前（qián）言

固態發酵(Solidstatefermentation)指體係在沒有（yǒu）或幾乎沒有自由水存在下，微生物在固態物質（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合水或與固體基質結（jié）合的狀態。大部分研究者認為固態發酵和固（gù）體基質發酵 (Solidsubstratesfermentation)是同一概（gài）念，可是Pandey等[1]卻認為固（gù）體基質發（fā）酵是在無自由水條件下固體基質作為（wéi）碳 源或氮源的（de）發酵過程，而固態發酵是在無自由水條件下利用天然或惰性底物(如合成泡沫)作為支持物的發酵過程。本（běn）文中將其統（tǒng）稱為固態發（fā）酵（jiào）。

近幾年來，隨著世界性的能（néng）源危機和環境保護意識的增強，固態發（fā）酵重新受（shòu）到重視，主要（yào）歸因於農業、工業廢棄物在固態發酵方麵得（dé）到較大應用，比如（rú）土壤（rǎng）修複（fù）、生物轉化（huà）及生物（wù）燃料等，是工業應（yīng）用的理想技術。

1   影響固態發酵的因素

影響固態發酵過程的因素很多，主（zhǔ）要取決於基質類型（xíng）、微生物選取和生產規模，可大致分為生物化學、物理化學和環境因素。所有的因素都是密切相（xiàng）關（guān） 的，不（bú）能獨立地看待。在特定的固態發酵過程中（zhōng），單個因素（sù）作（zuò）為生化還是物化因素需要區（qū）別（bié）開來。某個因素（sù）在生化（huà）反應（yīng）中可看做獨立的（de），但在物（wù）化反應中是相互影響 的，反之亦然[。所以，需要分（fèn）析各個因素在固態發酵進程中的影（yǐng）響。

1.1  固態發酵微生物

真菌和細菌（jun1）是固態發酵使（shǐ）用較多的微生物，

真菌是比（bǐ）較理想的(如圖所示，真菌菌絲穿過基質的皮殼到達澱粉顆粒)。接種真菌孢子較（jiào）營養細胞有一定優勢:接種方便、靈活且易於保（bǎo）存（cún）較長時間（jiān）和 較高（gāo）活性，但也（yě）有一定的缺點，如較長的（de）滯後期、孢子接種量較（jiào）大;在孢子萌發之前需誘導孢（bāo）子進入代（dài）謝活動和酶係合成（chéng）以防孢子休眠。某些發（fā）酵過程（chéng）需要菌絲接 種，如將毛（máo）殼（ké）菌菌絲接入（rù）小麥秸稈中進行固態發酵。接種密度(個/克物料)也是固態發酵的一個重要（yào）影響因子。

1.2  水分和水活度

底物含水量的變（biàn）化（huà）對微生物的（de）生長及代謝能力有（yǒu）重要影響。低水分將降低營養物質傳輸、微生物生（shēng）長、酶穩定性和（hé）基質膨脹;高水分將導致顆粒結塊、通氣不暢和染菌。固態（tài）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，還與溶質的種（zhǒng）類和數（shù）量有關。不同微生（shēng）物Aw要（yào）求也不同。一般而 言，細菌要求Aw在0。90~0。99之間;大多（duō）數酵母（mǔ）菌要求Aw在0。80~0。90;真菌及少數酵母菌（jun1）要求Aw在0。60~0。70。因此，固態發（fā）酵 常用真菌原因就是其對水活度要求低，可以降低雜菌的汙染（rǎn）。在固（gù）態發（fā）酵過程中，由於基（jī）質（zhì）的水解（jiě），物質（zhì）的溶出，Aw降低，將（jiāng）延長微生物的滯後期（qī），導致生物量（liàng）減 少。可以通過加無菌水、加（jiā）濕空氣和（hé）安裝噴濕器等方法來提高Aw，以保證菌體正常生（shēng）長。

1.3  基質和粒度

固態（tài）發酵基（jī）質常為農業副產物、天然纖維素、固體廢料等（děng）。具有大（dà）分子結（jié）構的原料其惰性組織將氮源和碳源（yuán）物質緊緊包裹，不利於發酵，因此原料的預處 理是（shì）很重要（yào）的，主要通過（guò）物（wù）理（lǐ）、化（huà）學或者酶水（shuǐ）解等方法降低被包裹或顆粒粒度，提高基質可利用率。采用天然基質進行（háng）固（gù）態發酵，隨著微（wēi）生物的生長，作為基質結構 的部分碳（tàn）源物質被消耗，影響（xiǎng）了傳質和傳（chuán）熱（rè），通常在發（fā）酵過程中加入適量的具有穩定結（jié）構的支持物來改善。

基質粒度關係到（dào）微生物生長及傳質傳熱效果，將直接影響到單位體積顆粒所能提供的反應表麵積的大小，也會影響到菌體是（shì）否容易進（jìn）入基質顆（kē）粒內部及氧 的供給（gěi）速率和代謝產物的移出速率等[9]。小的顆粒可以提供較大微生物攻擊表麵積，提高固態發酵反應速（sù）率，是理（lǐ）想的選擇，但是在（zài）許多情況下太小的顆粒容易 造成（chéng）底物積團，顆粒（lì）間空隙率也（yě）減小，導（dǎo）致阻力增大，對傳熱、傳（chuán）質產生不利的影（yǐng）響，導致微（wēi）生物不良生長;大顆粒由於存在較大間隙有利於提高傳質（zhì）和傳熱效率， 還可提供更好的呼吸及（jí）通氣條件，但微生物（wù）攻擊表麵積較小（xiǎo）。

1.4  O2和CO2濃度

固態發酵（jiào）係統的氣（qì）態環境（jìng）直接（jiē）影（yǐng）響到生物量的大小和酶合成的程度，需要控製（zhì）空氣流動來調整氣態環境。好氧（yǎng）微生物的（de）理論（lùn）呼吸熵(RQ)為1。0，低 於1。0將影響氧氣傳輸，微生（shēng）物生長受到阻礙，通過測（cè）定O2吸收速率（lǜ）和CO2合成速率(發酵（jiào）尾氣分析儀進行在線（xiàn）實時測定)，可以判斷微生物的生長（zhǎng）程度(反 應生物量的變化)，通過改變O2和CO2的分（fèn）壓大小，可以（yǐ）控製（zhì）微生物的生長和代（dài）謝，進而調節固態發（fā）酵過程。

1.5  溫度和pH值（zhí）

由於微生物的生長、蛋（dàn）白質合成、酶和（hé）細胞（bāo）活性及（jí）代謝產物合成（chéng）對溫度的敏感性，對（duì）溫度的控製很（hěn）重要。大（dà）多數真菌的生長溫度範圍在20~

55，致死溫度在（zài） 50~60。在發酵過（guò）程中，微生（shēng）物代（dài）謝產生大（dà）量的熱，造成品溫上升很快(有時高達2/h)，如果產生的熱（rè）不能及時散去，就會影響孢子發芽、生長和產物產 率。又固態發酵不（bú）同料層的物料溫度不同(在微生物生長對（duì）數期（qī）可超過3/cm)，造（zào）成發酵不（bú）均一。因此（cǐ），在固態發酵反（fǎn）應器設計方麵，主要集中在（zài）如何傳熱，到 目前為止，最好的解決辦法是通風。

固態發酵過程中由於代謝活（huó）動，pH值會發生一定變化，最常見的是有機酸的（de）生成，造成pH值（zhí）下降。不同微生物的最適生長pH值是不同的（de），真菌生長 pH值範圍在2。0~9。0，最適範圍在（zài）3。8~6。0;酵母最適範圍在（zài）4。0~5。0。低pH值可以有效地抑製汙染菌的繁殖。對pH值很難采用合適的技 術進行在線測定和控製（zhì），可在發酵原料（liào）中加入具有（yǒu）緩衝（chōng）能力的物質（zhì）(對反應過程無影響)來緩衝pH值的變化（huà）。

1.6  通風和攪（jiǎo）拌

好氧發酵過程中（zhōng）對氧的需求及係（xì）統中傳質、傳熱的需要，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（fā）性代謝物和反（fǎn）應熱，但很多因素影響O2的傳輸，如空氣壓力、通氣（qì）率、基質空隙、料（liào）層厚度、培養基水分、反應器（qì）幾何特征及機械攪拌裝置的轉速等。氣流強 度可作為評判通風強弱的標準，通氣質量也很重要(特別是氣體濕度，可改（gǎi）變水活度)。合適的（de）通（tōng）風強（qiáng）度和質量可提高對溫度的控製。

由於基（jī）質的不（bú）均勻性（xìng），通風過程容易造成細胞代（dài）謝發生變化，需要通過攪拌來提高物料發酵、水分、溫度和氣（qì）態環境均一性。在選擇基質時，應考慮基質 特性，避免在攪拌過（guò）程中出現結塊現象，但過分的翻動（dòng）可能損傷菌絲體，抑製菌（jun1）體生長。間歇攪拌較連（lián）續攪拌有較好效果，對菌絲體（tǐ）的（de）生長及其在基質上附著更有 利。

1.7  固態發酵反應器

固態發酵（jiào）反應器是目前限製（zhì）固（gù）態發酵用於（yú）現代生物反應工（gōng）程的一個重要因素。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。迄今（jīn）為止已有許多類型的固態發酵反應器問世(包括實驗室、中試和工業生產)，部分（fèn）用於食用菌、酶製劑、動物飼料和土壤（rǎng）修複等。

1.7.1  淺盤發酵反應器

淺盤發酵反應器是所有反（fǎn）應器類型中最簡單的發酵設備，結（jié）構見圖，是傳統發酵食品的（de）酒曲生產（chǎn）采用的（de）反（fǎn）應（yīng）裝置，但是，散熱主要通過托盤傳導，即使通電冷卻也不足以去（qù）除代謝（xiè）熱（rè）。此外還有傳質傳熱速（sù）率低造成的（de）高汙染風（fēng）險和托盤利用率（lǜ）低等缺（quē）點。

1.7.2  流化床反應器

該反應器主要是（shì）在金屬網（wǎng）或多孔板（bǎn）上鋪置粉粒（lì）狀基質，從底部往上（shàng）吹空氣形成流化層狀態，兩種不同形式的流化床結（jié）構（gòu）見圖。反應器的主要參數是粒（lì）徑（jìng）大 小和顆粒（lì）分布，粒徑分布越狹窄，顆粒越容（róng）易保持流化狀態。反應器采用封閉係統可較好保持無菌狀（zhuàng）態，發（fā）酵完成可提高空氣溫度直接將產品進行幹（gàn）燥回收。這類反 應（yīng）器容積率低。

1.7.3  轉鼓式反（fǎn）應器

其基本形式是（shì）將一（yī）個圓柱形容器支架在一個轉動（dòng）係統上，轉動係統主（zhǔ）要起支撐及提供動力作（zuò）用（yòng），結構示意見圖。轉鼓式發酵器轉動速率一般為 1~16r/min，有的可達到更高轉速，真菌菌絲體的破壞程度對（duì）轉速較敏感。這類反應器重點要（yào）解決好（hǎo）物料結塊和粘壁的問題，其次是（shì）反應器容積率低。增加 破碎板(網)可以解決（jué）結塊問題。

1.7.4  圓盤式反應器

圓盤式反應器底部通常由兩層金屬網製成，無菌空氣由底部均勻進（jìn）入1m左右厚（hòu）的發酵基質。幾個並排的螺旋式攪拌器在以一定（dìng）的速（sù）度水平運動的同時， 還以適當的（de）轉速自轉。在攪拌器（qì）上還有2~3個噴頭（tóu），用於補水，結構（gòu）示意見圖（tú）。本反應器易於放大進（jìn）行工業生產，但不（bú）能進行無菌操作，隻能用（yòng）於自然發（fā）酵和混合 發酵過程。

1.7.5其（qí）他

還有根據不同需要製作的不同固態（tài）發酵（jiào）反（fǎn）應器，如氣相雙動（dòng）態固態發酵技術及裝置（zhì）(示（shì）意（yì）見圖。該項技術已成功地從實驗室的2、50、800L放大到25、50、70m3的工業級生產規模。應用（yòng）範圍涉及到抗生素、酶製劑、有機（jī）酸、食品添加劑（jì）、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應用，如醬油、米酒、豆豉（chǐ）、黃酒（jiǔ）和白酒等。從傳統固態發酵發（fā）展（zhǎn）到現代固態發酵，該技術在生 產抗生素、酶製劑（jì）、精飼料、有機酸、生物活性物（wù）質等方麵發揮了重大作用（yòng），並進一（yī）步擴大到生物轉化、生物燃料、生物防治、垃圾處理及生物（wù）修複等領域，固態發 酵作為潛在的技術引起人們的密切關注。

2.1  生物轉化

利用固態發酵技術對（duì）農作物及農作物殘（cán）渣進行生物（wù）轉化提高其營養價值具有巨（jù）大經濟價值。現在食品和飼（sì）料行業對其利用越來越廣泛。如利用根黴菌對木 薯及木薯渣進行發（fā）酵以提高其營養價值（zhí）;利用白腐菌或黃孢原毛（máo）平革菌（jun1）對木質纖維素進行降解（jiě）；利用木黴發酵棕櫚提高其在飼料行業的利用（yòng）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（lèi）:氣體和液態生物燃料。對傳統沼氣進行淨化可得到（dào）新型生物（wù）燃（rán）料;生物製氫是一（yī）個相對較新 的（de）生物燃料的氣體類型，由氫細菌、產酸和產（chǎn）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（jiè）能源（yuán）危機生物乙醇表現出 了振奮人心的重要（yào）性，生物柴油作為石（shí）油的（de）潛在替代品不斷得到發展（zhǎn）。利用（yòng）固態發酵方法生產生物乙（yǐ）醇有可消除糖的製備過程，節省成本;降低發酵罐體積，無（wú）廢 水（shuǐ）;降低能耗等優點，發酵過程由酵母產生的轉化酶和酒（jiǔ）化酶對天然原料(如甜菜、蘋果渣（zhā）、甜高（gāo）粱和木薯（shǔ）等（děng）)進行轉化。與酒精不同（tóng），生物（wù）柴油是一種酯，生物發 酵提（tí）取的乙（yǐ）基或甲基酯可（kě）以與傳統柴油混合或（huò）100%地作為生物柴油使用。Amin等用微（wēi）藻處理工業廢水生產藻油取得突破性進展，藻（zǎo）油經簡單處理即可作（zuò）為生 物柴油。

2.3  生物防治

生物防治是一種既（jì）不汙染環境，又可殺死害蟲（chóng）或病菌（jun1）的辦法，是利用有益生物或其他生物來抑製或消滅有害生物的一種防治方法，常見的有（yǒu）應用真菌、細 菌、病毒和能分泌抗生物質的抗生（shēng）菌(對人體和環境不產生公害)。利用固態（tài）發酵生產真菌殺蟲劑，藥物對害蟲的毒（dú）力得到極（jí）大的提高。如早期的白僵菌、蘇雲金杆 菌殺蟲;又如（rú）假單（dān）孢杆菌（jun1）、哈慈（cí）木黴和綠色木黴（méi）複合使用能最大（dà）限（xiàn）度地（dì）抑製尖孢鐮刀菌香蕉轉化型。使用固態發酵微（wēi）生（shēng）物肥（féi）料能減輕西瓜、黃瓜連作障礙（ài）。

2.4  垃（lā）圾處理

目前國、內外城（chéng）市垃圾處理主要采用（yòng）填埋、焚燒、發酵（jiào）等（děng）方法，其中填埋技術占地麵積大，不易降解;采（cǎi）用垃（lā）圾焚燒技術，其減量（liàng）化程度高，但投資（zī）巨大 且受（shòu）到煙氣排放的製約;發酵技術具有（yǒu）減容、減量及無害化程度低（dī）及可再循環利（lì）用等優點成為國內外垃圾處理方麵的首選。利（lì）用固態發酵技術加工處理生活垃（lā）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隧道倉發酵（jiào）係統對分類收集的有機垃圾、不含重金屬等工 業有害物（wù）進行（háng）處理，生產高等級的有機肥料，處理能力為7。3萬（wàn）t/年。西班牙巴塞羅那的（de）ECOPARE垃圾綜合處理廠采用垃圾前分選、好氧堆（duī）肥、厭氧發 酵、沼氣發電等工藝可處理城市混合垃圾和餐（cān）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（gōng）藝技術，每年生產12。5萬t 腐熟堆肥。中國廣東省博（bó）羅縣采用分選、有（yǒu）機垃圾發酵（jiào）、肥料加工、可燃物熱（rè）解、氣化發（fā）電（diàn）、無機垃圾填（tián）埋（mái）等工藝相結合的係統集（jí）成技術（shù）對生活（huó）垃圾進（jìn）行（háng）處理，生產 有機（jī）複混肥。

2.5  生物修複

固態發酵生物技術是有毒化合物生物降解與

環境生物修複的有益工（gōng）具。如國家海洋局第三研究所學者利用太平洋深海紅球菌(Rhodococcussp。TW53)修複石油汙（wū）染海水和湖（hú）水， 石油的分解率達到（dào）90%，同（tóng）時收集菌體還可（kě）得到富含（hán）FA的油（yóu）脂59。18%。利用（yòng）P。ostreatus對含有咖啡因的物（wù）質進行固態發酵進行生物修複可達 到對咖啡因（yīn）降解的目（mù）的。希臘（là）學者利用微生物去（qù）除垃（lā）圾填埋場（chǎng）中的腐植酸，去除率（lǜ）可達85%以上。

轉自河南工業大學學（xué）報 ( 自然（rán）科學版 ) 第 3 2卷第 1 期《現代固態發酵技術工藝、設備及應用研究進展（zhǎn）》作者：李浪、楊旭、薛（xuē）永亮