发酵工程技术

1.固态发酵技术

一切使用不溶性固体基质来培养微生物的工艺过程，称为固体基质发酵（solid substrate fermentation），也称固态发酵。该法采用麸皮或米糠为主要原料，也可用豆粕和稻糠等作为主要原料或辅助原料，加入适量的自来水或陈海水拌成半固体状态，经蒸汽灭菌后凉至室温，接入种曲后，置于浅盘式、盆式、柱式、转鼓式、搅拌式等不同形式的固态发酵装置，控制温度、湿度或通气条件，使微生物能比较适宜地生长繁殖和产酶。图2-2为固态发酵的装备示意图。

图2-2　固态物料发酵系统

固态发酵具有以下特点：

（1）固态发酵培养基中没有游离水，水是培养基中含量较低的组分。培养基中水活度小于0.99，适宜于水活度在0.93～0.98的微生物生长，限制了其应用范围，同时也限制了某些杂菌的生长。

（2）微生物从湿的固态基质中吸收营养物，营养物浓度存在梯度，发酵不均匀，菌体的生长、对营养物的吸收和代谢产物的分泌不均匀。

（3）固态发酵中培养基提供的与气体的接触面积要比液体深层发酵中与气泡的接触面积大得多，供氧更充足，同时，空气通过固体层的阻力较小，能量消耗低。

（4）使用固体原料，在发酵过程中，糖化和发酵过程同时进行，简化了操作工序，节约了能耗。

（5）高浓度的底物可以产生高浓度的产物。

（6）由于产物浓度高，提取工艺简单可控，没有大量有机废液产生，但提取物含有底物成分。

（7）生产机械化程度较低，缺乏在线传感仪器，过程控制较困难。

固态发酵工艺中，通风方式、物料温度、湿度、物料混合程度等是决定发酵效果的关键性参数。在固态好氧发酵中，压缩空气经除菌、除湿后成为无菌空气，均匀穿透料层；固态厌氧发酵则通常不需要通风。固态发酵中，微生物在生长和代谢过程中会释放大量生物热，尤其是在微生物的对数生长期，菌体生长旺盛，产热速度很快，会造成物料大面积板结，加之固态发酵中没有自由流动相，导热性能差，单位距离上存在很大的温度梯度，不利于菌种生长和产酶。由于固态发酵最大的特点是存在无游离水，所以基质含水量的变化，必然会对微生物的生长与代谢能力产生重要的影响。此外，由于固体物料的含水量偏低，菌体代谢会导致物料pH发生较大变化。因此，在固态发酵过程中，物料搅拌和混合尤为重要。

固态发酵可利用多种工农业残渣作为底物大量生产化学物质，如有机酸、酒精、单细胞蛋白、蘑菇、酶制剂、生物活性物质及风味物质等，尽管上述研究有的还处在实验室研究阶段，但固态发酵被认为是可再生性资源综合利用最有希望的途径，特别是海洋低值原料和海洋食品加工副产物等的高值化利用方面，固态发酵表现出极大的发展潜力。

2.液体深层发酵技术

液体深层发酵法是目前应用最广泛的发酵方法，采用具有搅拌桨叶和通气系统的密闭发酵罐，从培养基的灭菌、冷却到发酵都在同一发酵罐内进行。图2-3是海洋生物酶的液体深层发酵生产工艺流程。

图2-3　海洋生物酶总体发酵工艺流程图

该海洋生物酶示范工程系统的主要构成如下：① 发酵罐体、补料系统、空气除菌过滤系统、发酵后处理系统；② 与温度、pH、溶解氧、转速、泡沫和罐压等配套的检测与控制系统；③ 由数据采集系统、电气控制系统等组成的机电仪一体化设备。

深层发酵时最大威胁是染菌。发酵罐越大越易染菌，造成损失越大。染菌主要来自：种子带菌；空气带菌；培养基灭菌不彻底；设备渗漏；设计方案不合理等方面。发酵工业中大量空气的除菌主要依靠过滤除菌，采用定期灭菌的干燥介质来阻截流过空气中的所有微生物，从而获得无菌空气。常用的过滤介质按空隙的大小分为两大类，一类是介质空隙大于微生物，故必须有一定厚度的介质滤层才能达到过滤除菌的目的，称之为深层过滤，如棉花、活性炭、玻璃纤维、有机合成纤维、烧结材料（烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料）等；另一类介质的空隙小于细菌，含细菌等微生物的空气通过介质，微生物就被截留于介质上而实现过滤除菌，称之为绝对过滤，如微孔滤膜，其孔径只有0.1～0.45μm，因此可把细菌等微生物全部去除。微孔滤膜除拦截筛除作用外，还具有较强的静电吸附作用，因此也能部分去除噬菌体。