素、烟酰胺等)都可以用固态发酵方法生产,菌株可用少孢根霉,少根根霉M)、葡枝根 霉等。 二、固态发酵技术在资源环境中的应用研究 随着人口增长及人类生产和生活活动的增加,人类的物质文明和精神文明得到了很大的 提高,许多发达国家已提出绿色生产这一概念(即工业的生产不对环境造成危害或减小到最 低的工业过程)。但是在人们对资源环境质量的要求越来越高的同时,资源环境受到的威胁 及破坏也越来越严重。微生物在资源环境中扮演着十分重要的角色,在环境保护中作岀了巨 大的贡献。微生物在资源环境保护中的应用已从自然生态系统发展到活性污泥方法处理废 水,并进一步扩大到工农业残渣转化、固体废物处理及生物修复等领域,这样固态发酵技术 作为潜在的有力工具引起人们的密切关注 固态发酵是解决能源危机、治理环境污染的重要于段之一,是绿色生产的主要工具 农业、林业和食品等工业部门的许多废弃物,对环境造成了巨大的污染。但工农业残渣常含 有丰富的有机酸.它们可以作为微生物生长理想的寄生体,所以人们倾向于筛选工农业残渣 作底物,对其加以综合利用.不但可以使废弃物变为含经济价值的资源,而且可以减轻环境 污染。本书主要述及生物燃料、生物农药、生物转化、生物解毒及生物修复研究方面等 生物燃料 用工农业残渣固态发酵生产生物燃料主要为乙醇,即酒精。酒精是产量最大的发酵工 业产品,是清洁燃料工业的代表,主要原料为各种可再生性糖类物质(如天然纤维素)。当前 地球上“温室效应”增强的罪魁祸首是CO2,所以,如果能找到一种不增加大气CO2含量 的燃料来代替化石燃料,那么就可以有效地控制“温室效应”.目前能满足这种需要的就是 燃料乙醇。乙醇是可再生性能源,利用固态发酵方法有许多优点,如:可消除糖的萃取过程, 节省成本:发酵过程消除水的增加,降低发酵罐体积,无废水:降低能耗等。这是一个有潜 力的生产乙醇路线,国外对其研究相当多,大多利用酵母菌发酵,们也有研究用代谢葡萄糖 的细菌菌株如运动发酵单胞菌。纤维素原料是地球上最丰富的,并且每年可再生的有机物质。 充分利用生物技术把再生资源转化为有高价值物质,完全可以减轻人类面临的能源、环境危 很多学者从不同的角度研究利用苹果渣固态发酵生产乙醇,取得较好效果,发现酵母菌 发酵生产乙醇优于苹果渣自然发酵,酿酒酵母( Saccharomyces cerevisiae)是最理想的菌种 Roukas利用稻壳作底物,发现底料有无灭菌不影响乙醇的产量,此种方法值得借鉴。也有 些学者利用淀粉作底物进行乙醇固态发酵、证明用 Schwanniomyces castellii固态发酵可有 效利用淀粉,提高生物积累量,促进淀粉水解,乙醇产量相应增加。淀粉底物可以是高粱
大量的文献表明，固态发酵应用于其他各种各样的产品生产，如生物表面活性剂、麸酸 胺、色素、维生素、类胡萝卜素、黄原胶等。生物表面活性剂具有低毒、低降解率、利于环 境等优点，因而引起学者们的关注。传统生产方法是微生物分解碳氢化合物，与化表面活性 剂相比成本较高。但现在，可以利用固态发酵成功生产表面活性剂。这种方法利用残渣，成 本大大下降，具有相当大的吸引力。利用一株短杆菌(Brevibacterium sp.)，以接种葡萄糖、 尿素、维生素、食盐等物质的甘蔗渣为底物，可固态生产麸酸胺，产量高达 80mg／kgSDM(干 发酵底物)。甘蔗渣作底物，也可用红曲霉(M purfureus)固态生产红、黄色素，转鼓培养比静 态培养产量高得多。 黄原胶、琥珀酰聚糖是外切糖类化合物。日前，国外对此类化合物研究进展相当快。 固态发酵生产外切糖类化合物的底物相当广泛，如谷物废渣、苹果渣、葡萄渣、柑橘渣等。 利用上述底物，固态发酵在生产糖类化合物方面，完全可以与液态发酵媲美。可利用微生物 野油莱黄单胞菌(Xanthomonoas campestris)固态生产黄原胶。水溶性维生素(B2 、B6、B1、核 黄素、烟酰胺等)都可以用固态发酵方法生产，菌株可用少孢根霉，少根根霉 Mf)、葡枝根 霉等。 二、固态发酵技术在资源环境中的应用研究 随着人口增长及人类生产和生活活动的增加，人类的物质文明和精神文明得到了很大的 提高，许多发达国家已提出绿色生产这一概念(即工业的生产不对环境造成危害或减小到最 低的工业过程)。但是在人们对资源环境质量的要求越来越高的同时，资源环境受到的威胁 及破坏也越来越严重。微生物在资源环境中扮演着十分重要的角色，在环境保护中作出了巨 大的贡献。微生物在资源环境保护中的应用已从自然生态系统发展到活性污泥方法处理废 水，并进一步扩大到工农业残渣转化、固体废物处理及生物修复等领域，这样固态发酵技术 作为潜在的有力工具引起人们的密切关注。 固态发酵是解决能源危机、治理环境污染的重要于段之一 ，是绿色生产的主要工具。 农业、林业和食品等工业部门的许多废弃物，对环境造成了巨大的污染。但工农业残渣常含 有丰富的有机酸．它们可以作为微生物生长理想的寄生体，所以人们倾向于筛选工农业残渣 作底物，对其加以综合利用．不但可以使废弃物变为含经济价值的资源，而且可以减轻环境 污染。本书主要述及生物燃料、生物农药、生物转化、生物解毒及生物修复研究方面等。 1，生物燃料 用工农业残渣固态发酵生产生物燃料主要为乙醇，即酒精。酒精是产量最大的发酵工 业产品，是清洁燃料工业的代表，主要原料为各种可再生性糖类物质(如天然纤维素)。当前 地球上“温室效应”增强的罪魁祸首是 CO2，所以，如果能找到一种不增加大气 CO2 含量 的燃料来代替化石燃料，那么就可以有效地控制“温室效应”．目前能满足这种需要的就是 燃料乙醇。乙醇是可再生性能源，利用固态发酵方法有许多优点，如：可消除糖的萃取过程， 节省成本；发酵过程消除水的增加，降低发酵罐体积，无废水；降低能耗等。这是一个有潜 力的生产乙醇路线，国外对其研究相当多，大多利用酵母菌发酵，们也有研究用代谢葡萄糖 的细菌菌株如运动发酵单胞菌。纤维素原料是地球上最丰富的，并且每年可再生的有机物质。 充分利用生物技术把再生资源转化为有高价值物质，完全可以减轻人类面临的能源、环境危 机。 很多学者从不同的角度研究利用苹果渣固态发酵生产乙醇，取得较好效果，发现酵母菌 发酵生产乙醇优于苹果渣自然发酵，酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是最理想的菌种。 Roukas 利用稻壳作底物，发现底料有无灭菌不影响乙醇的产量，此种方法值得借鉴。也有 一些学者利用淀粉作底物进行乙醇固态发酵、证明用 Schwanniomyces castellii 固态发酵可有 效利用淀粉，提高生物积累量，促进淀粉水解，乙醇产量相应增加。淀粉底物可以是高粱