前言

固態(tài)發(fā)酵(Solidstatefermentation)指體系在沒有或幾乎沒有自由水存在下，微生物在固態(tài)物質(zhì)上生長的過程，過程中維持微 生物活性需要的水主要為結(jié)合水或與固體基質(zhì)結(jié)合的狀態(tài)。大部分研究者認(rèn)為固態(tài)發(fā)酵和固體基質(zhì)發(fā)酵 (Solidsubstratesfermentation)是同一概念，可是Pandey等[1]卻認(rèn)為固體基質(zhì)發(fā)酵是在無自由水條件下固體基質(zhì)作為碳 源或氮源的發(fā)酵過程，而固態(tài)發(fā)酵是在無自由水條件下利用天然或惰性底物(如合成泡沫)作為支持物的發(fā)酵過程。本文中將其統(tǒng)稱為固態(tài)發(fā)酵。

近幾年來，隨著世界性的能源危機和環(huán)境保護(hù)意識的增強，固態(tài)發(fā)酵重新受到重視，主要歸因于農(nóng)業(yè)、工業(yè)廢棄物在固態(tài)發(fā)酵方面得到較大應(yīng)用，比如土壤修復(fù)、生物轉(zhuǎn)化及生物燃料等，是工業(yè)應(yīng)用的理想技術(shù)。

1   影響固態(tài)發(fā)酵的因素

影響固態(tài)發(fā)酵過程的因素很多，主要取決于基質(zhì)類型、微生物選取和生產(chǎn)規(guī)模，可大致分為生物化學(xué)、物理化學(xué)和環(huán)境因素。所有的因素都是密切相關(guān) 的，不能獨立地看待。在特定的固態(tài)發(fā)酵過程中，單個因素作為生化還是物化因素需要區(qū)別開來。某個因素在生化反應(yīng)中可看做獨立的，但在物化反應(yīng)中是相互影響 的，反之亦然[。所以，需要分析各個因素在固態(tài)發(fā)酵進(jìn)程中的影響。

1.1  固態(tài)發(fā)酵微生物

真菌和細(xì)菌是固態(tài)發(fā)酵使用較多的微生物，

真菌是比較理想的(如圖所示，真菌菌絲穿過基質(zhì)的皮殼到達(dá)淀粉顆粒)。接種真菌孢子較營養(yǎng)細(xì)胞有一定優(yōu)勢:接種方便、靈活且易于保存較長時間和 較高活性，但也有一定的缺點，如較長的滯后期、孢子接種量較大;在孢子萌發(fā)之前需誘導(dǎo)孢子進(jìn)入代謝活動和酶系合成以防孢子休眠。某些發(fā)酵過程需要菌絲接 種，如將毛殼菌菌絲接入小麥秸稈中進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵。接種密度(個/克物料)也是固態(tài)發(fā)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長及代謝能力有重要影響。低水分將降低營養(yǎng)物質(zhì)傳輸、微生物生長、酶穩(wěn)定性和基質(zhì)膨脹;高水分將導(dǎo)致顆粒結(jié)塊、通氣不暢和染菌。固態(tài)發(fā)酵過程中水分含量范圍應(yīng)控制在30%~85%。不同微生物發(fā)酵水分應(yīng)該是不同的。

微生物能否在底物上生長取決于該基質(zhì)的水活度Aw。水活度除受基質(zhì)本身的影響外，還與溶質(zhì)的種類和數(shù)量有關(guān)。不同微生物Aw要求也不同。一般而 言，細(xì)菌要求Aw在0。90~0。99之間;大多數(shù)酵母菌要求Aw在0。80~0。90;真菌及少數(shù)酵母菌要求Aw在0。60~0。70。因此，固態(tài)發(fā)酵 常用真菌原因就是其對水活度要求低，可以降低雜菌的污染。在固態(tài)發(fā)酵過程中，由于基質(zhì)的水解，物質(zhì)的溶出，Aw降低，將延長微生物的滯后期，導(dǎo)致生物量減 少?？梢酝ㄟ^加無菌水、加濕空氣和安裝噴濕器等方法來提高Aw，以保證菌體正常生長。

1.3  基質(zhì)和粒度

固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)常為農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物、天然纖維素、固體廢料等。具有大分子結(jié)構(gòu)的原料其惰性組織將氮源和碳源物質(zhì)緊緊包裹，不利于發(fā)酵，因此原料的預(yù)處 理是很重要的，主要通過物理、化學(xué)或者酶水解等方法降低被包裹或顆粒粒度，提高基質(zhì)可利用率。采用天然基質(zhì)進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，隨著微生物的生長，作為基質(zhì)結(jié)構(gòu) 的部分碳源物質(zhì)被消耗，影響了傳質(zhì)和傳熱，通常在發(fā)酵過程中加入適量的具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的支持物來改善。

基質(zhì)粒度關(guān)系到微生物生長及傳質(zhì)傳熱效果，將直接影響到單位體積顆粒所能提供的反應(yīng)表面積的大小，也會影響到菌體是否容易進(jìn)入基質(zhì)顆粒內(nèi)部及氧 的供給速率和代謝產(chǎn)物的移出速率等[9]。小的顆?？梢蕴峁┹^大微生物攻擊表面積，提高固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)速率，是理想的選擇，但是在許多情況下太小的顆粒容易 造成底物積團，顆粒間空隙率也減小，導(dǎo)致阻力增大，對傳熱、傳質(zhì)產(chǎn)生不利的影響，導(dǎo)致微生物不良生長;大顆粒由于存在較大間隙有利于提高傳質(zhì)和傳熱效率， 還可提供更好的呼吸及通氣條件，但微生物攻擊表面積較小。

1.4  O2和CO2濃度

固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)的氣態(tài)環(huán)境直接影響到生物量的大小和酶合成的程度，需要控制空氣流動來調(diào)整氣態(tài)環(huán)境。好氧微生物的理論呼吸熵(RQ)為1。0，低 于1。0將影響氧氣傳輸，微生物生長受到阻礙，通過測定O2吸收速率和CO2合成速率(發(fā)酵尾氣分析儀進(jìn)行在線實時測定)，可以判斷微生物的生長程度(反 應(yīng)生物量的變化)，通過改變O2和CO2的分壓大小，可以控制微生物的生長和代謝，進(jìn)而調(diào)節(jié)固態(tài)發(fā)酵過程。

1.5  溫度和pH值

由于微生物的生長、蛋白質(zhì)合成、酶和細(xì)胞活性及代謝產(chǎn)物合成對溫度的敏感性，對溫度的控制很重要。大多數(shù)真菌的生長溫度范圍在20~

55，致死溫度在 50~60。在發(fā)酵過程中，微生物代謝產(chǎn)生大量的熱，造成品溫上升很快(有時高達(dá)2/h)，如果產(chǎn)生的熱不能及時散去，就會影響孢子發(fā)芽、生長和產(chǎn)物產(chǎn) 率。又固態(tài)發(fā)酵不同料層的物料溫度不同(在微生物生長對數(shù)期可超過3/cm)，造成發(fā)酵不均一。因此，在固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器設(shè)計方面，主要集中在如何傳熱，到 目前為止，最好的解決辦法是通風(fēng)。

固態(tài)發(fā)酵過程中由于代謝活動，pH值會發(fā)生一定變化，最常見的是有機酸的生成，造成pH值下降。不同微生物的最適生長pH值是不同的，真菌生長 pH值范圍在2。0~9。0，最適范圍在3。8~6。0;酵母最適范圍在4。0~5。0。低pH值可以有效地抑制污染菌的繁殖。對pH值很難采用合適的技 術(shù)進(jìn)行在線測定和控制，可在發(fā)酵原料中加入具有緩沖能力的物質(zhì)(對反應(yīng)過程無影響)來緩沖pH值的變化。

1.6  通風(fēng)和攪拌

好氧發(fā)酵過程中對氧的需求及系統(tǒng)中傳質(zhì)、傳熱的需要，通風(fēng)和攪拌操作有重要的影響?？諝馑俾试黾涌商峁┪⑸锷L所需氧氣，又可以移除CO2、 揮發(fā)性代謝物和反應(yīng)熱，但很多因素影響O2的傳輸，如空氣壓力、通氣率、基質(zhì)空隙、料層厚度、培養(yǎng)基水分、反應(yīng)器幾何特征及機械攪拌裝置的轉(zhuǎn)速等。氣流強 度可作為評判通風(fēng)強弱的標(biāo)準(zhǔn)，通氣質(zhì)量也很重要(特別是氣體濕度，可改變水活度)。合適的通風(fēng)強度和質(zhì)量可提高對溫度的控制。

由于基質(zhì)的不均勻性，通風(fēng)過程容易造成細(xì)胞代謝發(fā)生變化，需要通過攪拌來提高物料發(fā)酵、水分、溫度和氣態(tài)環(huán)境均一性。在選擇基質(zhì)時，應(yīng)考慮基質(zhì) 特性，避免在攪拌過程中出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象，但過分的翻動可能損傷菌絲體，抑制菌體生長。間歇攪拌較連續(xù)攪拌有較好效果，對菌絲體的生長及其在基質(zhì)上附著更有 利。

1.7  固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器

固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器是目前限制固態(tài)發(fā)酵用于現(xiàn)代生物反應(yīng)工程的一個重要因素。設(shè)計反應(yīng)器需要考慮幾個方面的問題:滅菌、接種、傳質(zhì)傳熱、取樣、供 氣、參數(shù)的測量和控制等。迄今為止已有許多類型的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器問世(包括實驗室、中試和工業(yè)生產(chǎn))，部分用于食用菌、酶制劑、動物飼料和土壤修復(fù)等。

1.7.1  淺盤發(fā)酵反應(yīng)器

淺盤發(fā)酵反應(yīng)器是所有反應(yīng)器類型中最簡單的發(fā)酵設(shè)備，結(jié)構(gòu)見圖，是傳統(tǒng)發(fā)酵食品的酒曲生產(chǎn)采用的反應(yīng)裝置，但是，散熱主要通過托盤傳導(dǎo)，即使通電冷卻也不足以去除代謝熱。此外還有傳質(zhì)傳熱速率低造成的高污染風(fēng)險和托盤利用率低等缺點。

1.7.2  流化床反應(yīng)器

該反應(yīng)器主要是在金屬網(wǎng)或多孔板上鋪置粉粒狀基質(zhì)，從底部往上吹空氣形成流化層狀態(tài)，兩種不同形式的流化床結(jié)構(gòu)見圖。反應(yīng)器的主要參數(shù)是粒徑大 小和顆粒分布，粒徑分布越狹窄，顆粒越容易保持流化狀態(tài)。反應(yīng)器采用封閉系統(tǒng)可較好保持無菌狀態(tài)，發(fā)酵完成可提高空氣溫度直接將產(chǎn)品進(jìn)行干燥回收。這類反 應(yīng)器容積率低。

1.7.3  轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器

其基本形式是將一個圓柱形容器支架在一個轉(zhuǎn)動系統(tǒng)上，轉(zhuǎn)動系統(tǒng)主要起支撐及提供動力作用，結(jié)構(gòu)示意見圖。轉(zhuǎn)鼓式發(fā)酵器轉(zhuǎn)動速率一般為 1~16r/min，有的可達(dá)到更高轉(zhuǎn)速，真菌菌絲體的破壞程度對轉(zhuǎn)速較敏感。這類反應(yīng)器重點要解決好物料結(jié)塊和粘壁的問題，其次是反應(yīng)器容積率低。增加 破碎板(網(wǎng))可以解決結(jié)塊問題。

1.7.4  圓盤式反應(yīng)器

圓盤式反應(yīng)器底部通常由兩層金屬網(wǎng)制成，無菌空氣由底部均勻進(jìn)入1m左右厚的發(fā)酵基質(zhì)。幾個并排的螺旋式攪拌器在以一定的速度水平運動的同時， 還以適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速自轉(zhuǎn)。在攪拌器上還有2~3個噴頭，用于補水，結(jié)構(gòu)示意見圖。本反應(yīng)器易于放大進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，但不能進(jìn)行無菌操作，只能用于自然發(fā)酵和混合 發(fā)酵過程。

1.7.5其他

還有根據(jù)不同需要制作的不同固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，如氣相雙動態(tài)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)及裝置(示意見圖。該項技術(shù)已成功地從實驗室的2、50、800L放大到25、50、70m3的工業(yè)級生產(chǎn)規(guī)模。應(yīng)用范圍涉及到抗生素、酶制劑、有機酸、食品添加劑、生物農(nóng)藥和生物肥料等。

2  現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用

固態(tài)發(fā)酵技術(shù)在傳統(tǒng)功能食品和酒類釀造方面得到了廣泛應(yīng)用，如醬油、米酒、豆豉、黃酒和白酒等。從傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵發(fā)展到現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵，該技術(shù)在生 產(chǎn)抗生素、酶制劑、精飼料、有機酸、生物活性物質(zhì)等方面發(fā)揮了重大作用，并進(jìn)一步擴大到生物轉(zhuǎn)化、生物燃料、生物防治、垃圾處理及生物修復(fù)等領(lǐng)域，固態(tài)發(fā) 酵作為潛在的技術(shù)引起人們的密切關(guān)注。

2.1  生物轉(zhuǎn)化

利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)對農(nóng)作物及農(nóng)作物殘渣進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化提高其營養(yǎng)價值具有巨大經(jīng)濟價值?，F(xiàn)在食品和飼料行業(yè)對其利用越來越廣泛。如利用根霉菌對木 薯及木薯渣進(jìn)行發(fā)酵以提高其營養(yǎng)價值;利用白腐菌或黃孢原毛平革菌對木質(zhì)纖維素進(jìn)行降解；利用木霉發(fā)酵棕櫚提高其在飼料行業(yè)的利用率。

2.2  生物燃料

用農(nóng)業(yè)、工業(yè)殘渣固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)生物燃料可大致分為兩大類:氣體和液態(tài)生物燃料。對傳統(tǒng)沼氣進(jìn)行凈化可得到新型生物燃料;生物制氫是一個相對較新 的生物燃料的氣體類型，由氫細(xì)菌、產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷細(xì)菌聯(lián)合厭氧發(fā)酵農(nóng)工業(yè)廢物。液體生物燃料最近被分為生物乙醇和生物柴油。由于世界能源危機生物乙醇表現(xiàn)出 了振奮人心的重要性，生物柴油作為石油的潛在替代品不斷得到發(fā)展。利用固態(tài)發(fā)酵方法生產(chǎn)生物乙醇有可消除糖的制備過程，節(jié)省成本;降低發(fā)酵罐體積，無廢 水;降低能耗等優(yōu)點，發(fā)酵過程由酵母產(chǎn)生的轉(zhuǎn)化酶和酒化酶對天然原料(如甜菜、蘋果渣、甜高粱和木薯等)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。與酒精不同，生物柴油是一種酯，生物發(fā) 酵提取的乙基或甲基酯可以與傳統(tǒng)柴油混合或100%地作為生物柴油使用。Amin等用微藻處理工業(yè)廢水生產(chǎn)藻油取得突破性進(jìn)展，藻油經(jīng)簡單處理即可作為生 物柴油。

2.3  生物防治

生物防治是一種既不污染環(huán)境，又可殺死害蟲或病菌的辦法，是利用有益生物或其他生物來抑制或消滅有害生物的一種防治方法，常見的有應(yīng)用真菌、細(xì) 菌、病毒和能分泌抗生物質(zhì)的抗生菌(對人體和環(huán)境不產(chǎn)生公害)。利用固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)真菌殺蟲劑，藥物對害蟲的毒力得到極大的提高。如早期的白僵菌、蘇云金桿 菌殺蟲;又如假單孢桿菌、哈慈木霉和綠色木霉復(fù)合使用能最大限度地抑制尖孢鐮刀菌香蕉轉(zhuǎn)化型。使用固態(tài)發(fā)酵微生物肥料能減輕西瓜、黃瓜連作障礙。

2.4  垃圾處理

目前國、內(nèi)外城市垃圾處理主要采用填埋、焚燒、發(fā)酵等方法，其中填埋技術(shù)占地面積大，不易降解;采用垃圾焚燒技術(shù)，其減量化程度高，但投資巨大 且受到煙氣排放的制約;發(fā)酵技術(shù)具有減容、減量及無害化程度低及可再循環(huán)利用等優(yōu)點成為國內(nèi)外垃圾處理方面的首選。利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)加工處理生活垃圾，不 但解決了資源短缺等問題，同時降低了垃圾排放。德國Eggersmann公司采用Horstmann隧道倉發(fā)酵系統(tǒng)對分類收集的有機垃圾、不含重金屬等工 業(yè)有害物進(jìn)行處理，生產(chǎn)高等級的有機肥料，處理能力為7。3萬t/年。西班牙巴塞羅那的ECOPARE垃圾綜合處理廠采用垃圾前分選、好氧堆肥、厭氧發(fā) 酵、沼氣發(fā)電等工藝可處理城市混合垃圾和餐館垃圾，日綜處理能力為1050。t加拿大Edmonton處理廠采用滾筒發(fā)酵工藝技術(shù)，每年生產(chǎn)12。5萬t 腐熟堆肥。中國廣東省博羅縣采用分選、有機垃圾發(fā)酵、肥料加工、可燃物熱解、氣化發(fā)電、無機垃圾填埋等工藝相結(jié)合的系統(tǒng)集成技術(shù)對生活垃圾進(jìn)行處理，生產(chǎn) 有機復(fù)混肥。

2.5  生物修復(fù)

固態(tài)發(fā)酵生物技術(shù)是有毒化合物生物降解與

環(huán)境生物修復(fù)的有益工具。如國家海洋局第三研究所學(xué)者利用太平洋深海紅球菌(Rhodococcussp。TW53)修復(fù)石油污染海水和湖水， 石油的分解率達(dá)到90%，同時收集菌體還可得到富含F(xiàn)A的油脂59。18%。利用P。ostreatus對含有咖啡因的物質(zhì)進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵進(jìn)行生物修復(fù)可達(dá) 到對咖啡因降解的目的。希臘學(xué)者利用微生物去除垃圾填埋場中的腐植酸，去除率可達(dá)85%以上。

轉(zhuǎn)自河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報 ( 自然科學(xué)版 ) 第 3 2卷第 1 期《現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)工藝、設(shè)備及應(yīng)用研究進(jìn)展》作者：李浪、楊旭、薛永亮