KNOWLEDGE
技術知識
固體發(fā)酵條件和影響因素
1 基質
微生物要在基質上進行生長并產生代謝產物，必將受到底物本身的物理因素 (底物顆粒大小、形狀、空隙率、纖維含量、黏度、顆粒之間擴散等 )和化學因素(聚合度 、疏水性、結晶度及電化學性質等)的影響。底物顆粒的尺寸及濕度或水活度在固態(tài)發(fā)酵中對微生物的生長與活性最重要。 底物顆粒的大小直接影響到單位體積反應表面積，也會影響顆粒間菌體生長、氧的供給率及二氧化碳的移出率等。小的底物顆?？梢蕴峁┹^大微生物生長表面積 ， 可以明顯提高固態(tài)發(fā)酵反應速率 ．被認為是理想的選擇。但是，在許多情況下太小的顆粒容易造成底物結團 ，顆粒間空隙率也減小，導致阻力增大，對傳熱、傳質產生不利的影 響 ，以致于妨礙微生物的呼吸或通氣， 結果導致微生物不良生長；大顆粒由于存在較大間隙有利于提高傳質和傳熱效率，還可提供更好的呼吸及通氣條件，但提供較小的微生物生長表面積，降低了固體發(fā)酵效率。所以對于固體發(fā)酵過程，選擇合適的顆粒是十分必要的。
2 水分和水活度
底物含水量的變化對微生物的生長及代謝能力有重要影響． 低水分將降低 營養(yǎng)物質傳輸、微生物生長、酶穩(wěn)定性和基質膨脹；高水分將導致顆粒結塊、通氣不暢和染菌。固態(tài)發(fā)酵程中水分含量范圍應控制在30 ％-85 ％。不同微生物發(fā)酵，水分應該是不同的。
微生物能否在底物上生長取決于該基質的水活度。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。不同微生物水活度要求也不同。一般而言，細菌要求水活度0.90～0.99 之間；大多數(shù)酵母菌要求水活度在0.80～0.90； 真菌及少數(shù)酵母菌要求水活度在0.60 —0.70 。 在固態(tài)發(fā)酵過程中，由于基質的水解，物質的溶出，水活度降低，將延長微生物的滯后期，導致生物量減少。可以通過加無菌水、加濕空氣和安裝噴濕器等方法來提高水活度，以保證菌體正常生長。
3 pH值
目前，世界范圍內對于這方面的研究很少，但p H 值是影響發(fā)酵過程的重要因素，由于固態(tài)物料的含水量偏低 ，固態(tài)發(fā)酵中的p H 值檢測手段難以應用。 一般認為，固體發(fā)酵過程中，由于物料良好的緩沖性，只要調節(jié)好初始pH 值 ，發(fā)酵過程中不必對其進行監(jiān)測和控制。在實際過程中，菌體代謝會導致物料 pH 值發(fā)生較大變化。
4 溫度
溫度是影響微生物生長的重要因素，直接關系到發(fā)酵過程的正常進行和最 終產品的生成。固態(tài)發(fā)酵中，微生物生長初期要達到一定的溫度，才能保證其正常生長。微生物在生長過程中，會釋放大量的生物熱 ，尤其是在微生物的對數(shù)生長期，產熱速度很快，菌絲體生長旺盛，造成物料大面積板結 ，加之固態(tài)發(fā)酵中沒有自由流動相 ，導熱性能差，單位距離上存在很大的溫度梯度 ，有時高達3℃／cm，不利于微生物的生長和產酶，必須通過通風降溫 、噴淋無菌水及翻曲等手段使熱量及時散發(fā) 。
5 通風和攪 拌
好氧發(fā)酵過程中對氧的需求及系統(tǒng)中傳質、傳熱的需要，通風和攪拌操作有重 的影響． 空氣速率增加可提供微生物生長所需氧氣,又可以移除CO?、揮發(fā)性代謝物和反應熱，但很多因素影響氧的傳輸 ，如空氣壓力 、通氣率、基質空隙、料層厚度、培養(yǎng)基水分、反應器幾何特征及機械攪拌裝置的轉速等。氣流強度可作為評判通風強弱的標準，通氣質量也很重要 (特別是氣體濕度，可改變水活度 )。合適的通風強度和質量可提高對溫度的控制。由于基質的不均勻性，通風過程容易造成細胞代謝發(fā)生變化，需要通過攪拌來提高物料發(fā)酵、水分、溫度和氣態(tài)環(huán)境均一性。在選擇基質時，應考慮基質特性，避免在攪拌過程中出現(xiàn)結塊現(xiàn)象，但過分的翻動可能損傷菌絲體，抑制菌體生長。間歇攪拌較連續(xù)攪拌有較好效果，對菌絲體的生長及其在基質上附著更有利。
微生物要在基質上進行生長并產生代謝產物，必將受到底物本身的物理因素 (底物顆粒大小、形狀、空隙率、纖維含量、黏度、顆粒之間擴散等 )和化學因素(聚合度 、疏水性、結晶度及電化學性質等)的影響。底物顆粒的尺寸及濕度或水活度在固態(tài)發(fā)酵中對微生物的生長與活性最重要。 底物顆粒的大小直接影響到單位體積反應表面積，也會影響顆粒間菌體生長、氧的供給率及二氧化碳的移出率等。小的底物顆?？梢蕴峁┹^大微生物生長表面積 ， 可以明顯提高固態(tài)發(fā)酵反應速率 ．被認為是理想的選擇。但是，在許多情況下太小的顆粒容易造成底物結團 ，顆粒間空隙率也減小，導致阻力增大，對傳熱、傳質產生不利的影 響 ，以致于妨礙微生物的呼吸或通氣， 結果導致微生物不良生長；大顆粒由于存在較大間隙有利于提高傳質和傳熱效率，還可提供更好的呼吸及通氣條件，但提供較小的微生物生長表面積，降低了固體發(fā)酵效率。所以對于固體發(fā)酵過程，選擇合適的顆粒是十分必要的。
2 水分和水活度
底物含水量的變化對微生物的生長及代謝能力有重要影響． 低水分將降低 營養(yǎng)物質傳輸、微生物生長、酶穩(wěn)定性和基質膨脹；高水分將導致顆粒結塊、通氣不暢和染菌。固態(tài)發(fā)酵程中水分含量范圍應控制在30 ％-85 ％。不同微生物發(fā)酵，水分應該是不同的。
微生物能否在底物上生長取決于該基質的水活度。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。不同微生物水活度要求也不同。一般而言，細菌要求水活度0.90～0.99 之間；大多數(shù)酵母菌要求水活度在0.80～0.90； 真菌及少數(shù)酵母菌要求水活度在0.60 —0.70 。 在固態(tài)發(fā)酵過程中，由于基質的水解，物質的溶出，水活度降低，將延長微生物的滯后期，導致生物量減少。可以通過加無菌水、加濕空氣和安裝噴濕器等方法來提高水活度，以保證菌體正常生長。
3 pH值
目前，世界范圍內對于這方面的研究很少，但p H 值是影響發(fā)酵過程的重要因素，由于固態(tài)物料的含水量偏低 ，固態(tài)發(fā)酵中的p H 值檢測手段難以應用。 一般認為，固體發(fā)酵過程中，由于物料良好的緩沖性，只要調節(jié)好初始pH 值 ，發(fā)酵過程中不必對其進行監(jiān)測和控制。在實際過程中，菌體代謝會導致物料 pH 值發(fā)生較大變化。
4 溫度
溫度是影響微生物生長的重要因素，直接關系到發(fā)酵過程的正常進行和最 終產品的生成。固態(tài)發(fā)酵中，微生物生長初期要達到一定的溫度，才能保證其正常生長。微生物在生長過程中，會釋放大量的生物熱 ，尤其是在微生物的對數(shù)生長期，產熱速度很快，菌絲體生長旺盛，造成物料大面積板結 ，加之固態(tài)發(fā)酵中沒有自由流動相 ，導熱性能差，單位距離上存在很大的溫度梯度 ，有時高達3℃／cm，不利于微生物的生長和產酶，必須通過通風降溫 、噴淋無菌水及翻曲等手段使熱量及時散發(fā) 。
5 通風和攪 拌
好氧發(fā)酵過程中對氧的需求及系統(tǒng)中傳質、傳熱的需要，通風和攪拌操作有重 的影響． 空氣速率增加可提供微生物生長所需氧氣,又可以移除CO?、揮發(fā)性代謝物和反應熱，但很多因素影響氧的傳輸 ，如空氣壓力 、通氣率、基質空隙、料層厚度、培養(yǎng)基水分、反應器幾何特征及機械攪拌裝置的轉速等。氣流強度可作為評判通風強弱的標準，通氣質量也很重要 (特別是氣體濕度，可改變水活度 )。合適的通風強度和質量可提高對溫度的控制。由于基質的不均勻性，通風過程容易造成細胞代謝發(fā)生變化，需要通過攪拌來提高物料發(fā)酵、水分、溫度和氣態(tài)環(huán)境均一性。在選擇基質時，應考慮基質特性，避免在攪拌過程中出現(xiàn)結塊現(xiàn)象，但過分的翻動可能損傷菌絲體，抑制菌體生長。間歇攪拌較連續(xù)攪拌有較好效果，對菌絲體的生長及其在基質上附著更有利。
