1、固态发酵固态发酵与工艺设备与工艺设备固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备1 1、固态发酵的内涵、固态发酵的内涵一般发酵工艺过程按照培养基物理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性状不同，将发酵方式分为两大类：类：固态发酵固态发酵和和液态发酵液态发酵。反应器反应器固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备 现状现状:技术含量低技术含量低,发酵方式落后发酵方式落后,工业化大规模生产难以实现工业化大规模生产难以实现 应用前景应用前景:克服自身特点克服自身特点,应用具应用具有巨大潜力有巨大潜力,
2、固态发酵被认为是可固态发酵被认为是可再生性资源综合利用最有希望的再生性资源综合利用最有希望的途径途径反应器反应器固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备 固体基质发酵和固态发酵固体基质发酵和固态发酵一切使用不溶性固体基质来培养微生一切使用不溶性固体基质来培养微生物的工艺过程，称之为物的工艺过程，称之为固体基质发固体基质发酵酵(solid substrates fermentationsolid substrates fermentation)。固体基质发酵固体基质发酵，既包括将固体悬浮在，既包括将固体悬浮在液体中的液体中的深层发酵深层发酵，也包括在没有
3、，也包括在没有(或几乎没有或几乎没有)游离水的湿固体材料游离水的湿固体材料上培养微生物的工艺过程。上培养微生物的工艺过程。反应器反应器固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备固态发酵固态发酵是指没有或几乎没有自由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，用一种或多种微生性固态基质中，用一种或多种微生物的一个生物反应过程。物的一个生物反应过程。反应器反应器固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备 从生物反应过程的本质考虑，从生物反应过程的本质考虑，固固态发酵态
4、发酵是以是以气相为连续相气相为连续相的生物反的生物反应过程，与此相反，应过程，与此相反，液态发酵液态发酵是以是以液相为连续相液相为连续相的生物反应过程。从的生物反应过程。从这个定义中可以充分认识固态发酵这个定义中可以充分认识固态发酵的特点，以及与液态发酵本质的区的特点，以及与液态发酵本质的区别。别。反应器反应器固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备反应器反应器固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备反应器反应器固态发酵与液态发酵比较分析固态发酵与液态发酵比较分析固态发酵中微生物生长在缺乏或几乎缺乏可固态发酵中
5、微生物生长在缺乏或几乎缺乏可见液体水的颗粒之间，在固态发酵系统中，见液体水的颗粒之间，在固态发酵系统中，微生物可以从微生物可以从湿的基质颗粒中获得所需的水湿的基质颗粒中获得所需的水分分。固体发酵基质的含水量可以有效控制在固体发酵基质的含水量可以有效控制在12128080之间，大多含水量在之间，大多含水量在6060左右。而典左右。而典型的深层液体发酵的发酵液中只有型的深层液体发酵的发酵液中只有5 5左右左右的溶质，至少有的溶质，至少有9595的水。的水。当前发酵工业所当前发酵工业所使用的主要是深层液态发酵使用的主要是深层液态发酵。固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固
6、态发酵设设 备备反应器反应器固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备反应器反应器固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备反应器反应器2 2、固态发酵的特点、固态发酵的特点 基质：可被微生物降解或不被降解基质：可被微生物降解或不被降解的多孔固体基质，的多孔固体基质，气固表面积大气固表面积大（10103 3-10-106 6m/cmm/cm2 2），有利于微生物生），有利于微生物生长。长。微生物是在微生物是在接近自然状态接近自然状态的情况下的情况下生长，可产生一些在液体培养基中生长，可产生一些在液体培养基中不产生的
7、酶或其它代谢产物，特别不产生的酶或其它代谢产物，特别是对于许多是对于许多丝状真菌丝状真菌来说。来说。固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备反应器反应器 固态发酵是以固态发酵是以气体气体作为生物反应过作为生物反应过程中的程中的O O2 2、COCO2 2、热量、营养和产物、热量、营养和产物的的传递介质传递介质，表现为，表现为O O2 2、COCO2 2扩散比扩散比较容易，热量传递困难，存在明显较容易，热量传递困难，存在明显的营养梯度。的营养梯度。由于是由于是非均相反应非均相反应，发酵参数的测，发酵参数的测定和控制比较困难，大多发酵过程定和控制比较困难，
8、大多发酵过程依赖经验。依赖经验。固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备反应器反应器2.1主要影响参数主要影响参数l水活度水活度l温度温度l通气与传质通气与传质lpHpH值值固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备反应器反应器2.1.1 2.1.1 水活度（水活度（a aw w）由于固态发酵的最大特点就是由于固态发酵的最大特点就是无游离水，因而底物含水量的变化，无游离水，因而底物含水量的变化，必然会对发酵过程产生影响。必然会对发酵过程产生影响。细菌：细菌：0.90-0.990.90-0.99酵母菌：酵母菌：0.
9、80-0.900.80-0.90真菌：真菌：0.60-0.700.60-0.70固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备反应器反应器2.1.22.1.2温度温度 温度是一个重要的影响因素，温度是一个重要的影响因素，一方面微生物需要适宜的生长温度一方面微生物需要适宜的生长温度（例如：真菌生长的最适温度为（例如：真菌生长的最适温度为202030)30)，另一方面伴随微生物，另一方面伴随微生物的生长，会产生生大量的热，如果的生长，会产生生大量的热，如果温度不及时散去，温度会影响孢子温度不及时散去，温度会影响孢子发芽、生长和产物的产率。发芽、生长和产物的产率。
10、固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备反应器反应器2.1.32.1.3通气与传质通气与传质 固态发酵利用的微生物几乎都是好氧固态发酵利用的微生物几乎都是好氧性的，空气的通气率特别重要。空气速性的，空气的通气率特别重要。空气速率的增加既可以供氧，又可以带走反应率的增加既可以供氧，又可以带走反应热和二氧化碳，提高传质、传热效率。热和二氧化碳，提高传质、传热效率。在实验室及工业化大生产中，一般利用在实验室及工业化大生产中，一般利用强制通无菌空气来达到通风的目的强制通无菌空气来达到通风的目的。固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固
11、态发酵设设 备备反应器反应器2.1.3 PH2.1.3 PH值值与温度对微生物的影响相似，微生与温度对微生物的影响相似，微生物存在最适物存在最适PHPH。绝大多数微生物能。绝大多数微生物能生活在生活在PH5.0-9.0PH5.0-9.0之间的环境。之间的环境。固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备反应器反应器3 3、固态发酵的分类、固态发酵的分类 3.1 3.1 传统传统固态发酵固态发酵与与现代现代固态发酵固态发酵 固态发酵与液态发酵相比存在着许固态发酵与液态发酵相比存在着许多不足，所以传统固态发酵曾经是古多不足，所以传统固态发酵曾经是古老而又落后工
12、艺的代名词。甚至，在老而又落后工艺的代名词。甚至，在有的发酵工程或生化工程的教科书中，有的发酵工程或生化工程的教科书中，也很少提到固态发酵。也很少提到固态发酵。固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备反应器反应器固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备反应器反应器3.2 3.2 固态发酵的形式固态发酵的形式 固态发酵可以以许多不同的形式进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，固态发酵可分成的产品条件不同，固态发酵可分为为自然富集固态发酵自然富
13、集固态发酵、强化微生物强化微生物混合固态发酵混合固态发酵、限定微生物混合固限定微生物混合固态发酵态发酵和和单菌固态纯种发酵单菌固态纯种发酵。固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备反应器反应器4、固态发酵反应器、固态发酵反应器 迄今为止已有许多类型的固态发酵迄今为止已有许多类型的固态发酵反应器问世反应器问世(包括包括实验室、中试、工实验室、中试、工业生产规模业生产规模)。目前大约有九种不同。目前大约有九种不同形式的工业规模的固态发酵反应器：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、垂直转鼓式、木盒式、加盖盘式、垂直培养盒式、倾斜接种盒式
14、、浅盘式、培养盒式、倾斜接种盒式、浅盘式、传送带式、圆柱式、混合式传送带式、圆柱式、混合式等。等。固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备反应器反应器固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备反应器反应器4.1 4.1 实验室固态发酵反应器、中试固态发酵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反应器与工业级固态发酵反应器按照固态发酵反应器所按照固态发酵反应器所承载的固体物料多少承载的固体物料多少不同，可将固态发酵反应器分为三大类：不同，可将固态发酵反应器分为三大类：第一类是第一类是实验室实验
15、室固态发酵反应器固态发酵反应器 可进行可进行克级克级规模固体物料的固态发酵实验；规模固体物料的固态发酵实验；第二类是第二类是中试中试固态发酵反应器固态发酵反应器 一般进行一般进行千克级千克级固体物料的固态发酵试验；固体物料的固态发酵试验；第三类是第三类是工业级工业级固态发酵反应器固态发酵反应器 可应用可应用于工业生产，承载于工业生产，承载吨级吨级固体物料。固体物料。固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备反应器反应器5 5、固态发酵研究取得的、固态发酵研究取得的主要进展主要进展1)1)由由敞开式敞开式发酵到发酵到封闭式封闭式发酵发酵 敞开式发酵虽然投资
16、少、操敞开式发酵虽然投资少、操作方便，但大规模生产有作方便，但大规模生产有散热困散热困难、易污染难、易污染等问题。封闭式发酵等问题。封闭式发酵罐可以罐可以彻底灭菌彻底灭菌，便于控制发酵，便于控制发酵罐中的罐中的温度温度。固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备反应器反应器 2)2)从从经验发酵经验发酵到到控制发酵控制发酵 液体发酵可实现电子汁算机控制，对液体发酵可实现电子汁算机控制，对发酵过程中的参数实现预测。目前在发酵过程中的参数实现预测。目前在固态发酵中也可测定基质含水量。基固态发酵中也可测定基质含水量。基质含水量是决定固态发酵成功与否的质含水量是
17、决定固态发酵成功与否的关键因素之一。关键因素之一。如在固态如在固态流化床流化床反应器中，培养基的反应器中，培养基的水分依据流化层内的水分依据流化层内的电极和塔壁间静电极和塔壁间静电容量值电容量值，从喷嘴喷出无菌水雾加以，从喷嘴喷出无菌水雾加以控制；控制；在在厚层通风池厚层通风池中固态发酵，其培养温中固态发酵，其培养温度可通过度可通过继电器继电器控制池内温度保持在控制池内温度保持在3030左右。左右。固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备反应器反应器3 3）从）从浅盘式浅盘式发酵到发酵到机械化机械化发酵发酵中国现在酿造业的固体曲制备常采用中国现在酿造业
18、的固体曲制备常采用厚层通风池发酵，这些发酵设备占厚层通风池发酵，这些发酵设备占地面积大、劳动强度大。国外已研地面积大、劳动强度大。国外已研制出密闭的制出密闭的柱形固态发酵罐柱形固态发酵罐，完全，完全机械化操作，日发酵机械化操作，日发酵1000Kg1000Kg物料。物料。中国己研制出可装料中国己研制出可装料800kg800kg的的圆片圆片制曲机制曲机，能半机械化连续操作。，能半机械化连续操作。固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备反应器反应器4 4）从）从固态单菌发酵固态单菌发酵到到固态混合发酵固态混合发酵由于纯种培养技术的迅速发展而一度受由于纯种培养
19、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到重视。在这些天然混合物和非均质的基质中，的基质中，几种微生物几种微生物能找到最适于能找到最适于发育和共生协作的发育和共生协作的小生态环境小生态环境。由于同时利用不同菌株进行共同培养，由于同时利用不同菌株进行共同培养，增加了培养物的增加了培养物的基因库容量基因库容量,完成单完成单菌难以完成的复杂的转化过程，达到菌难以完成的复杂的转化过程，达到提高提高基质产率基质产率和和生产效率生产效率等目的。等目的。固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设
20、备备反应器反应器5 5）从）从堆积发酵堆积发酵到到流化态发酵流化态发酵 固态生化反应器由简单浅盘发酵到机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。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，活力可现日本已兴起流化床培养，活力可提高到提高到5-105-10倍。倍。固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备反应器反应器6 6）从）从上下游过程分别操作上下游过程分别操作到到组合操作组合操作 发酵工业过程主要由发酵过程（也称上发酵工业过程主要由发酵过程（也称上游过程）和产物分离过程游过程）和产物分离过程(下游过程下游过程)两部分组成。现大多数工业是把发酵两部分组成。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，并前后连接成一同操作单元中完成，并前后连接成一个整体。个整体。固态发酵固态发酵概概 述述内内 涵涵特特 点点分分 类类固态发酵固态发酵设设 备备反应器反应器二、固态发酵主要设备二、固态发酵主要设备 原料处理设备原料处理设备 固体发酵设备固体发酵设备 机械搅拌通风发酵罐机械搅拌通风发酵罐 空气净化系统空气净化系统 培养基灭菌系统培养基灭菌系统 产物分离与提取设备产物分离与提取设备
