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技術(shù)知識
固體發(fā)酵條件和影響因素
1 基質(zhì)
微生物要在基質(zhì)上進(jìn)行生長(cháng)并產(chǎn)生代謝產(chǎn)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(xué)因素(聚合度 、疏水性、結晶度及電化學(xué)性質(zhì)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(cháng)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(huì )影響顆粒間菌體生長(cháng)、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(cháng)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(zhì)產(chǎn)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(cháng);大顆粒由于存在較大間隙有利于提高傳質(zhì)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(cháng)表面積,降低了固體發(fā)酵效率。所以對于固體發(fā)酵過(guò)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(cháng)及代謝能力有重要影響. 低水分將降低 營(yíng)養物質(zhì)傳輸、微生物生長(cháng)、酶穩定性和基質(zhì)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(cháng)取決于該基質(zhì)的水活度。水活度除受基質(zhì)本身的影響外,還與溶質(zhì)的種類(lèi)和數量有關(guān)。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;大多數酵母菌要求水活度在0.80~0.90; 真菌及少數酵母菌要求水活度在0.60 —0.70 。 在固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中,由于基質(zhì)的水解,物質(zhì)的溶出,水活度降低,將延長(cháng)微生物的滯后期,導致生物量減少??梢酝ㄟ^(guò)加無(wú)菌水、加濕空氣和安裝噴濕器等方法來(lái)提高水活度,以保證菌體正常生長(cháng)。
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(guò)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(guò)程中,由于物料良好的緩沖性,只要調節好初始pH 值 ,發(fā)酵過(guò)程中不必對其進(jìn)行監測和控制。在實(shí)際過(guò)程中,菌體代謝會(huì )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(cháng)的重要因素,直接關(guān)系到發(fā)酵過(guò)程的正常進(jìn)行和最 終產(chǎn)品的生成。固態(tài)發(fā)酵中,微生物生長(cháng)初期要達到一定的溫度,才能保證其正常生長(cháng)。微生物在生長(cháng)過(guò)程中,會(huì )釋放大量的生物熱 ,尤其是在微生物的對數生長(cháng)期,產(chǎn)熱速度很快,菌絲體生長(cháng)旺盛,造成物料大面積板結 ,加之固態(tài)發(fā)酵中沒(méi)有自由流動(dòng)相 ,導熱性能差,單位距離上存在很大的溫度梯度 ,有時(shí)高達3℃/cm,不利于微生物的生長(cháng)和產(chǎn)酶,必須通過(guò)通風(fēng)降溫 、噴淋無(wú)菌水及翻曲等手段使熱量及時(shí)散發(fā) 。
5 通風(fēng)和攪 拌
好氧發(fā)酵過(guò)程中對氧的需求及系統中傳質(zhì)、傳熱的需要,通風(fēng)和攪拌操作有重 的影響. 空氣速率增加可提供微生物生長(cháng)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(zhì)空隙、料層厚度、培養基水分、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(fēng)強弱的標準,通氣質(zhì)量也很重要 (特別是氣體濕度,可改變水活度 )。合適的通風(fēng)強度和質(zhì)量可提高對溫度的控制。由于基質(zhì)的不均勻性,通風(fēng)過(guò)程容易造成細胞代謝發(fā)生變化,需要通過(guò)攪拌來(lái)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(zhì)時(shí),應考慮基質(zhì)特性,避免在攪拌過(guò)程中出現結塊現象,但過(guò)分的翻動(dòng)可能損傷菌絲體,抑制菌體生長(cháng)。間歇攪拌較連續攪拌有較好效果,對菌絲體的生長(cháng)及其在基質(zhì)上附著(zhù)更有利。
微生物要在基質(zhì)上進(jìn)行生長(cháng)并產(chǎn)生代謝產(chǎn)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(xué)因素(聚合度 、疏水性、結晶度及電化學(xué)性質(zhì)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(cháng)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(huì )影響顆粒間菌體生長(cháng)、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(cháng)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(zhì)產(chǎn)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(cháng);大顆粒由于存在較大間隙有利于提高傳質(zhì)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(cháng)表面積,降低了固體發(fā)酵效率。所以對于固體發(fā)酵過(guò)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(cháng)及代謝能力有重要影響. 低水分將降低 營(yíng)養物質(zhì)傳輸、微生物生長(cháng)、酶穩定性和基質(zhì)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(cháng)取決于該基質(zhì)的水活度。水活度除受基質(zhì)本身的影響外,還與溶質(zhì)的種類(lèi)和數量有關(guān)。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;大多數酵母菌要求水活度在0.80~0.90; 真菌及少數酵母菌要求水活度在0.60 —0.70 。 在固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中,由于基質(zhì)的水解,物質(zhì)的溶出,水活度降低,將延長(cháng)微生物的滯后期,導致生物量減少??梢酝ㄟ^(guò)加無(wú)菌水、加濕空氣和安裝噴濕器等方法來(lái)提高水活度,以保證菌體正常生長(cháng)。
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(guò)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(guò)程中,由于物料良好的緩沖性,只要調節好初始pH 值 ,發(fā)酵過(guò)程中不必對其進(jìn)行監測和控制。在實(shí)際過(guò)程中,菌體代謝會(huì )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(cháng)的重要因素,直接關(guān)系到發(fā)酵過(guò)程的正常進(jìn)行和最 終產(chǎn)品的生成。固態(tài)發(fā)酵中,微生物生長(cháng)初期要達到一定的溫度,才能保證其正常生長(cháng)。微生物在生長(cháng)過(guò)程中,會(huì )釋放大量的生物熱 ,尤其是在微生物的對數生長(cháng)期,產(chǎn)熱速度很快,菌絲體生長(cháng)旺盛,造成物料大面積板結 ,加之固態(tài)發(fā)酵中沒(méi)有自由流動(dòng)相 ,導熱性能差,單位距離上存在很大的溫度梯度 ,有時(shí)高達3℃/cm,不利于微生物的生長(cháng)和產(chǎn)酶,必須通過(guò)通風(fēng)降溫 、噴淋無(wú)菌水及翻曲等手段使熱量及時(shí)散發(fā) 。
5 通風(fēng)和攪 拌
好氧發(fā)酵過(guò)程中對氧的需求及系統中傳質(zhì)、傳熱的需要,通風(fēng)和攪拌操作有重 的影響. 空氣速率增加可提供微生物生長(cháng)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(zhì)空隙、料層厚度、培養基水分、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(fēng)強弱的標準,通氣質(zhì)量也很重要 (特別是氣體濕度,可改變水活度 )。合適的通風(fēng)強度和質(zhì)量可提高對溫度的控制。由于基質(zhì)的不均勻性,通風(fēng)過(guò)程容易造成細胞代謝發(fā)生變化,需要通過(guò)攪拌來(lái)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(zhì)時(shí),應考慮基質(zhì)特性,避免在攪拌過(guò)程中出現結塊現象,但過(guò)分的翻動(dòng)可能損傷菌絲體,抑制菌體生長(cháng)。間歇攪拌較連續攪拌有較好效果,對菌絲體的生長(cháng)及其在基質(zhì)上附著(zhù)更有利。
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