固體發(fā)酵種類及固體發(fā)酵反應(yīng)器.ppt

2020/7/4,80,1,第四章固態(tài)發(fā)酵技術(shù)及過程控制,第一節(jié)概述第二節(jié)固態(tài)發(fā)酵過程的控制第三節(jié)固態(tài)發(fā)酵技術(shù),2020/7/4,2,80,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)來培養(yǎng)微生物的工藝過程，稱為固體基質(zhì)發(fā)酵（solidsubstratefermentation）固體懸浮在液體中的深層發(fā)酵固態(tài)發(fā)酵沒有（或幾乎沒有）游離水的濕固體材料上培養(yǎng)微生物的工藝過程。,2020/7/4,3,80,固態(tài)發(fā)酵的定義,是指沒有或幾乎沒有自由水存在下，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生物反應(yīng)過程，因此固態(tài)發(fā)酵是以氣相為連續(xù)相的生物反應(yīng)過程。,2020/7/4,4,80,二、固態(tài)發(fā)酵的特點(diǎn),1、固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基中沒有游離水的流動，水是培養(yǎng)基中較低的組分。培養(yǎng)基中水活度在0.99以下，適宜于水活度在0.930.98的微生物生長，限制了應(yīng)用范圍，同時也限制了某些雜菌的生長。2、微生物從濕的固態(tài)基質(zhì)吸收營養(yǎng)物，營養(yǎng)物濃度存在梯度，發(fā)酵不均勻，菌體的生長、對營養(yǎng)物的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌存在不均勻。,2020/7/4,5,80,3、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，空氣通過固體層得阻力較小，能量消耗低。4、使用固體原料，在發(fā)酵過程中，糖化和發(fā)酵過程同時進(jìn)行，簡化操作工序，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，提取工藝簡單可控，沒有大量有機(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，過程控制較困難。,2020/7/4,6,80,三、固態(tài)發(fā)酵的分類,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,2020/7/4,7,80,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代謝或共同協(xié)作的小生態(tài)環(huán)境。,2020/7/4,8,80,2、強(qiáng)化微生物混合固態(tài)發(fā)酵,是指在自然富集固態(tài)發(fā)酵的基礎(chǔ)上，根據(jù)人們部分掌握的微生物代謝機(jī)制，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)物所進(jìn)行的混合發(fā)酵，例如沼氣發(fā)酵、白酒發(fā)酵及廢物發(fā)酵降解處理等。,2020/7/4,9,80,3、限定微生物混合固態(tài)發(fā)酵,是在對微生物相互作用和群落認(rèn)識的基礎(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)過分離純化的微生物純種，同時或先后接種在滅菌的培養(yǎng)基中，在無污染條件下進(jìn)行的固態(tài)發(fā)酵過程。,2020/7/4,10,80,4、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，在無菌條件下進(jìn)行的固態(tài)發(fā)酵過程。它對于擴(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。,2020/7/4,11,80,四、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）,2020/7/4,12,80,淺盤式（圖4-2）,1淺盤室；2水閥門；3紫外燈管；4，8，13空氣閥門；5，11空氣過濾器；6排氣口；7加濕器；9加熱器；10空氣循環(huán)；12進(jìn)氣口；14淺盤；15淺盤架,2020/7/4,13,80,園盤固體發(fā)酵機(jī),2020/7/4,14,80,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；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冷卻盤管；9加熱器；LP液面探針；RH相對濕度調(diào)節(jié)器,2020/7/4,15,80,圖44強(qiáng)制通風(fēng)填充床反應(yīng)器,2020/7/4,16,80,圖45Koji工業(yè)制曲設(shè)備1曲室；2多孔板；3旋轉(zhuǎn)機(jī)；4，11卸料螺桿機(jī)；5空氣調(diào)節(jié)器；6鼓風(fēng)機(jī)；7排氣管；8調(diào)節(jié)閥；9空氣過濾器；10裝料機(jī)；12控制臺,2020/7/4,17,80,2、動態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器（1）轉(zhuǎn)鼓式,2020/7/4,18,80,（2）帶機(jī)械攪拌的筒柱式,圖47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空氣過濾器；13空氣冷卻器,2020/7/4,19,80,滾筒發(fā)酵機(jī),2020/7/4,20,80,（3）流化床反應(yīng)器,2020/7/4,21,80,粉劑硫化床,2020/7/4,22,80,（4）塔式反應(yīng)器,2020/7/4,23,80,脫氯塔,2020/7/4,24,80,一酸塔,2020/7/4,25,80,五、固態(tài)發(fā)酵發(fā)展趨勢和應(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)前人類所面臨的“三大”危機(jī)的一個有效手段。當(dāng)前，許多工農(nóng)業(yè)殘?jiān)⒊鞘猩罾殉蔀槿藗兊纳鐣?，對人類的生存環(huán)境均產(chǎn)生不利的影響。,2020/7/4,26,80,第二節(jié)固態(tài)發(fā)酵過程的控制,一、固態(tài)發(fā)酵微生物及生長機(jī)制1、適合固態(tài)發(fā)酵微生物特征能夠利用多糖的混合物；有完整的酶系，可以迅速從對某一種多糖的代謝轉(zhuǎn)為對另一種多糖的代謝；能夠深入到料層中，也能穿入基質(zhì)細(xì)胞內(nèi)；在發(fā)酵過程中以菌絲形式生長，而不易孢子化；生長迅速，染菌概率??；可以在含水量低的基質(zhì)中生長；能夠耐受高濃度的營養(yǎng)鹽；可以耐受基質(zhì)預(yù)處理過程中產(chǎn)生的苯類等有毒物質(zhì)。,2020/7/4,27,80,2、界面作用,（1）營養(yǎng)物在界面上的富集（2）界面分布的微生物（3）微生物界面效應(yīng)的意義,2020/7/4,28,80,3、固態(tài)基質(zhì)中絲狀微生物的生長,絲狀真菌的生長是以其頂端延長的方式進(jìn)行的，頂端之后的菌絲只能變厚而不能伸長；在生長過程中又靠頂端延伸的方式產(chǎn)生繁茂的分枝而構(gòu)成真菌的菌落，可見真菌的生長主要表現(xiàn)在菌絲頂端的生長。,外層是不定形的組分，主要是蛋白質(zhì)、甘露聚糖和葡聚糖；內(nèi)層是定形的，由幾丁質(zhì)、纖維素或二者組成的微纖。頂部后面堅(jiān)硬的細(xì)胞壁和復(fù)雜的分支系統(tǒng)使得菌絲牢固地固定在底物上，并產(chǎn)生強(qiáng)大的內(nèi)壓使頂部延伸有了動力。,2020/7/4,29,80,4、固態(tài)基質(zhì)中細(xì)菌和酵母菌的生長,自然漚肥：濕潤的有機(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，在木質(zhì)纖維素類物質(zhì)的分解過程中，會產(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)酵過程，尤其是在發(fā)酵過程的后期，隨著發(fā)酵過程的進(jìn)行，體系的pH值降低，同時培養(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。,2020/7/4,30,80,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)酵蒸煮過的大豆而制成。在嚴(yán)格無菌條件下，細(xì)菌被越來越多地用于固態(tài)發(fā)酵過程，如利用芽孢桿菌(Bacillusspp)發(fā)酵麩皮生產(chǎn)淀粉酶等。,2020/7/4,31,80,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，也愈來愈引起人們的重視。在淀粉類物質(zhì)為底物的同步糖化發(fā)酵過程中，淀粉酶和酵母菌被同時引入固態(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。,2020/7/4,32,80,二、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。,2020/7/4,33,80,固體發(fā)酵基質(zhì)原料影響微生物生長的因素,（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（3）顆粒形狀（4）顆粒的多孔性（5）顆粒均勻性及硬度,2020/7/4,34,80,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。,2020/7/4,35,80,三、影響固態(tài)發(fā)酵過程的主要參數(shù),1、濕度與水活度2、溫度與熱量傳遞3、通氣與傳質(zhì)過程4、pH值,2020/7/4,36,80,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)酵過程是純菌株無法完成或只能微弱地進(jìn)行的，必須依靠兩種或多種微生物共同培養(yǎng)來完成的過程如傳統(tǒng)酒曲和醬曲、腌菜、煙草發(fā)酵、茶葉發(fā)酵、青貯、堆肥等。,2020/7/4,37,80,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。,2020/7/4,38,80,（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、人員和時間，可以在同一發(fā)酵容器中經(jīng)過相同工藝過程，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，通過不同代謝能力的組合，完成單個菌種難以完成的復(fù)雜代謝作用，可以代替某些基因重組工程菌來進(jìn)行復(fù)雜的多種代謝反應(yīng)，或促進(jìn)生長代謝，提高生產(chǎn)效率。,2020/7/4,39,80,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（Ecoli）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蘋果酸。如果普通變形菌（Proteusvulgaris）和少根根霉（Rarrhizus）混合發(fā)酵，則可將延胡索酸轉(zhuǎn)化為天冬氨酸。,2020/7/4,40,80,（三）混合固態(tài)發(fā)酵過程控制,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，微生物的營養(yǎng)需求已知，就可以建立適合于這些微生物生長發(fā)育的培養(yǎng)條件。2、發(fā)酵過程條件控制好氧發(fā)酵厭氧發(fā)酵交替進(jìn)行,2020/7/4,41,80,（四）混合固態(tài)發(fā)酵工藝過程存在的問題,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、對于具有協(xié)同作用關(guān)系的菌株篩選和組合還是一個隨機(jī)的過程，缺乏有效的理論指導(dǎo)，；3、對混合培養(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)。,2020/7/4,42,80,二、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)酵過程中的固體基質(zhì)保持相對靜止?fàn)顟B(tài)，通常所說傳統(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，主要有托盤式或填充床式反應(yīng)器，這些系統(tǒng)均不包含攪拌設(shè)備。,2020/7/4,43,80,1、托盤式發(fā)酵,特點(diǎn)：相對比較薄的發(fā)酵基質(zhì)鋪在一個面積相對比較大的托盤上；沒有強(qiáng)制的通風(fēng)，但在托盤上可以有孔，空氣可以緩慢地在托盤的周圍循環(huán)；發(fā)酵基質(zhì)的溫度隨著反應(yīng)器周圍環(huán)境的溫度而變化，因此可以通過控制反應(yīng)器所在的空間溫度來控制反應(yīng)器的內(nèi)部溫度。問題：操作難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，屬“勞動密集型”生產(chǎn)方式；由于發(fā)酵基質(zhì)是靜態(tài)的，因此傳質(zhì)、傳熱困難，這就使托盤上所添加的基質(zhì)的厚度往往只有幾厘米到十幾厘米。,2020/7/4,44,80,托盤式發(fā)酵設(shè)備,2020/7/4,45,80,2、填充床式發(fā)酵,2020/7/4,46,80,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,2020/7/4,47,80,三、動態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵技術(shù),1、轉(zhuǎn)鼓式發(fā)酵,2020/7/4,48,80,1、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，空氣和基質(zhì)的熱量和物質(zhì)交換是通過反應(yīng)器的轉(zhuǎn)動來促進(jìn)。轉(zhuǎn)鼓式固態(tài)反應(yīng)器熱量的傳遞主要有兩種途徑：一是直接通過對流和蒸發(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)來降溫，因?yàn)檫@樣的反應(yīng)器可以從頂部通過噴水來調(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。,2020/7/4,49,80,2、攪拌式發(fā)酵,2020/7/4,50,80,2、攪拌式發(fā)酵攪拌式固態(tài)發(fā)酵兩種主要類型：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)動是由攪拌軸的運(yùn)動來提供動力的；而在轉(zhuǎn)鼓式中是由罐體的運(yùn)動來提供的。除此以外，二者其他方面都很類似。垂直式的反應(yīng)器一般都要強(qiáng)制通風(fēng)。,2020/7/4,51,80,3、氣固流化床發(fā)酵,2020/7/4,52,80,流化床發(fā)酵的特色和優(yōu)點(diǎn),由于通氣良好，因此有助于好氧微生物的生長，在流化床上生長的微生物呼吸率可以達(dá)到靜態(tài)培養(yǎng)的10倍；代謝熱的去除十分完全，不會發(fā)生培養(yǎng)基溫度過高的問題；氣體和揮發(fā)性的代謝產(chǎn)物可以很快消失，減小抑制；混合效果很好，消除了發(fā)酵基質(zhì)中的溫度和濕度梯度，有利于過程中的工藝參數(shù)的控制；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；相對于傳統(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。,2020/7/4,53,80,4、立式多層固態(tài)發(fā)酵罐,2020/7/4,54,80,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、自動化程度高、生產(chǎn)能力大、易于監(jiān)測和控制等優(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、自動翻料、溫濕度自動檢測顯示、自動進(jìn)出料等自動控制操作過程?？梢栽诔?、常壓下工作，利用夾套、內(nèi)蛇管和無菌空氣進(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。,2020/7/4,55,80,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菌空氣，然后從罐頂排出。目前，國內(nèi)已有0.510m3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。,2020/7/4,56,80,在固體發(fā)酵過程中進(jìn)行攪拌具有以下一些特點(diǎn)和要求：,設(shè)計(jì)上必須符合清潔無菌的衛(wèi)生要求；要求對固體基質(zhì)施加的剪切力較?。还腆w基質(zhì)經(jīng)預(yù)處理（浸泡、滅菌）后，可通過固體攪拌器內(nèi)部接種，以避免染菌；可通過攪拌保證添加水分分布均勻，以便于控制水分含量；通過外部冷卻夾套和攪拌提高溫控效果。,2020/7/4,57,80,四、氣相雙動態(tài)固態(tài)純種發(fā)酵技術(shù),氣相雙動態(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）開辟新的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)（3）對傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn),2020/7/4,58,80,1、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,有許多現(xiàn)行的液體發(fā)酵法生產(chǎn)過程，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。以此類推，整個酶制劑工業(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。,2020/7/4,59,80,2、開辟新的生物技術(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。可開創(chuàng)眾多的新產(chǎn)業(yè)：以酒精為代表的清潔液體燃料工業(yè)；高效有機(jī)生物肥工業(yè)；菌體飼料蛋白工業(yè)；飼料添加劑工業(yè)等。,2020/7/4,60,80,3、對傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn),壓力脈動操作往往可使發(fā)酵時間縮短13，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。,2020/7/4,61,80,（一）氣相雙動態(tài)固態(tài)純種發(fā)酵的工藝過程,圖411雙筒式雙動態(tài)固態(tài)發(fā)酵罐示意圖,2020/7/4,62,80,圖412單筒式雙動態(tài)固態(tài)發(fā)酵罐示意圖,2020/7/4,63,80,圖413小推車盤架系統(tǒng),2020/7/4,64,80,圖414小推車盤架機(jī)械輸送系統(tǒng),2020/7/4,65,80,氣相雙動態(tài)固態(tài)純種發(fā)酵工藝特點(diǎn),無固體層機(jī)械翻動裝置，由薄層、氣相雙動態(tài)及循環(huán)風(fēng)機(jī)達(dá)到傳質(zhì)與傳熱要求；由于無固體翻動機(jī)械傳動，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單容易密封，便于工業(yè)放大；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死角，便于清掃；采用無菌壓縮空氣供氧，發(fā)酵過程中反應(yīng)器為正壓狀態(tài)，故能嚴(yán)格達(dá)到純種固態(tài)培養(yǎng)的要求；,2020/7/4,66,80,氣相雙動態(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；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；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；氣相雙動態(tài)的周期、振幅與波形由進(jìn)出氣閥的適時自動控制系統(tǒng)完成，可以隨發(fā)酵過程對供氧與發(fā)熱要求進(jìn)行計(jì)算機(jī)在線優(yōu)化控制。,2020/7/4,67,80,（二）氣相雙動態(tài)固態(tài)發(fā)酵的機(jī)制,氣相雙動態(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應(yīng)，隨著微生物代謝活動的加劇，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)速可以通過馬達(dá)轉(zhuǎn)速及風(fēng)扇功率估計(jì)。在氣相雙動態(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)速率等都會影響發(fā)酵。由于是密閉系統(tǒng)，氣相雙動態(tài)固態(tài)發(fā)酵中能很好保持水分。,2020/7/4,68,80,五、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：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)酵生長過程中，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)酵過程中的傳質(zhì)和傳熱。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。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)酵過程的控制以及動力學(xué)研究與模型建立等。,2020/7/4,69,80,（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的固態(tài)基質(zhì)作為微生物的載體，營養(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)酵存在的許多問題,2020/7/4,70,80,1、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35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)酵過程的控制以及動力學(xué)研究與模型建立；5、采用培養(yǎng)基實(shí)消、液體種子在位無菌接種和在位超聲控濕等配套的無菌操作方法，解決大規(guī)模固體培養(yǎng)基難以滅菌和大規(guī)模無菌接種的問題；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。,2020/7/4,71,80,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)酵過程中，固態(tài)載體提供了微生物生長的巨大表面，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所需的氧氣，因此，不需要通人大量無菌氧氣或空氣，也不需要強(qiáng)力攪拌，節(jié)省能源。,2020/7/4,72,80,（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)酵過程物理化學(xué)變化以及水活度對微生物生長的影響。另外，對于載體的選擇還要依賴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)就會造成反應(yīng)濕度低，結(jié)果會抑制微生物的生長。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。,2020/7/4,73,80,對于吸附載體需考察以下幾個物理性質(zhì),（1）表觀密度：在23環(huán)境下，用游標(biāo)卡尺測定載體試片的規(guī)格尺寸為5.0cm5.0cm2.5cm，并稱取它的質(zhì)量，然后計(jì)算出表觀密度。（2）測定氣泡平均孔徑：用一只小型放大鏡，數(shù)出位于2.0cm長度直線上的氣泡數(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5.0cm5.0cm2.5cm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，直至沒有氣泡出來時再放松，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）開孔率最大吸水率表觀密度開孔率0.9975式中：0.9975表示水在23時的密度。（5）載體吸水性在固態(tài)發(fā)酵時，為了能夠減小發(fā)酵過程中因水分揮發(fā)而引起水活度的降低，惰性載體應(yīng)能夠在發(fā)酵過程中緩釋出部分水，以維持發(fā)酵過程水活度的穩(wěn)定。,2020/7/4,74,80,（三）吸附載體固態(tài)發(fā)酵過程分析,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)主要有以下幾個方面：惰性載體吸附固態(tài)發(fā)酵提高了固態(tài)發(fā)酵過程中環(huán)境的均勻性與一致性；為微生物生長提供了一個巨大的界面環(huán)境，強(qiáng)化了發(fā)酵過程中的氧、熱等的傳遞過程；提供了一個不存在很強(qiáng)的剪切力作用的發(fā)酵環(huán)境。,2020/7/4,75,80,1、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)的以農(nóng)作物產(chǎn)品為底物的固態(tài)發(fā)酵條件變得粗放，效率大大降低。在吸附載體固態(tài)發(fā)酵過程中，使用的載體材料可以是孔隙率均勻一致的人工合成材料，如聚氨酯泡沫塑料。這類材料不僅各處均勻一致，而且還可以根據(jù)需要，調(diào)節(jié)其孔徑大小、吸附能力等。這樣的載體在發(fā)酵過程中充當(dāng)固相成分，它們對微生物的生長沒有副作用，微生物也不能夠或難以分解利用這類材料。,2020/7/4,76,80,2、惰性載體吸附固態(tài)發(fā)酵促進(jìn)了氧的傳遞,與液態(tài)攪拌通氣發(fā)酵相比，載體吸附固態(tài)發(fā)酵的特點(diǎn)之一是其具有的巨大的界面環(huán)境。載體吸附固態(tài)發(fā)酵時，發(fā)酵液在載體的表面吸附形成一層液膜，在這樣的液膜內(nèi)沒有或僅有很少的游離水。在載體吸附固態(tài)發(fā)酵過程中，界面環(huán)境是微生物生長的主要環(huán)境，營養(yǎng)物都處于溶解狀態(tài)。在發(fā)酵液吸附于載體之前，可以稱其為均相系統(tǒng)。但是在發(fā)酵液吸附在惰性載體表面后，其性質(zhì)就發(fā)生了變化，它不再是一個均相體系，而是被吸附固定在載體的表面，形成一個液膜。固相、液相、氣相,2020/7/4,77,80,3、相對靜態(tài)的發(fā)酵環(huán)境,在惰性載體吸附發(fā)酵過程中，發(fā)酵液形成的液膜是相對靜止的，而不像液態(tài)攪拌通氣發(fā)酵過程中，發(fā)酵液處于不停的高速流動之中。發(fā)酵液這種不同的運(yùn)動狀態(tài)對微生物生長的影響也不同。惰性載體吸附固態(tài)發(fā)酵既可以解決傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵過程中的不均勻性、傳質(zhì)困難等問題，又能夠充分發(fā)揮液態(tài)發(fā)酵過程中環(huán)境系統(tǒng)均勻且易于調(diào)控的優(yōu)勢，克服液態(tài)攪拌通氣發(fā)酵能耗高以及剪切力的破壞作用等缺點(diǎn)。,2020/7/4,78,80,（四）吸附載體固態(tài)發(fā)酵的操作方式,1種子發(fā)酵罐；2文氏接種管；3超聲霧化器；4循環(huán)風(fēng)機(jī)；5固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器；6氣體分布板；7多孔吸附載體筒；8氣體循環(huán)通道；9固態(tài)發(fā)酵罐蓋門；10閥門；11氣體分布環(huán),2020/7/4,79,80,（五）吸附載體固態(tài)發(fā)酵的前景,惰性吸附載體固態(tài)發(fā)酵具有傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵所不具有的優(yōu)勢，將是發(fā)酵工程中一個重要研究方向。,2020/7/4,80,80,復(fù)習(xí)思考題,1、固態(tài)發(fā)酵及其特點(diǎn)。2、固態(tài)發(fā)酵的分類。3、適合固態(tài)發(fā)酵微生物特征。4、界面作用。5、固體發(fā)酵基質(zhì)原料影響微生物生長的因素。6、影響固態(tài)發(fā)酵過程的主要參數(shù)7、混合固態(tài)發(fā)酵8、混合固態(tài)發(fā)酵工藝特點(diǎn)9、混合固態(tài)發(fā)酵過程控制及存在問題。10、動態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵、氣相雙動態(tài)固態(tài)純種發(fā)酵、吸附載體固態(tài)發(fā)酵,