固态发酵工艺条件的控制方法

固态发酵是种接近自然状态的发酵，它与液态深层发酵有许多不同，其中最显著的特征就是水分活度低和发酵不均匀。菌体生长、营养物的吸收和代谢产物的分泌在各处都是不均匀的，使得发酵参数的检测和控制都比较困难，许多液态发酵的生物传感器也无法应用于固态发酵。

至今为止，在报道的文献中还没有见到较为完善的关于固态发酵的数学模型（虽然有一些关于固态发酵动力学研究报道，但都是以图表的形式出现）。固态发酵研究仍然停留在以经验为主导的水平上。目前固态发酵可测或可调的参数主要有：培养基含水量、空气湿度、CO2和O2的含量、pH值、温度和菌体生长量等。

1.发酵基质的形态特性

固态发酵所用的基质常为农业副产物、天然纤维素、固体废料等。微生物要在其上进行生长并产生代谢产物，必然会受到反应基质本身的物理因素（几何形态、表面积大小、颗粒大小、颗粒含有孔隙体积的大小等）和化学因素（聚合度、结晶度、亲水性、疏水性和电化学性质等）的影响。目前研究较多的是基质颗粒大小和其孔隙大小对固态发酵的影响。

基质颗粒大小直接影响单位体积颗粒所能提供的反应表面积的大小，也会影响菌体是否容易进入基质颗粒的内部及氧的供给速率和代谢产物的移出速率等。采用小颗粒的反应基质，可以明显提高固态发酵的反应速率。但应注意，随着颗粒减小，发酵物料的孔隙率亦将减小，可能导致床层阻力将增大，还会对传质传热产生不利的影响，因此应寻求适宜的颗粒度。

基质的孔隙率大小是人们关注的另一个特性。增大基质的孔隙率有利于提高固态发酵过程的传质速率。但是对固态发酵来说，基质的孔隙大小和基质间的空隙大小在反应进行的过程中是会发生变化的，一方面由于菌类（如丝状真菌）会进入到基质之间的空隙和基质颗粒内部的孔隙进行生长，从而导致孔隙变小；另一方面又由于基质的消耗会使其增大。在固态发酵中，原料粉碎得细，可提高原料的利用率和产量；但原料过细，又影响氧在基质内的传递。因此在固态发酵中，还需加入可增加基质间的空隙、利于通风的填充料。

2.物料的营养成分

固态发酵的原料可分为两部分：一是供给养分的营养料，如麸皮、豆粕、无机盐等；二是促进通风的填充料，如稻壳、玉米皮、花生皮等。所用原料，特别是营养料，一定要选用优质的，不能霉烂和变质。

营养物质间的配比也特别重要，培养基中碳和氮的比例（C/N）对微生物的生长和产物形成常有很大影响，碳氮比不当，会影响菌体按比例吸收营养物质。氮源过多，菌体生长过于旺盛，不利于某些代谢产物的积累；氮源不足，菌体繁殖缓慢；碳源物质缺乏，菌体容易衰老和自溶。在不同的固态发酵工艺中，最适碳氮比在10～100范围内变化。因而在固态发酵中，要通过实验确定最佳的营养物组成。此外，碳源和氮源的可利用性以及氮源的品质，对固态发酵也是至关重要的。如在酶制剂的生产中，保持总含氮量不变，而只改变氮源，其蛋白酶活力就有可能发生很大变化。

3.物料含水量和pH

由于固态发酵最大的特点是无游离水存在，因而基质含水量的变化，必然会对微生物的生长与代谢能力产生重要的影响，固态发酵体系所含的水分应包括两部分，即基质含水量与气相中含有的水分。

水是发酵的主要媒质，基质含水量是决定固态发酵成功与否的关键因素之一。普遍的看法是，含水量过低，不利于菌体的生长；含水量过高，不仅增加了氧的传质阻力，还增加了杂菌污染的可能性。基质的含水量，应根据原料的性质（细度、持水性等）、微生物的特性（厌氧、兼性厌氧或需氧）、培养室条件（温度、湿度、通风状况）等来决定。含水量较高，导致基质多孔性降低，减少了基质内气体的体积和气体交换，难以通风、降温，增加了杂菌污染的危险；而含水量低，造成基质膨胀程度低，微生物生长受抑制，后期由于微生物生长及蒸发造成物料较干，微生物难以生长，产量降低。在固态发酵中，基质水分含量应控制在发酵菌种能够生长而又低于细菌生长所需要的水活性值，一般起始含水量控制在30%～75%范围内。(www.xing528.com)

在发酵过程中，水分由于蒸发、菌体代谢活动和通风等因素而减少，应进行水分补充，一般可采用向发酵器内通湿空气、增加发酵器内空气的相对湿度或在翻曲时进行两次加水（无菌水）等方式来解决。

pH也是影响微生物生长代谢的关键因素之一。但固态发酵中某些物料的优良缓冲性能有助于减少对pH控制的需要。所以固态发酵时，只要把初始pH调到所需要的值，发酵过程通常不用检测和控制pH。但培养基中氮源对pH影响较大，如使用铵盐做主要氮源时，易引起基质酸化。所以固态发酵铵盐用量不可太大，可利用一些有机氮源或尿素来替代一部分铵盐。

4.通气速率与气体组成

固态发酵通入空气的目的是提供反应所需要的氧、移走反应热和产生的二氧化碳，提高传质速率。对于固态发酵，氧直接与固态基质表面上的微生物相接触，它的传质阻力较小。其传质阻力主要来自固态基质表面上的一层液膜，研究结果表明，提高通气速率，可以提高传质速率，改善反应器床层内温度与浓度分布，但又易使基质含水量下降。

氧和二氧化碳的分压大小也是影响固态发酵的重要因素，大多数的研究成果是：提高氧的分压，对微生物的生长与代谢会产生有利的影响，或为直线上升，或在某一范围内有一最大值；提高二氧化碳的分压，则会产生不利的影响，或为直线下降，或为在某范围内下降。由于微生物的生长，在固体表面形成菌膜并使基质结块，基质被代谢而变黏，因而随着微生物的生长，可能造成基质内局部区域缺氧而影响生长。另外基质的高含水量或使用较细的基质料，也会影响基质内氧的传递。

为了防止基质内缺氧和增加基质内氧的浓度，促进微生物生长，通常采用通风、搅拌或翻动来增大氧的传递。通风是最常用和有效的方法，除可以增加氧的传递，还有利于热交换。翻动或搅拌虽可防止物料结块，并且利于热交换，但过分的翻动或搅拌会影响菌体与基质的接触，并可能损伤菌丝体，使水分蒸发过多而使物料变干，抑制菌体生长。生产中可将上两种方式结合起来使用。此外增加氧传递的常用方式还有：采用较薄的基质层；使用多孔的、较粗的利于氧传递的疏松性材料作基质填充料，如稻壳等；使用带孔的培养盘；采用降低物料含水量、中间补水工艺等方式。

5.温度和湿度

固态发酵的温度是个重要的可调节参数。微生物在生长和代谢过程中需要释放大量的废热。尤其是在发酵前期，菌体生长旺盛，麸曲的温度（俗称品温）上升很快，有时高达每小时2℃左右。这些废热如果不及时排除，菌体的生长和代谢就会受到严重影响，有时甚至会造成“烧曲”，菌体大量死亡，发酵彻底失败。降低品温的方法除了加大通气和喷淋无菌水外，适当翻曲也是必要的。如果生产处于夏季，降温困难（尤其在我国南方，夏季气温高，空气湿度大），采用短时间液氨制冷或空调制冷来降温也是可取的。

湿度是指发酵器内环境空气的湿度。空气湿度太小，物料容易因蒸发而变干，影响生长；湿度太大，影响空气中的含氧量，造成环境缺氧，又往往因冷凝使物料表面变湿，影响菌体生长或污染杂菌，影响产品质量。所以空气湿度应保持一适宜值，一般保持在85%～97%。

温度和湿度可用计算机进行联合控制。其原理是：当床层温度过高或过低时，可通过加快或减慢水的蒸发速率使床层或冷却降温或受热升温；水的蒸发速率则是通过控制进入反应器的空气湿度大小来实现的；而空气湿度大小则是通过调节两股空气（一股干空气，一股湿空气）流量的相对大小来进行的。