现代固态发酵技术工艺、设备及应用研究进展（一）
前言
固态发酵(Solidstatefermentation)指体系在没有或几乎没有自由水存在下，微生物在固态物质上生长的过程，过程中维持微生物活性需要的水主要为结合水或与固体基质结合的状态。大部分研究者认为固态发酵和固体基质发酵(Solidsubstratesfermentation)是同一概念，可是Pandey等[1]却认为固体基质发酵是在无自由水条件下固体基质作为碳源或氮源的发酵过程，而固态发酵是在无自由水条件下利用天然或惰性底物(如合成泡沫)作为支持物的发酵过程。本文中将其统称为固态发酵。
近几年来，随着世界性的能源危机和环境保护意识的增强，固态发酵重新受到重视，主要归因于农业、工业废弃物在固态发酵方面得到较大应用，比如土壤修复、生物转化及生物燃料等，是工业应用的理想技术。
1 影响固态发酵的因素
影响固态发酵过程的因素很多，主要取决于基质类型、微生物选取和生产规模，可大致分为生物化学、物理化学和环境因素。所有的因素都是密切相关的，不能独立地看待。在特定的固态发酵过程中，单个因素作为生化还是物化因素需要区别开来。某个因素在生化反应中可看做独立的，但在物化反应中是相互影响的，反之亦然。所以，需要分析各个因素在固态发酵进程中的影响。
1.1 固态发酵微生物
真菌和细菌是固态发酵使用较多的微生物，真菌是比较理想的(如图所示，真菌菌丝穿过基质的皮壳到达淀粉颗粒)。接种真菌孢子较营养细胞有一定优势:接种方便、灵活且易于保存较长时间和较高活性，但也有一定的缺点，如较长的滞后期、孢子接种量较大;在孢子萌发之前需诱导孢子进入代谢活动和酶系合成以防孢子休眠。某些发酵过程需要菌丝接种，如将毛壳菌菌丝接入小麦秸秆中进行固态发酵。接种密度(个/克物料)也是固态发酵的一个重要影响因子。
1.2 水分和水活度
底物含水量的变化对微生物的生长及代谢能力有重要影响。低水分将降低营养物质传输、微生物生长、酶稳定性和基质膨胀;高水分将导致颗粒结块、通气不畅和染菌。固态发酵过程中水分含量范围应控制在30%~85%。不同微生物发酵水分应该是不同的。
微生物能否在底物上生长取决于该基质的水活度Aw。水活度除受基质本身的影响外，还与溶质的种类和数量有关。不同微生物Aw要求也不同。一般而言，细菌要求Aw在0.90~0.99之间;大多数酵母菌要求Aw在0.80~0.90;真菌及少数酵母菌要求Aw在0.60~0.70。因此，固态发酵常用真菌原因就是其对水活度要求低，可以降低杂菌的污染。在固态发酵过程中，由于基质的水解，物质的溶出，Aw降低，将延长微生物的滞后期，导致生物量减少。可以通过加无菌水、加湿空气和安装喷湿器等方法来提高Aw，以保证菌体正常生长。
1.3 基质和粒度
固态发酵基质常为农业副产物、天然纤维素、固体废料等。具有大分子结构的原料其惰性组织将氮源和碳源物质紧紧包裹，不利于发酵，因此原料的预处理是很重要的，主要通过物理、化学或者酶水解等方法降低被包裹或颗粒粒度，提高基质可利用率。采用天然基质进行固态发酵，随着微生物的生长，作为基质结构的部分碳源物质被消耗，影响了传质和传热，通常在发酵过程中加入适量的具有稳定结构的支持物来改善。
基质粒度关系到微生物生长及传质传热效果，将直接影响到单位体积颗粒所能提供的反应表面积的大小，也会影响到菌体是否容易进入基质颗粒内部及氧的供给速率和代谢产物的移出速率等[9]。小的颗粒可以提供较大微生物攻击表面积，提高固态发酵反应速率，是理想的选择，但是在许多情况下太小的颗粒容易造成底物积团，颗粒间空隙率也减小，导致阻力增大，对传热、传质产生不利的影响，导致微生物不良生长;大颗粒由于存在较大间隙有利于提高传质和传热效率，还可提供更好的呼吸及通气条件，但微生物攻击表面积较小。
