混合发酵
限于传统发酵食品的生产
扩大了固态发酵的应用范围 操作能耗低，设备投资小，劳动强度
增加了操作能耗，设备投资大 大
需要无菌处理发酵原料
可直接利用粮食和纤维素原料，价格 低廉
适宜于分离纯化高附加值产品 一般产品后处理简单，可直接烘干
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第二节 固态发酵的分类
• 按微生物的情况和形成的产品条件不同分类 – 自然富集固态发酵 – 强化微生物混合固态发酵 – 限定微生物混合固态发酵 – 单菌固态纯种发酵。
质过程； – 搅拌过程中剪切效果。
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1，气体与固体培养基颗粒间的传质
• 在固态发酵中，最重要的颗粒间传质是氧从 基质空隙向微生物的转移。空隙部分在基质 内大小由基质本身的性质(如多孔性)、颗粒 大小和含水量所决定。有时为了增加基质的 空隙率，可以专门添加诸如谷壳之类的疏松 材料以利于通气。基质的含水量也与氧向空 隙的转移紧密相关，因为过多游离水妨碍空 气的流动。对一定的空隙率来说，氧在颗粒 间转移可由搅拌相通气来实现，定时翻醅、 间歇或连续通风都是经常使用的方法。
bread
don’t worry, in another year it will be gone
Hein de Kort 1
本章的主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
概述 固态发酵的分类 固态发酵反应器 影响固态发酵过程的主要参数与控制 固态发酵的应用
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第一节 概述 固态发酵(SSF)
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2，颗粒内氧的扩散
• 在物料性质一定的情况下，颗粒内部的 溶氧水平与颗粒半径的大小有关，并存 在一个临界半径，在该半径以内的部分 ，溶氧水平接近为零，好氧微生物在此 半径以内不能正常生长。颗粒内部菌丝 顶端的供氧问题，是固态发酵中比较关 键的传递过程，目前仍没有切实可行的 解决方法，氧在这样复杂的真菌-基质 颗粒内的扩散动力学还远没有被认识。
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• 按固态发酵固相的性质分类
– 以农作物(如麸皮、豆饼等)为底物的 固态发酵方式
– 以惰性固态载体为固态发酵过程中的 固相的固态发酵方式（惰性载体吸附 固态发酵）
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第三节 固态发酵反应器
一、浅盘式固态发酵反应器
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二、转鼓式固态发酵反应器
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三、旋转圆盘式固态发酵反应器
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柱 式 固 态 发 酵 反 应 器
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固态发酵与液态发酵的比较
优点
1.培养基含水量少，废水废渣少，环境污 染少 ，容易处理。
2.能源消耗量低，供能设备简易。 3.培养基原料多为天然基质或废渣，广泛易得
，价格低廉。 4.设备和技术较简易，较低的投资。 5.产物浓度较高，后处理较方便。
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固态发酵与液态发酵的比较
缺点 1.菌种限于耐低水活性(aw)的微生物，菌
• 由于固态发酵反应器内部传热和传统夹 套散热的局限性，传热问题是固态发酵 过程中最大的障碍。
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3，解决措施
• 强制通风； • 冷凝蛇管或夹套冷却。
通气、温度、湿度控制相耦合
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三、通气与传质过程
• 微观过程：传质过程发生在发酵微生物细 胞水平上。
• 宏观过程：
– 空气进入和排出生物反应器的过程； – 空气流动而发生的自然对流、扩散过程 ； – 在生物反应器壁内与周围环境之间发生的传
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• 国内药用真菌固态发酵生产工艺现有两 类：
– 有渣型：用甘蔗渣、玉米芯、麦麸、米糠 等作为基质，接种、发酵，经热水、乙醇 等提取成分后制剂的工艺。
– 无渣型：用玉米粉发酵后直接烘干制剂的 工艺。
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环境
• 固体废弃物的固态发酵 • 土壤固态修复
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固体废弃物的固态发酵
• 固体废物是人们在生产建设、日常生活 和其他活动中产生的，在一定时间和地 点无法利用而被丢弃的污染环境的固体 、半固体废物。主要包括生活和生产过 程产生的残渣，例如城市生活垃圾、工 业生产废渣、农副产品加工残余等；也 包括废水少物处理过程中的剩余污泥， 过滤、沉淀等分离到的固体物等。
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生物肥料
• 微生物肥料又称菌肥、接种剂，是一种以微 生物生命活动使农作物得到特定肥料效应的 微生物制剂。它的肥料效应一般认为是广义 的，不仅仅是营养物质方面，也包括了对作 物生长刺激、调控，协助作物吸收水分以及 由于接种微生物在作物根际的广泛生长而降 低或抑制有害微生物的存活，表现出减轻一 些病(虫)害的效用。
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豆腐乳
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豆豉
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二、酶制剂
• 淀粉酶 • 纤维素酶 • 蛋白酶
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淀粉酶
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三、农业
• 生物农药 • 生物肥料 • 生物饲料
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生物农药
• 生物农药又称生物源农药，一般是指直 接利用自然界有益的生物或从某些生物 中获取的具有杀虫、防病等作用的生物 活性物质。人体直接摄入这类产品不产 生危害，人体可以对其分解利用。这类 物质进入生物圈后，极易被阳光或环境 微生物分解，因而不产生公害。
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控制措施
• 在培养基中添加缓冲液； • 用脲而不用铵盐作为主要氮源。许多
情况下则是靠固态物料强大的缓冲能 力来维持的。
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第五节 固态发酵的应用
• 传统食品 • 酶制剂 • 农业 • 医药 • 环境 • 生物冶金
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一、传统食品
• 酒曲 • 酱油曲 • 豆腐乳 • 豆豉
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酒曲
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酱油曲
充足的水环境； • 影响微生物对氧的利用。
微生物能否在底物上生长取决于该基质的水活 度αw，它与底物的含水量W有关。
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• 底物的性质、最终产物的类型及微生物 的需求共同决定底物含水量的水平
– 细菌要求水活度0.9~0.99； – 酵母菌要求水活度0.8~0.9； – 真菌和少数酵母菌要求水活度0.6~0.7。
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1，固态发酵过程中热量传递过程
• 固体培养基颗粒内热量的传递过程； • 热量在颗粒表面到颗粒间气相的传递 。
如果没有强制通风，热量从固体培养基 表面到气相的传递主要以热传导的方式 进行。
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2，存在问题
• 由于固态基质多为有机质，导热性能差 ，没有自由流动的液相，导致在固态发 酵过程中热量传递困难。料层内存在着 较大的温度梯度，因而不利于微生物的 生长和产酶。
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3，氧气从气相主体到微生物的传 递过程
• 固态发酵没有自由水。微少物直接从空 气中汲取氧。但很多操作因素与培养基 特性影响氧的传递速率，如空气压力、 通气率、基质的空隙率、料层厚度、基 质湿度、反应器几何特征及机械搅拌装 置的转速等。基质表面湿度足以形成一 层液膜，是传质的控制因素。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4，改善传质状况的措施
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• 影响固态发酵过程的主要参数有：
– 温度 – 湿度 – pH值 – 气相组成
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一、湿度与水活度
• 含水量
W
=
物料湿重 − 物料干重 物料湿重
• 水活度
αw
=
p pa
p：为湿料饱和蒸汽压
p
：为同样温度下纯水饱
a
和蒸汽压
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1，水对固态发酵的影响
• 水对物料的理化性质有复杂的影响； • 水在固态发酵中为微生物生长提供营养
– 利用来源广泛的废弃物、矿物、纤维素及糖 类资源培养的微生物菌体蛋白。
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• 药用真菌
– 猴头菌 – 蜜环菌
医药
猴头菌
蜜环菌
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• 药用真菌固体发酵的历史，可追溯到约 2500年前中药神曲的制作，此后很长的 历史时期内没有什么新发展。直到20世 纪70年代，才有猴头、亮菌等新品种出 现。发酵时多采用农副产品为基质，较 适用于能耐受湿度较低的丝状真菌。
Aspergillus oryzae on
wheat
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为什么要利用固态发酵?
• 产品品质较高 • 较高的产率或产品浓度 • 下游处理比较方便，廉价 • 较少的废水排放 • 稳定的固态副产物 • 发酵技术成本较低
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固态发酵的特点
• 在固态发酵中，微生物是在接近于自然 条件的状况下生长，有可能产生一些液 体培养中不产生的酶和其它代谢物。
第十五章 固态发酵
从传统手艺到科学技术
I bought this bread a year ago
what a glorious moment ...
but look ... it has little green
hairs !
ah ... the wonders of
nature
actually, I don’t like
种选择性少。 2.发酵速度慢，周期较长。 3.天然原料成分复杂，有时变化，影响发
酵产物的质和量。 4.工艺参数难测准和控制。 5.产品少，工艺操作消耗劳力多，强度大
。
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现代固态与传统固态发酵的比较
现代固态发酵
传统固态发酵
在密闭的固态发酵反应器中进 在极为简单的发酵容器中或敞口式固
行
态发酵
采用单一菌株纯种或限定菌株 基本是自然富集发酵或强化菌种发酵
Photograph Bavaria
传统
霉菌发酵干酪, 蘑菇栽培, 发酵香肠, ...
工业化 air
食品及饲料用酶制剂 酱油, 制麦, 蘑菇菌丝体, 控制有害物真菌, ...
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What is Solid-State Fermentation（SSF）?
• Solid-State Fermentation is the cultivation of micro-organisms on moist solid raw materials, such as grains, beans or wheat bran. This is an alternative to the cultivation of micro-organisms in liquid nutrient broths (submerged fermentation), which is the work horse of the fermentation industry in the West.