前言

固態發酵(Solidstatefermentation)指體係在（zài）沒有或幾乎沒有自由水存在下，微生（shēng）物在固態物質上生長的過程，過程中維持（chí）微 生物活性需要的水主要（yào）為結合水或與固體基質結（jié）合的（de）狀態。大部分研究者認為（wéi）固態（tài）發酵和固體基質發酵 (Solidsubstratesfermentation)是同一概（gài）念，可是Pandey等[1]卻認為固體基質發酵是在無自由水條件下固體基質作為碳 源或氮源的發酵過程（chéng），而固態發酵（jiào）是在無自由水條件下（xià）利用天然或（huò）惰性底物(如合成泡沫)作為支持物的發酵過程。本文中（zhōng）將（jiāng）其統（tǒng）稱為固態發酵。

近幾（jǐ）年來，隨著世界性的能源危機和環境保護意識的增強，固（gù）態發酵重新受到重視，主要歸因（yīn）於農業、工業廢棄物（wù）在（zài）固態（tài）發酵方麵得到較大應用，比如土壤修複、生物轉化及生物燃（rán）料等（děng），是工（gōng）業應用的理想技術。

1   影響固態發酵的因素

影響固態（tài）發酵過程（chéng）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（dà）致分為生物化學、物理化學（xué）和環境因素。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（gù）態（tài）發酵過程中，單個因素作為生（shēng）化還是物化因素需（xū）要區別開（kāi）來。某（mǒu）個（gè）因素在生化（huà）反應中可看做獨立的，但在物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（chéng）中的影響。

1.1  固態發酵微生物

真菌（jun1）和細菌是固態發酵使（shǐ）用較多的微生物，

真菌是（shì）比較理想的(如圖所示，真菌菌絲穿過基（jī）質的皮殼到達澱（diàn）粉顆粒（lì）)。接種真菌孢子較營養細胞有一定優勢:接種（zhǒng）方便、靈活且易於保存較長時間和 較高活性（xìng），但也有一定的缺點，如較長的滯後期、孢子接（jiē）種量較大;在孢（bāo）子萌發之（zhī）前需誘導孢子（zǐ）進入代謝活動和（hé）酶係合成以防孢子休（xiū）眠。某些發（fā）酵過程需（xū）要菌絲接 種，如（rú）將毛殼菌菌絲接入（rù）小麥秸（jiē）稈中進行固（gù）態發酵。接種密度(個/克物料（liào）)也是（shì）固態發酵的一個重要影響因子。

1.2  水分和水活度

底（dǐ）物含水量的變化對微生物的（de）生長及代謝能力有重要影響（xiǎng）。低水分將降低營養物質（zhì）傳輸、微生物生長、酶（méi）穩定性和（hé）基質膨脹（zhàng）;高水分將導致顆粒（lì）結塊、通氣不暢和染菌。固態發酵過（guò）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，還與溶質的種類和數（shù）量有關。不同微生物Aw要求也（yě）不同。一般而 言，細菌（jun1）要求Aw在0。90~0。99之間;大多數酵母菌要求（qiú）Aw在0。80~0。90;真菌及（jí）少數酵母菌要求Aw在0。60~0。70。因（yīn）此（cǐ），固態發酵 常用真菌原因就（jiù）是其對水活度要求低，可以降低雜菌的汙染。在固態發酵過程中，由於基質的水解，物質（zhì）的溶出，Aw降低，將（jiāng）延長微生物的滯後期（qī），導致生物量減 少。可以（yǐ）通過加無菌（jun1）水、加濕空氣和安裝噴濕器等方（fāng）法來（lái）提高Aw，以保證（zhèng）菌體正常生長。

1.3  基質和粒度

固態發酵基質常（cháng）為農業副產物、天然纖維素、固體廢料等。具有大分（fèn）子結構的原（yuán）料（liào）其惰性組織將氮源和碳源物質緊緊包裹（guǒ），不利於（yú）發酵，因此原料（liào）的預處 理是（shì）很重要的，主要通過物理、化學或者酶水解等方法（fǎ）降低被包裹或（huò）顆粒粒度，提高基質可利用率。采用天然基質進行固態發酵，隨著微生物的生（shēng）長，作為基質結構 的部分碳源物質被消耗（hào），影響了傳質和傳熱，通常在發酵過（guò）程中加入適量的具有穩定結構（gòu）的支持物來改善。

基質粒度關係到微生物生長及（jí）傳質傳熱效果，將直接（jiē）影響（xiǎng）到單位體積顆粒所能提供（gòng）的反應表麵積的大小，也（yě）會影響到菌體（tǐ）是否容易進入基質（zhì）顆粒內部及氧 的供給速率和代謝產物的移（yí）出速率等（děng）[9]。小的（de）顆（kē）粒可（kě）以提供較大微生物攻擊表麵積，提高固態發酵反應速率，是理想的選擇，但（dàn）是在許多（duō）情況（kuàng）下太小的顆粒容（róng）易 造成底物積團，顆粒間空隙率也減小（xiǎo），導致阻力（lì）增大（dà），對傳熱、傳質產生不利的影響，導致微生物不良生長;大顆粒由於存在較大間（jiān）隙有利於提高傳質和傳熱效率， 還可提供（gòng）更好的（de）呼吸及通氣（qì）條件，但微生物攻擊表麵積較小。

1.4  O2和CO2濃度

固態發酵係統的氣態環境直接影響（xiǎng）到生物量的大（dà）小和酶合成的程度（dù），需要控（kòng）製空氣（qì）流動（dòng）來調整氣（qì）態環境。好氧微生物（wù）的理論呼吸熵(RQ)為（wéi）1。0，低 於1。0將影響氧氣傳（chuán）輸，微（wēi）生物生長受到阻礙，通過測定O2吸收速率（lǜ）和CO2合成速率(發酵尾氣分析儀進行（háng）在線實時測定)，可以判斷微生物的（de）生長程度（dù）(反 應生物量的（de）變化)，通過改（gǎi）變O2和CO2的分壓大小，可以（yǐ）控製微生物的生長和代謝，進而調節固態發酵過程。

1.5  溫度和pH值（zhí）

由於微生物的生長、蛋白質合成、酶（méi）和細胞活性及代謝產（chǎn）物合成對溫度的敏感性，對溫度的控（kòng）製很重要。大多數真（zhēn）菌的生長溫度範（fàn）圍在20~

55，致死溫度在 50~60。在發酵過（guò）程中，微生物代謝產生（shēng）大量的熱，造成品溫上升很快(有時高（gāo）達2/h)，如（rú）果產（chǎn）生的熱不（bú）能及時散去（qù），就會影響孢（bāo）子發芽、生長和產物產 率。又固態發酵不同料層的（de）物料溫度不同(在微生物生長對數期（qī）可超過3/cm)，造成發酵不均一。因此，在固態發酵反應器設計方麵，主要集中在如（rú）何傳熱，到 目前為止，最（zuì）好的解決辦法是通風。

固態發酵過程中由於代謝活動，pH值會發生一（yī）定變化，最常見的（de）是（shì）有機酸的生成，造成pH值下降。不同微生（shēng）物的最適生長（zhǎng）pH值是不（bú）同（tóng）的，真菌生長 pH值（zhí）範圍在2。0~9。0，最適範圍在3。8~6。0;酵母最適範圍（wéi）在4。0~5。0。低pH值可以有效地抑製汙染（rǎn）菌的繁殖。對pH值很難采（cǎi）用合適的技 術（shù）進行（háng）在線測定和控製（zhì），可在發酵原料中加入具有緩衝能力的物質(對反應過程無（wú）影響)來（lái）緩衝pH值的變化。

1.6  通風和攪拌

好氧發酵過程中對氧的需求及係統中傳質（zhì）、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（zhǎng）所需氧氣，又可以移除CO2、 揮發性代謝物和反應熱（rè），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（céng）厚度、培養基水分、反（fǎn）應器幾何特征及機（jī）械攪拌裝置的轉速等。氣（qì）流強 度可作（zuò）為評判通風強弱的標準，通氣質量也很重要(特別（bié）是氣（qì）體濕度，可改變水活度)。合適的通風（fēng）強度和質量可提高對溫度的控製。

由於基質的不均勻性，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、溫度和氣態環境均一性。在選擇基質時，應考慮基質 特性，避（bì）免在攪拌過程中出現結塊現象，但過分的翻動可能損傷菌絲體，抑製菌體生長。間歇攪拌較連續攪拌有（yǒu）較（jiào）好效果，對菌絲體的生長及其在基（jī）質上附著更有 利。

1.7  固態發酵（jiào）反應器

固態發酵反應器是目前限製固（gù）態發酵用於現代生物反應工（gōng）程的一個重要因素。設計反應器需要考慮幾個（gè）方麵的問題:滅菌、接種、傳質傳熱（rè）、取（qǔ）樣、供 氣（qì）、參數的測（cè）量和控（kòng）製等。迄今為止（zhǐ）已有許多類（lèi）型的固態發酵反應（yīng）器問世(包括實驗室（shì）、中（zhōng）試（shì）和（hé）工業生產)，部分用於食用菌、酶（méi）製劑（jì）、動物飼料和（hé）土壤修複等。

1.7.1  淺盤發酵反（fǎn）應器

淺盤發酵反應（yīng）器是所有反應器類（lèi）型中最簡單的發（fā）酵設（shè）備，結構見圖，是傳（chuán）統發酵食品的酒（jiǔ）曲生產采用的反應裝（zhuāng）置，但是，散熱主要通過托盤傳導，即使通電冷卻也不（bú）足以去除代謝熱。此外還有傳質傳熱速（sù）率低造成的高汙染風險和托盤利用率低（dī）等缺點（diǎn）。

1.7.2  流化床反應器

該反應器主要是在（zài）金屬網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，兩種不（bú）同形式的（de）流（liú）化床結（jié）構見圖。反應器的主要參（cān）數是（shì）粒徑大（dà） 小和顆（kē）粒分布，粒徑分布越（yuè）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（fā）酵完成可提高空氣溫（wēn）度直接將產品進行幹燥回收。這（zhè）類反 應器容積率低。

1.7.3  轉鼓式反應器

其基本形式是將一個圓柱形容器支架在一（yī）個轉動係統上，轉動係統主要起支撐及提供動力作用，結構（gòu）示意見圖。轉鼓式發酵（jiào）器轉動速率一般為 1~16r/min，有的可達到更高轉速，真（zhēn）菌菌絲體的破壞程度對轉速較敏感。這類反（fǎn）應器重點（diǎn）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（jiā） 破碎板(網)可以解（jiě）決結塊問題。

1.7.4  圓盤（pán）式反應器

圓盤式反應器底部通常由兩層（céng）金屬網製成，無菌空氣由底部均勻進入1m左右厚的發酵基質。幾個並排的螺旋式攪拌器（qì）在以一定（dìng）的速度（dù）水平運動的（de）同（tóng）時， 還（hái）以適當（dāng）的轉速自轉。在攪拌器上（shàng）還有2~3個噴頭，用於補水，結構示意見圖。本反應器（qì）易於放大進行工業生產，但不能進行無（wú）菌操作，隻能用於自然發酵和混合 發酵過程。

1.7.5其（qí）他

還有根據不同需要製作的不同固態發酵反應器，如氣相雙動態固態發酵技術及裝置(示意見圖。該項（xiàng）技術已成功地從實驗室的2、50、800L放大到25、50、70m3的工（gōng）業級生（shēng）產規模。應用範（fàn）圍涉及到抗生素、酶製劑、有機酸、食品（pǐn）添（tiān）加劑（jì）、生物農藥和生物（wù）肥料等。

2  現（xiàn）代固態發酵技（jì）術的應用

固（gù）態發（fā）酵技術在傳統功能食品和（hé）酒（jiǔ）類釀造（zào）方麵得到了廣（guǎng）泛應（yīng）用，如醬油（yóu）、米酒、豆豉、黃酒和白酒等。從傳（chuán）統固態發酵發展到現代固態發酵，該技術在生 產抗生素、酶製（zhì）劑、精飼料（liào）、有機酸、生物活性物質等方麵（miàn）發揮了重大作（zuò）用，並進一步擴（kuò）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 酵作為潛在的技術引起人們（men）的密（mì）切關（guān）注（zhù）。

2.1  生物轉化

利用固態發酵技術對農作物及農作物殘渣進行生物轉（zhuǎn）化（huà）提高其營養（yǎng）價（jià）值具有巨大經濟價值。現在食品和飼料行業對其利用（yòng）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（qí）營養價值;利用白腐菌或黃（huáng）孢原毛平革菌對（duì）木質纖維素進行降解；利用木黴發酵棕櫚提高其在（zài）飼料行業的利（lì）用率。

2.2  生物燃料（liào）

用農業、工業殘渣固態發酵生產（chǎn）生物燃（rán）料可大致分為兩大類:氣體和液態生（shēng）物燃料。對傳統沼氣進行淨化可得到新型生物燃料;生物製氫是一個相對較（jiào）新（xīn） 的生物燃料的氣體類型，由氫細菌、產酸和產甲烷細菌聯合厭氧發酵（jiào）農工業廢物。液體生（shēng）物燃料最近（jìn）被分為生物乙醇和生物柴油（yóu）。由於（yú）世界能源危機生物乙醇表現（xiàn）出 了振奮人心的重要性，生（shēng）物柴油作（zuò）為石油（yóu）的潛在替代品不斷得到發展。利用固態發酵方法（fǎ）生產生物乙醇有可消除糖的製備過程，節省成本;降低發酵罐體積，無廢 水;降低能耗等（děng）優點，發酵（jiào）過程由酵母（mǔ）產生的（de）轉（zhuǎn）化酶（méi）和酒化（huà）酶對天然（rán）原料(如甜菜、蘋果渣、甜高粱和木薯等)進行轉化。與酒精不同，生（shēng）物柴油是一種酯，生物（wù）發 酵提取的乙基或甲基酯可以（yǐ）與傳（chuán）統柴（chái）油混合或100%地（dì）作為生物柴油使（shǐ）用。Amin等用微藻處理工業廢水生（shēng）產藻油取得突破性進展，藻油經簡（jiǎn）單（dān）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（bú）汙染環境，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製或消滅有害生物的一種防治方法（fǎ），常見的有應用真菌、細 菌、病（bìng）毒和能分泌抗生（shēng）物質（zhì）的（de）抗（kàng）生菌(對（duì）人體和環境不產（chǎn）生公害)。利（lì）用固態發酵生產真菌殺蟲劑，藥（yào）物對害蟲的毒力得到極大的提高。如早期的白僵菌（jun1）、蘇雲金杆 菌殺蟲;又如假（jiǎ）單孢杆菌、哈慈木黴和綠色木黴複合使用能最大限度地（dì）抑製尖孢鐮刀菌香蕉轉化型。使用（yòng）固態發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、內外城市垃（lā）圾處理主要采用填埋、焚燒、發酵等方法（fǎ），其中填埋技術（shù）占地麵積大，不易降解;采用垃圾焚燒技術，其減量化程度高，但投資巨大 且受（shòu）到煙氣排放的製約;發酵技術具有減容、減量及無害化程（chéng）度低及（jí）可再循環利用（yòng）等優點成為國內外垃圾處理方麵的首選。利用固態發酵技術加工處理生活垃圾，不 但解決了資（zī）源短缺等問題，同時降（jiàng）低了垃（lā）圾排放。德國Eggersmann公司采用Horstmann隧道倉（cāng）發酵係統（tǒng）對分類收集（jí）的（de）有機垃（lā）圾、不含重金屬等工 業有害（hài）物進行處理，生（shēng）產（chǎn）高等級的有機肥料，處理能（néng）力（lì）為7。3萬t/年。西班牙巴塞羅那的ECOPARE垃圾綜合處理（lǐ）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，日綜處理能力為1050。t加（jiā）拿大（dà）Edmonton處理廠采用滾筒發（fā）酵工藝技術，每年生產12。5萬t 腐（fǔ）熟（shú）堆（duī）肥。中國廣東（dōng）省博羅縣采（cǎi）用分選、有機垃圾發（fā）酵、肥料加工、可燃（rán）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術對生活垃圾進（jìn）行處理，生產 有機複混肥。

2.5  生（shēng）物修複

固（gù）態發酵生物技術是有毒化合物生物降（jiàng）解與

環境生物修複的有益工具。如國家海洋局第三研究所（suǒ）學者（zhě）利用太（tài）平洋深海紅球菌(Rhodococcussp。TW53)修複石油汙染海水和湖水， 石（shí）油的分解率達到90%，同時收集菌體還可得到富含FA的油脂59。18%。利用P。ostreatus對含有咖啡因（yīn）的物質進行（háng）固態發酵進行生物修複可達 到對咖（kā）啡因（yīn）降解的目的。希臘（là）學（xué）者（zhě）利用微生物去除垃圾填埋場中的腐植酸，去除（chú）率（lǜ）可達85%以上。

轉自河南工業大（dà）學學報 ( 自然（rán）科學版 ) 第 3 2卷第 1 期（qī）《現代固態發酵技術工藝、設備及應用研究進（jìn）展》作者：李浪、楊旭、薛永亮