前言

固態發酵(Solidstatefermentation)指體係在沒有或幾乎沒有自由水存在下，微生物在固態物質上生長的過程（chéng），過程中維持微 生物活性需要的水主要為結合水或（huò）與固體基質（zhì）結合的狀（zhuàng）態（tài）。大部分研究者（zhě）認為固態發酵和固（gù）體基質發酵 (Solidsubstratesfermentation)是同一概念，可是Pandey等[1]卻認為固體基質發酵是（shì）在無自由水條件下固體基質（zhì）作為碳 源或氮（dàn）源的發酵過程，而固態發酵是在無自由水條件下（xià）利用天然或惰性底物(如合成泡沫)作為支持物的發酵過程。本（běn）文中將其統稱為固態（tài）發酵。

近幾年來，隨著世界（jiè）性的能（néng）源危機和環境保護意識的增強，固態發酵重新受到重視，主（zhǔ）要歸因於農（nóng）業、工業廢棄物在固態發酵方麵得到較大應用，比如土壤修（xiū）複、生物轉化及生物燃料等，是工業應用的理想技術。

1   影響（xiǎng）固態發酵的因素（sù）

影響固態（tài）發酵（jiào）過程的因素很多，主要取決於基質類型、微生物選取和生產規模，可大致（zhì）分為生物化學、物（wù）理化學和環境因（yīn）素。所有的因素都是密切相關 的（de），不能獨立地看待。在特定的固態發酵過程中，單（dān）個因素（sù）作為生化還是物化（huà）因素需要區別開來。某個因素在生化（huà）反應中可看做獨立的，但在物化反應（yīng）中是相互影響 的，反之亦（yì）然[。所以，需要分析各個因素（sù）在固態（tài）發酵進程中的影響（xiǎng）。

1.1  固態發酵微生物

真菌和細菌是固態發酵使用較（jiào）多（duō）的微生物，

真菌是比（bǐ）較理想的(如圖所示，真菌菌絲穿過基質（zhì）的皮殼（ké）到達（dá）澱粉顆粒)。接種真菌孢子較營養細胞有（yǒu）一定優勢:接種方便、靈活且易於保存較長時間和 較高活性，但也有一定（dìng）的缺點，如較長（zhǎng）的滯後期、孢子接（jiē）種量（liàng）較大;在（zài）孢子萌發之前需誘導孢子進入（rù）代謝活動（dòng）和酶係合成以防（fáng）孢子休眠。某些發（fā）酵過程需要菌絲接 種，如將（jiāng）毛殼菌菌絲接入小麥秸稈中進行固（gù）態發酵。接種密（mì）度(個/克物料（liào）)也是固態發酵的一個重要影響因子。

1.2  水分和水活度

底物含水量的變化對微生物的生（shēng）長及代謝能力有（yǒu）重要影響。低水分將降低營（yíng）養物（wù）質傳輸、微生物生長、酶穩定性和基（jī）質膨脹;高（gāo）水分將（jiāng）導致顆粒結塊、通氣不暢和染菌（jun1）。固態發酵過程中水分含量範圍應控製在30%~85%。不同微生物發酵水分應該是（shì）不同的。

微生物能否在底物上生長取決於該基質的水活度Aw。水活度除受基質本身的影響外，還（hái）與溶質的種類（lèi）和數量（liàng）有關。不同微生物Aw要求也不同。一般而（ér） 言，細（xì）菌要求Aw在0。90~0。99之（zhī）間;大多數酵母菌要求Aw在0。80~0。90;真菌及少數酵母菌要求Aw在0。60~0。70。因此，固態發酵 常用真菌原因就是其對（duì）水活度要求低，可以（yǐ）降低雜菌的汙染。在（zài）固態發酵過（guò）程中（zhōng），由於基質的水解，物質的溶出，Aw降（jiàng）低，將延（yán）長微生物的滯後期，導致生物（wù）量減 少。可以通過加無菌水、加濕空氣和（hé）安裝噴（pēn）濕器等方法來提高Aw，以保證菌體正常生長。

1.3  基質（zhì）和粒度

固態發酵基質常（cháng）為農業副產物、天然纖維素、固體廢料等。具有（yǒu）大分子結（jié）構的原料其惰性組織將氮源和碳源物質緊緊包裹，不（bú）利於發（fā）酵，因此原料的預處（chù） 理是（shì）很重（chóng）要的，主要通過物理、化學或者酶水解等方法降低被（bèi）包裹（guǒ）或顆粒粒度，提高基質可（kě）利用率。采用天然基質進行固態發酵，隨著微生物的生長，作為基質結（jié）構 的部分碳源物質被消耗，影響了傳質和傳熱，通常在發（fā）酵過程中加入適量的具有穩定結構的支持物來改善。

基質粒度關係（xì）到微生物生長及（jí）傳質傳熱效果，將直接影響到單位體積顆粒所能提供的反應表麵積的大（dà）小，也（yě）會影響到菌體是否容易進入基質顆粒內部及氧（yǎng） 的供給速率和代（dài）謝產物的移出速率（lǜ）等[9]。小的（de）顆粒可以提（tí）供（gòng）較大微生物攻擊表（biǎo）麵積，提（tí）高固態發酵反應速率，是理（lǐ）想的選擇，但是在許多情（qíng）況下太小的顆粒容易 造（zào）成底物積團，顆粒間空隙率也減小，導致阻力增（zēng）大，對傳熱（rè）、傳質產生不利的影響，導致（zhì）微生物不良生長;大（dà）顆粒由於存在較大間隙有利於提高傳質和傳熱效率， 還可（kě）提供更好的呼吸及（jí）通氣條件，但微生物（wù）攻擊表麵積較小。

1.4  O2和CO2濃（nóng）度（dù）

固態發酵係統的氣態環境直接影響到生物量的大小和酶合成的程度，需要控製（zhì）空氣流動來調整（zhěng）氣態環境。好氧（yǎng）微生物的（de）理論呼吸熵(RQ)為1。0，低 於1。0將影響氧氣傳輸，微生物生長受（shòu）到阻礙，通過（guò）測定O2吸收速率（lǜ）和CO2合成速率(發酵尾氣分析儀進行在線（xiàn）實時測（cè）定)，可以判斷微生物的（de）生長程度（dù）(反 應生物量的變化)，通過改變O2和CO2的分壓大小，可以控製微（wēi）生物的生長和代謝，進而調節固態發酵過程（chéng）。

1.5  溫度和pH值

由於微生物的生長、蛋白質合成、酶和細胞活（huó）性及代謝產物合成對溫度的敏感性，對溫度的控製很重要。大多數真菌的生長溫度（dù）範（fàn）圍在20~

55，致死溫度在 50~60。在發酵過程中，微生物代謝產生大量的熱，造成品溫上升很（hěn）快(有（yǒu）時高達（dá）2/h)，如（rú）果產（chǎn）生的熱不能（néng）及時（shí）散去，就會影響孢子發（fā）芽、生長和產物產（chǎn） 率。又（yòu）固態發酵不同料層的物料溫度不同(在微生物生長（zhǎng）對（duì）數期可超過3/cm)，造成發酵不均一。因（yīn）此，在固態發酵反應器設計方（fāng）麵，主要集中在如何傳（chuán）熱，到 目前為止，最好的（de）解決辦法是通風。

固態發酵過程（chéng）中（zhōng）由於代謝活動，pH值會發生一定變化，最常見（jiàn）的是有機酸的生成（chéng），造成pH值下（xià）降。不同微生物的最適生長pH值是不（bú）同的，真（zhēn）菌生長 pH值範（fàn）圍在2。0~9。0，最適範圍在3。8~6。0;酵母最適範圍在4。0~5。0。低pH值可以有（yǒu）效地（dì）抑製汙染菌的繁（fán）殖。對pH值很難采用合適的技 術進行在線測定和控製，可在發酵（jiào）原料中加入具有緩衝能力（lì）的物質(對反應過程無影響)來緩衝pH值的變化。

1.6  通風和攪拌

好氧（yǎng）發酵過（guò）程中對氧的需求及係統（tǒng）中傳質、傳熱（rè）的需要，通風和攪拌操作有重要的影響。空氣速率增加可提供微生物生長所需氧氣，又可以移除CO2、 揮發性代謝物和反應熱，但很多因素影響O2的傳輸，如空氣壓力、通氣率、基質空隙、料層厚度、培養基水分、反應器幾何特征及機械攪拌裝置的轉（zhuǎn）速等。氣流（liú）強（qiáng） 度可作為評判通（tōng）風強弱的標準，通（tōng）氣質量也很重要(特別是氣體濕（shī）度，可（kě）改變水（shuǐ）活度)。合適的通風強度和質量可提高對溫度的控製。

由於基質的不（bú）均（jun1）勻性，通風過程容易造（zào）成細胞代謝發生變化，需要通過攪拌來提高物料發酵、水（shuǐ）分、溫度和氣態環境均一性（xìng）。在選擇基質時，應考慮基質 特性，避免在攪拌過程中（zhōng）出現結塊（kuài）現象（xiàng），但過分的翻動可（kě）能損傷菌（jun1）絲（sī）體，抑製菌體生長。間歇攪拌較連續攪拌有較好效果，對菌絲（sī）體的生（shēng）長及其在基質上附著（zhe）更有 利。

1.7  固態發酵反應器

固（gù）態發酵反應器是目前（qián）限製固態發酵用於（yú）現代生物反應工程的一個重要（yào）因（yīn）素。設計反應器需要考慮幾個方麵的問題:滅菌、接種、傳（chuán）質傳熱、取樣、供 氣、參數的測量和控製等（děng）。迄今為止已有許（xǔ）多類型（xíng）的固態發酵反應器問（wèn）世(包括實驗室、中試和工業生產)，部分用於食用菌、酶製劑、動物飼（sì）料和土壤修複等。

1.7.1  淺盤發酵反（fǎn）應器

淺盤發酵反（fǎn）應器是所有（yǒu）反應（yīng）器類型中最簡（jiǎn）單的發酵設備，結構見圖，是（shì）傳統發酵食品（pǐn）的酒曲（qǔ）生產采用的反應裝（zhuāng）置，但是，散熱主要通過（guò）托盤傳導，即使通電冷卻也不足以（yǐ）去除代謝熱。此外還有傳質傳熱速率低造成的（de）高汙染風險和托盤利用率（lǜ）低等缺點。

1.7.2  流（liú）化床反應（yīng）器

該（gāi）反應器主要是在金屬網或多孔板上鋪置粉（fěn）粒狀基質，從底（dǐ）部往上吹空氣形成流化層狀態，兩種不同形式（shì）的流（liú）化床結構見圖。反應器的主要參數是粒徑大 小和顆（kē）粒（lì）分布，粒徑分布越狹窄，顆粒越容易保持流化狀態。反應器采用封閉係統可較好保持無菌狀態，發酵完成可提高空氣溫（wēn）度直接將產品進行幹燥回收（shōu）。這類反 應器容（róng）積率低（dī）。

1.7.3  轉鼓式反應器

其基本形式是將一個（gè）圓柱形容（róng）器支架在（zài）一個轉動係統上，轉動係統主要起支撐及（jí）提供動力作用，結構（gòu）示意見圖（tú）。轉鼓式發酵器轉動速率（lǜ）一般（bān）為 1~16r/min，有的可達到更高（gāo）轉速，真菌菌絲體的破壞（huài）程度對轉速較敏感。這類反應器重點要解決好物料結塊和粘壁的問題，其次是反應器容積率低。增加 破碎板(網)可以解決結塊問題。

1.7.4  圓盤式反（fǎn）應器

圓盤式反應器底（dǐ）部（bù）通常（cháng）由兩層金屬網製（zhì）成，無菌空氣由底（dǐ）部均勻進入（rù）1m左右厚的發酵基質。幾個並排的（de）螺旋式（shì）攪拌器在以一定的速度水（shuǐ）平運動的同（tóng）時， 還（hái）以適當的轉速自轉（zhuǎn）。在攪拌器上（shàng）還有（yǒu）2~3個噴（pēn）頭，用於補水，結構（gòu）示意見圖。本反應器易於放大進行工業生產，但不能進行無菌操作，隻能用於自然發酵和混合 發酵過程。

1.7.5其（qí）他

還有根據（jù）不同需要製作的不同固態發酵反應器，如氣相雙動態固（gù）態發酵技術及裝置（zhì）(示（shì）意見圖。該項技術已成功地從實驗室的2、50、800L放大到25、50、70m3的工業級生（shēng）產規模。應用範圍涉及到抗生素、酶製劑、有機酸、食品添加劑、生物農藥和生物肥料等。

2  現代固態發酵技術的應用

固態發酵技術在傳統功能食品和酒類釀造方麵得到了廣泛（fàn）應用，如醬油、米酒、豆豉、黃酒和白酒等。從傳（chuán）統固態發酵發展（zhǎn）到現代固態發酵，該技（jì）術在生 產抗生素、酶製劑、精飼料、有機酸、生物活性物質（zhì）等方麵發揮了重大作用，並進一步擴大到生物轉化、生物燃料、生物防治、垃圾處理及生物修複等領域，固態發 酵作為潛在的（de）技術引起人們的密切關注。

2.1  生物轉（zhuǎn）化

利用固態發酵技術對農作物及農作物殘渣進行生物轉化提高其營養價值具有巨大經濟價值。現在食品和飼料行業對其利用越來越廣泛。如利用根黴菌（jun1）對木 薯及木薯渣進行發酵以提高其營養價值;利用白（bái）腐菌或黃孢原（yuán）毛平革菌（jun1）對木質纖維（wéi）素進行降解（jiě）；利用木黴發酵棕櫚（lǘ）提高其在飼料行業的利（lì）用率。

2.2  生物燃料

用農業、工業殘渣固態（tài）發酵生產生物燃料可大致分為兩大類:氣體和液（yè）態生物燃料。對傳統沼氣進行淨化可（kě）得到新（xīn）型生物燃料;生物製氫是（shì）一個相對較新 的生物燃料的氣體類型，由氫細菌、產酸（suān）和產甲烷細菌聯合厭氧發酵農工業廢物。液體生物燃料最近被分為生物乙醇和生物柴油。由於（yú）世界能源危機生物乙醇（chún）表現（xiàn）出 了振奮人心的重要性，生物柴油作為石油的潛在（zài）替（tì）代品不斷得到發展。利用固態發酵方法生產生（shēng）物（wù）乙醇有可消除糖的製備過程，節（jiē）省成本（běn）;降低發酵罐體積（jī），無廢 水;降（jiàng）低能耗等優點，發酵過程由酵（jiào）母（mǔ）產生的轉化酶和酒化酶對天然原料(如甜菜（cài）、蘋果渣、甜高粱和木薯等)進行轉化。與（yǔ）酒精不同，生物柴油是一種酯（zhǐ），生物發 酵提取的乙基或甲基酯可以與傳統柴油混合或100%地作為生物柴油（yóu）使用。Amin等用微藻處理工業（yè）廢水生產藻油取得突破性進展，藻油經簡單處理即可作為生 物柴油。

2.3  生物防治

生（shēng）物防治（zhì）是一（yī）種既不（bú）汙染環境，又可殺（shā）死（sǐ）害蟲或病菌的辦法，是利（lì）用有益生物或其他生物來抑製（zhì）或消滅有害生物的一種（zhǒng）防治方（fāng）法，常見的有應用真菌、細 菌、病毒和能分泌抗生物質的抗生菌(對人體和環境不產生公害)。利用固態發酵生產（chǎn）真（zhēn）菌（jun1）殺蟲劑，藥物對害蟲的毒力得到極大的提高。如早（zǎo）期的白僵菌、蘇雲金杆 菌殺（shā）蟲;又如假單孢杆菌、哈慈木黴和綠色木黴複合使用（yòng）能最大限（xiàn）度地（dì）抑製尖孢鐮刀菌香蕉轉化型。使用固態發酵微生物（wù）肥料能減輕西瓜、黃（huáng）瓜連作障礙。

2.4  垃圾處理

目（mù）前國、內外城市垃圾處（chù）理（lǐ）主要采用填埋、焚燒、發（fā）酵等方法，其中填埋技術占地麵積大，不易降解;采用垃圾（jī）焚燒技術，其減（jiǎn）量（liàng）化程度高，但投資巨大 且（qiě）受到煙氣排放的製約（yuē）;發酵技術（shù）具有減容、減量及無害（hài）化程度低及可再循環利用等優點成為國內外垃圾處理方麵的首選。利用固態發（fā）酵技術加工處理生活垃圾，不 但解決了資源短缺等問（wèn）題，同時降低了垃圾排放。德國（guó）Eggersmann公司（sī）采用（yòng）Horstmann隧道倉發酵（jiào）係統對分類收集的（de）有（yǒu）機垃圾、不含重金屬等工 業有害物進行處理，生產高等級的有機肥料，處理能力為7。3萬t/年。西班牙（yá）巴塞羅那的ECOPARE垃圾綜合處理廠采用垃圾前分選、好氧堆肥、厭氧發 酵、沼氣發電等工藝可處理城市混合垃圾和餐館垃圾，日綜處理能（néng）力為1050。t加拿大Edmonton處理廠采用滾筒發酵工藝技術，每年生產12。5萬（wàn）t 腐熟堆肥。中國廣（guǎng）東（dōng）省博羅縣采（cǎi）用（yòng）分選、有機垃圾發酵、肥料加（jiā）工、可燃物熱解、氣化發電、無機垃圾填埋等工藝相結合的係統集成技（jì）術對生活垃圾進行處理（lǐ），生產（chǎn） 有機（jī）複混肥。

2.5  生物（wù）修複

固態發酵（jiào）生物技術是有毒（dú）化合物（wù）生物降解與

環境生物修複的有（yǒu）益（yì）工具。如國家海洋局第（dì）三研究（jiū）所學者利用太平洋深海紅球菌（jun1）(Rhodococcussp。TW53)修複石油汙染海水和（hé）湖水， 石油的分解率（lǜ）達到90%，同時收集菌體還可（kě）得到富含FA的油（yóu）脂59。18%。利用P。ostreatus對含有咖啡（fēi）因的物質進行固（gù）態發酵進行生物（wù）修複可達 到對咖啡因（yīn）降解的目的。希（xī）臘學者利（lì）用微生物去除（chú）垃圾填埋場中的腐植酸，去（qù）除率可達85%以上。

轉自河南工業大學學報 ( 自然科學（xué）版 ) 第 3 2卷第 1 期《現代固態發（fā）酵技術工藝（yì）、設備及應用研究進展》作者（zhě）：李浪、楊旭、薛永亮