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1、固态发酵技术 （ techniques of Solid-state fermentation）,江南大学生物工程学院微生物制造及生态工学研究中心许赣荣,发酵（fermentation）,发酵工程是生物工程的重要组成部分。发酵：利用微生物生长和代谢活动，通过现代化工程技术生产有用物质，或服务于社会。发酵分为液态发酵，半固态发酵和固态发酵固态发酵：发酵培养基是固态物料；液态发酵：发酵培养基是液态物料。,本课程主要内容,第1章 绪论1.1 固态发酵的定义1.2 固态发酵技术发展简史1.3 固态发酵基本过程1.4 固态发酵的特点1.5 固态发酵的应用第2章 固态发酵原料的预处理及设备2.1 固态发酵
2、原料及预处理技术及特点2.2 固态原料蒸煮、膨化、及焙炒技术2.3 固态物料的输送特点及设备,第3章 固态发酵微生物3.1 固态发酵多菌种培养及特点3.2 固体种曲扩大培养技术3.3 固态发酵菌体量的测定 第4章 固态发酵生物反应器4.1 固态发酵生物反应器的构造和基本性能要求4.2 固态发酵生物反应器的分类4.3 传统固态发酵设施或装置4.4 现代固态发酵反应器4.5 固态发酵反应器的配套设备,第5章 固态发酵质量和热量的传递及平衡5.1 概述5.2 固态发酵物料的特性5.3 固态发酵过程氧的传递5.4 固态发酵水的传递与物料平衡5.5 固态发酵物料质量传递与物料平衡5.6 固态发酵热量传递
3、和平衡 第6章 固态发酵及下游过程6.1 固态发酵生产的三个阶段6.2 固态发酵的操作方式6.3固态发酵工艺条件及控制6.4 固态发酵产品的灭菌技术,第7章 几种典型的固态发酵7.1 固态发酵在块曲培养中的应用（好氧类，块状物料，大曲和小曲）7.2 固态发酵在散曲培养中的应用（好氧类，颗粒状物料，酱油曲和红曲）7.3 固态发酵在老窑白酒发酵中的应用（厌氧发酵）7.4 固态发酵在农业中的应用（生物肥料，农药，饲料，食用菌）,教材及参考资料：1 固态发酵原理、技术和应用.许赣荣，胡文锋.化学工业出版社，20092 Mitchell D.A., Krieger N., Bevovic M. Soli
4、d-State Fermentation Bioreactors. Fundamentals of Design and Operation M. Berlin: Springer, 2006.,本章主要内容,1 固态发酵概述2 固态发酵的基本过程3 固态发酵的应用,1 固态发酵概述,1.1 固态发酵定义1.2 固态发酵特点1.3 固态发酵技术简史,各种固态培养的酒曲,例：红曲米固态发酵右图：通风池式下图：浅盘式,1.1 固态发酵的定义,固态发酵过程定义：微生物在几乎没有游离可流动水的培养基质上的生长过程及生物反应过程。固态发酵物料，或称为基质（substrate），既是微生物生长的营养源，是
5、微生物生长的微环境，也是发酵产物的聚集地。,物料含水量并不是表示物料状态的唯一指标。固态物料含水量：40%-80%。有些发酵，物料含水量很大，仍可看作是固态。原因：物料亲水性能好，尽管含水量高，但几乎没有可流动的游离水。可看成是固态发酵。例如：烟梗，料水比达110，才有游离水出现。水的作用：溶解作用；高热容量载体；加速质量传递；物料孔隙的填充作用； 氧的载体；固态发酵物料含水量下降，使物料的许多性能不同于液态发酵。,在物料层内同时存在固、液、气三相，故各相之间存在界面。由于发酵物料颗粒较小，颗粒具有很高的比表面积（表面积与体积之比）；这为物质传递（如营养物质，水分、氧气-二氧化碳交换）及热量传
6、递提供了很大的界面。界面的存在：固-液界面；气-液界面；面积增加，有利于质量和热量传递；但界面上存在很强的传递阻力,1.2 固态发酵技术发展简史,固态发酵技术最早始于酒曲的制造及酿酒。我国传统的酿造技术以固态发酵为主。书经说命篇：“若作酒醴，尔惟曲蘖”。“曲”的繁体字是“麴”， “麴”是麦子等谷物原料经罨（包）制而成的，即是发霉的谷粒制成的.周礼宫伯记载王室“酱用百有二十缶” 晋代江统作酒诰：“酒之所兴，肇自上皇，或云仪狄，又云杜康。有饭不尽，委馀空桑，郁积成味，久蓄气芳，本出于此，不由奇方”。,在农业出现前后，贮藏谷物的方法粗放。天然谷物受潮后会发霉和发芽，吃剩的熟谷物也会发霉。发霉发芽的谷
7、粒，就是上古时期的天然曲糵，将之浸入水中，便发酵成酒。人们受到自然发酵的启发，开始人工制作酒曲并用之于酿酒，酿酱，酿醋等。这就是固态发酵技术的起源和发展。,山东诸城凉台出土东汉时期的画像砖-庖厨图中的酿酒画面,北魏贾思勰齐民要术：九例酒曲制法的详细记载，都是块状曲。块曲的制造有了专门的曲模，称为“范”，有铁制的园形范，有木制的长方体范，其大小各异。“神曲”是用手团成的，直径2.5寸，厚9分园型块曲，糖化发酵力已相当于现在的“小曲”， “神曲”的用量只占米用量的3%左右。还有一种被称为“笨曲”的则是用1尺见方，厚2寸的木制曲模，用脚踏制而成。相当于大曲。,唐宋时期的酒曲生产技术基本成型。唐末成书
8、的“四时撰要”：“竖曲如隔子眼”的描述，说明了酒曲在曲房中的堆积的方式；北宋末期的朱肱著北山酒经，对当时的制曲酿酒技术进行了全面而精辟总结。其中所提到的掌握制曲时的物料水分、温度、适时通风和翻料技术等，在现代也仍然有相当高的借鉴作用。制曲时人工接种的方式，即：“团成饼子，以旧曲末逐个为衣”。即把新制成的曲块团放在陈曲粉末上滚动一下，陈曲粉末便粘在新曲团的表面，陈曲末中因有大量的霉菌孢子，可以在曲团上迅速繁殖，形成生长优势。,明代宋应星的天工开物中的红曲制造,民国时期制曲情形,我国传统酿造技术绝大多数是固态发酵：白酒酿造：酒曲（固态）；酒窑发酵（固）黄酒酿造：酒曲（固态）；发酵（半固态）醋：曲（
9、固）；酒醅（固，半固）；醋醅（固态）；酱油：米曲（固态）；发酵（半固）；豆豉：固态；酱：曲（固态）；酱（半固）,2 固态发酵的基本过程及特点,2.1 固态发酵基本过程原料的预处理：原料经过预处理，便于微生物的作用；（备料、成型、灭菌、物料降温、进料）；菌种扩大培养阶段：短时内繁殖大量微生物作为种子；培养基上菌体的生长阶段：使微生物在原料上处于生长优势；发酵阶段：微生物代谢，酶解，生成产物；（发酵控制，如通风、控温、控湿、搅拌翻料）；后处理阶段（出料、浸泡及产品提取、烘干、磨粉或磨浆、灭菌处理等操作）,固体发酵原料,固体发酵原料（天然物质）谷物原料：如小米，小麦、玉米、大米、大豆（或豆粕）、麸皮
10、；纤维素类原料：木屑和秸杆等；废异物：餐厨余物，生活垃圾；有的由单一物料组成，有的则由多种物料配成。,固态发酵微生物,霉菌：最常用的是霉菌。酱，酒，醋等放线菌：抗生素发酵常用；细菌：肉制品，纳豆，豆豉等酵母菌：酿酒,2.2 固态发酵的特点,固态发酵，物料的水含量低，水活度低。由于固体物料的比热容值与水的比热容值要小得多，且物料水分含量越低，故物料热传导系数很小。但单位体积发酵基质的产热量却较多。固态发酵物料的颗粒特性、颗粒粒径大小不同的特性、菌丝缠结导致物料结块特性，使基质的混合和扩散都较困难，容易形成温度、基质浓度及产物浓度的梯度。氧气和其它非极性气体的溶解度和扩散性较好。,霉菌的固体培养，
11、比液态培养更容易产生孢子。某些霉菌，在固态培养状态下，产生的酶更多，次级代谢产物的产率更高（如青霉素，赤霉酸）。固体培养，菌体量的测定比较困难。有的固态发酵产品，无需提取纯化，直接可用于生产或直接使用。相对于液态发酵来说，传统固态发酵方式，能量消耗低，生产成本低；大多没有废水排放，但有时会有大量的固态废渣。传统固态发酵手工操作较多，故劳动强度大。,固态发酵和液态发酵的比较,固态发酵和液态发酵的比较,固态发酵和液态发酵的比较,固态物料的输送,大多数情况下，发酵物料的预处理，发酵和后处理三个过程是分别在不同的设备中完成的，故固态物料的输送是必需的。固态类物料的流动性能差，其输送不像液态发酵那样可完
12、全用泵输送。固态物料输送的方式很多。取决于物料类型。涉及到无菌操作的物料输送，则相当困难。,3 固态发酵的应用,固态发酵技术常应用于酿造和食品加工行业，现代以来在化工、环保、制药及冶金等行业也大显身手。在环保意识加强的今天，许多企业开始考虑用固态发酵取代液态发酵，以减少废水排放。,3.1固态发酵在酿酒行业的应用,主要体现在制曲和酿酒都是采用固态发酵方式酒曲：水分含量低（50%）；自然微生物接种，混菌发酵；曲室培养；酒曲是酿酒时糖化发酵所用的粗酶制剂，曲广泛应用于酿酒、醋、酱油、酱等酿造食品；曲品种繁多，如小曲、麦曲、大曲等，都是采用固态发酵技术生产。曲的多重作用：微生物生长的载体：在发酵过程中
13、微生物不断繁殖，生长，直至死亡。微生物分泌酶，参与合成或分解代谢，代谢产物赋予酒的各种香味成分；曲中还含有酵母菌和细菌等微生物，故起到酒精发酵的作用及产酯增香作用。曲是生产原料，曲中所含有的残余淀粉等成分参与发酵。曲可作为菌种留存的载体。,传统踏曲操作,各种酒曲,固态法酿酒：,中国的酿酒行业采用固态发酵技术非常普遍，并成为传统特色。名优白酒：大都采用固态发酵法生产。黄酒、甜酒娘：常用半固态发酵法。,1573国窖-中国最早的酒窖,摊晾拌曲过程,拌糟,左图：上甑蒸酒下图：接酒，看酒花,黄酒发酵和白酒发酵反应器,窖内各甑发酵材料的排列顺序示意图,3.2 固态发酵在食品工业中的应用,主食类：面包，馒头
14、等副食品：调味品：酱油，醋，酱，豉豉，腌菜等保健食品：灵芝，樟芝食用菌：,食醋：三个阶段：制糖阶段：淀粉水解成糖；酒精发酵 阶段（酵母菌）；酒精氧化成醋的阶段（醋酸菌）酿醋是在酿酒的基础上再经过醋酸菌的发酵，使酒精转变为醋酸。传统食醋的酿酒阶段和醋酸发酵阶段都可采用固态发酵法进行。,醋的生产方法,加酵母,酒精发酵,人工翻醅,酿醋,发酵池的人工/机械翻醅,封醅发酵,醋的过滤,酱类食品,酱油、豆酱，是以大豆或其它豆类为主原料生产的调味品，采用米曲霉作为发酵微生物，以大豆及小麦粉为培养基培养米曲；米曲的蛋白酶和淀粉酶完成大豆蛋白及淀粉的水解。酱油和豆酱生产的几个主要阶段都是固态发酵，如米曲的培养，酱
15、醅的低盐固态发酵等。但前者是微生物培养为主的过程，后者是微生物酶对米曲中大分子的水解过程。,固态发酵法酱油生产流程大豆酱工艺流程,酱油,豆粕，小麦粉为原料经米曲霉培养成曲曲中含蛋白酶，可水解蛋白质加盐水，酶解成富含氨基酸的咸味调味品,种曲培养-培养室竹匾（浅盘）,圆盘制曲机制曲,酱油发酵池,豆豉和纳豆,豆豉目前仍是我国传统的调味发酵食品。用枯草芽孢杆菌或霉菌发酵而成。（蛋白质适度水解）纳豆类似于中国的豆豉。纳豆是以大豆为原料，经纳豆枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis natto)固态发酵而成。,面包和干酪制品：,面包：酵母的发酵作用，产生气泡。馒头：发面干酪是由牛奶经细菌等发酵制
16、成的一种营养价值很高的食品。,腐乳和腌菜：,腐乳是一种传统的调味品，以豆腐干为原料，经过毛霉发酵，将豆腐中的蛋白质进行分解，产生美味可口的腐乳产品。腌菜，作为一种美味可口的调味菜，是乳酸菌在蔬菜上固态发酵后得到的产品。,发酵肉制品：,香肠，采用自然微生物发酵或人工接种微生物发酵，使肉制品的风味更加丰富。,色拉米香肠,食用/药用菌：,香菇、木耳和灵芝等食用真菌（或药用真菌）深受人们的喜爱，如今各种各样的食用菌或药用菌的栽培遍及全世界。这是利用木质纤维原料进行的固态发酵。,虫草,工厂化培养金针菇,金针菇培养,3.3固态发酵在农业中的应用,饲料的生物脱毒：棉籽饼粕，菜籽粕的脱毒；生物饲料及添加剂：菌
17、体蛋白；活性乳酸菌；饲料用酶；饲料用维生素；生物肥料：根瘤菌肥 复合微生物肥料、菌根真菌生物肥料、抗病生物肥料、降解化学农药的生物肥料和腐植酸生物肥料 生物农药：真菌杀菌剂，如白僵菌,白僵菌固态发酵反应器,3.4固态发酵技术在医药中的应用,有些固态发酵产品最早是药用的，如酒，酒曲。抗生素：利用微生物的作用，在固态发酵状态下，生产次级代谢产物抗生素；中药的发酵：有些中药，本身就是固态发酵技术生产的，如降脂用功能性红曲；现代利用固态发酵技术对中药中的有关成分，或药用成分进行微生物的转化，或酶的催化，使中药的药效成分更有效，或更突出。,组织工程制品,组织工程制品可作为皮肤、肌腱、软骨、骨、小肠、肝等
18、组织和器官的修复物或替代物。其基本策略之一是将活细胞培养于生物材料之中。活细胞和生物材料组成的混杂体系的培养过程，就是一个固态培养过程。,3.5固态发酵在环境保护中的应用,固态发酵技术处理废弃物有两种选择：生物固态堆肥技术，将固态有机废物转化为生物肥料；利用有机固态废物转化为能源物质。目前较为可行的是有机固态废物发酵成能源物质，如甲烷、氢气和乙醇，或燃烧直接发电。太湖蓝藻的沼气发酵；餐厨余物的固态沼气发酵。,3.6 固态发酵在其它行业的应用,生物能源：由于淀粉类原料生产乙醇会造成全球性的粮食危机，利用纤维素类原料生产乙醇及利用固态有机废物发酵生产甲烷被认为是一种可替代的方案。固态发酵技术可望在
19、以下几方面为生物能源作出应有的贡献：（1）纤维素类分解酶（纤维素酶，半纤维素酶，木质素酶等）的固态发酵，以降低酶的生产成本；利用同时进行酶解和发酵的固态发酵技术将纤维素类物质发酵成乙醇。（2）生物质有机固态废物的甲烷发酵。,烟叶发酵：烟叶得在一定的温度和湿度下自然陈放，烟叶上带有微生物，烟叶本身也具有活性酶，贮存过程也是一种固态发酵。烟叶发酵分自然发酵、人工接种发酵。目前主要是靠自然发酵，使烟叶成熟，具有陈香味。发酵作用，主要是靠酶作用，使烟叶质量发生变化。,茶叶发酵：有些地区的茶叶生产过程中，在杀青之后，再进行自然发酵过程。茶叶品种中有一大类，即红茶，也称为发酵茶，如沱茶，普洱茶。,生物浸矿,是利用特定的微生物（细菌）对某些金属硫化物的氧化作用，使矿石中的金属离子溶解、富集的湿法冶金技术。在微生物酶的催化氧化作用下，将矿物质中的有价金属以离子形式溶解到浸出液，金属离子再通过萃取-电积或其它湿法制备高纯度金属；或将矿物质中有害元素溶解并除去。,
