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固態發酵是指沒有或幾乎沒有自由水存在下,在有一定濕度的水下溶性固態基質中,用一種或多種微生物的一個生物反應過程。從生物反應過程中的本質考慮,固態發酵是以氣相為連續相的生物反應過程。固體發酵具有操作簡便、能耗低、發酵過程容易控制、對無菌要求相對較低、不易發生大面積的污染等優點。

1定義

固體發酵

  固體發酵

廣義:微生物生長於不溶於水的基質,且基質上含有不同量的自由水(free water)。
狹義:微生物生長在潮濕不溶於水的基質進行發酵,在固體發酵過程中不含任何自由水,隨著微生物產出的自由水的增加,固體發酵範圍延伸至黏稠發酵(slurry fermentation)以及固體顆粒懸浮發酵。

2優點

1. 培養基單純,例如穀物類、小麥麩、小麥草、大宗穀物或農產品等均可被使用,發酵原料成本較經濟。
2. 基質前處理較液體發酵少,例如簡單加水使基質潮濕,或簡單磨破基質增加接觸面積即可,不需特殊機具,一般家庭即可進行步驟。
3. 因獲得水分可減少雜菌污染,此種低滅菌步驟即可施行的發酵,適合低技術地區使用。
4. 能產生特殊產物,如紅麴產生的紅色色素是液體發酵的十倍,又Aspergillus在固體發酵所產生的glucosidase較液體發酵產生的酵素更具耐熱性。
5. 固體發酵相當於使用相當高的培養基,且能用較小的反應器進行發酵,單位體積的產量較液體為高。
6. 下游的回收純化過程及廢棄物處理通常較簡化或單純,常是整個基質都被使用,如做為飼料添加物則不需要回收及純化,無廢棄物的問題。
7. 固體發酵可食品產生特殊風味,並提高營養價值,如天培可作為肉類的代用品,其胺基酸及脂肪酸易被人體消化吸收。

3缺點

1. 限於低濕狀態下生長的微生物,故可能的流程及產物較受限,一般較適合於真菌。
2. 在較緻密的環境下發酵,其代謝熱的移除常造成問題,尤其是大量生產時,常限制其大規模的產能。
3. 固態下各項參數不易偵測,尤其是液體發酵的各種探針不適用於固體發酵,pH值、濕度、基質濃度不易調控,Biomass不易量測,每批次發酵條件不易一致,再現性差。
4. 不易以攪拌方式進行質量傳遞(masss transfer),因此發酵期間,物質的添加無法達到均勻。
5. 由於不易偵測,從發酵工程的觀點來看,許多工作都只是在定性或觀察性質,故不易設計反應器,難以量化生產或設計合理化的發酵流程。
6. 固體發酵的培養時間較長,其產量及產能常低於液體發酵。
7. 萃取的產物常因黏度高不易大量濃縮。

4真菌進行固體發酵的優勢

1. 能在較低含水分下生長(適水活性在0.7-0.93-0.98),而細菌興酵母菌的適水活性則大於0.99。
2. 細菌一般在低pH下就不易生長,而一般真菌能在低pH下也能生長良好。而固態培養基的pH很難調控,故真菌的此項特點有利於固體發酵。
3. 固態基質常為大分子化合物,如澱粉、纖維素、半纖維素、果膠、木質素、蛋白質和脂質等,真菌常能分泌這類的胞外分解酵素而利用其周圍的培養基質作為碳源及氮源。
4. 真菌若具有產孢特性,則易於存放及接種,人員不需要太多訓練即能進行孢子接種工作。
5. 菌絲的生長模式優於單細胞的生長方式,菌絲頂端延伸並分枝產生新的菌絲端,能迅速覆蓋固體基質表面而有效利用基質。
6. 菌絲有分隔者,能透過孔洞(septal pore)傳送物質,遇危險則孔洞自動封住,以避免細胞質流失;若為無分隔者,其細胞質內物質的傳送迅速而使菌落快速繁衍。
7. 菌絲的生長滲透到固體培養基的力量強,形成很高的機械壓力,配合尖端分泌的水解酵素,使穿入固體基質容易。

5固體發酵法的技術改進

固體培養法 將微生物接種在固體培養基表面生長繁殖的方法,稱固體培養法。它是表面培養的一種。廣泛用於培養好氣性微生物。例如,用於微生物形態觀察或保藏的瓊脂斜面培養,用於平板分離或活細胞計數的平板培養,都屬於固體表面培養法。用該方法配氧微生物時,有下列特點:
第一,細胞多半是重疊地生長繁殖,因此,直接與培養基相接觸的細胞在此細胞上再長出的細胞會有所不同;
第二,從攝取營養的角度看,在上面生長的細胞是通過貼近細胞之間的孔隙來獲得營養的;
第三,從供氧方面來說,從外到內逐漸形成一個缺氧的環境。
因此,可以認為每個細胞之間的生長環境未必相同。為提高培養效率,採用增大表面積的辦法。實驗室內一般採用試管斜面、培養皿、三角瓶、克氏瓶等培養,工廠大多採用曲盤、帘子以及通風制曲池等,特別是在黴菌的培養中,目前仍採用固體培養法制曲。由於選取農副產品如麩皮等作原料,價格低廉,其顆粒表面積大,疏鬆通氣,原料易大量獲得,因此,釀酒行業用得很普遍。但是,由於大規模表面培養技術仍有很多困難,在發酵生產上,能用液體表面培養的,大多採用液體深層培養法來代替。

6應用

固體發酵法目前主要用在傳統的發酵工業中。例如:醬油的生產,從菌種培養到制曲,再到發酵都採用固體法。發酵條件相對比較開放,工藝簡單,設備要求簡單,成本相對比較低。雖然最近有的廠家也採用深層液體發酵,但在口味上明顯與固體發酵無法比擬。又如在食醋的生產上有的廠家採用前液后固,目的在於提高食醋的風味。

7原生態固體發酵

真菌是固體發酵最普遍被使用的微生物,因其菌絲如同植物的根能在固態表面生長,並滲透到基質內,產生多樣的胞外酵素能力,比起其他單細胞的細菌及酵母菌,更適合固體發酵的環境。
原生態固體發酵的局限性
1、生產周期長(120天~270天);
2、佔地面積較大,勞動強度較高,生產成本較高。

8與液體發酵的比較

現有酶製劑產品的發酵方式主要有固體發酵與液體發酵兩種,而一些市場銷售人員及消費者對此有許多困惑和偏見,有人認為液體發酵的酶產品純度高,染菌少,品質好;也有人認為固體發酵的產品酶譜廣,使用效果好。其實兩種發酵形式各有優劣。
首先,我們來了解一下什麼是固體發酵。固體發酵是指沒有或者幾乎沒有自由水存在下,在有一定濕度的水不溶性固態基質中,用一種或多種微生物的一個生物反應過程。
固體發酵所用原料一般為經濟易得、富含營養物質的工農業副、廢產品,如麩皮、薯粉、大豆餅粉、高粱、玉米粉等。固體發酵是以氣相為連續相的生物反應過程。固體發酵一般採用開放式,所需設備簡單,易於操作。一般過程為:原料經蒸煮滅菌等預加工后,製成含一定水分的固體物料,接入預先培養好的菌種,進行發酵。發酵成熟后適時出料,並進行適當處理,或進行產物的提取。效率相對較高,提取工藝簡單可控。這種方法的缺點是:勞動強度大、不便於機械化操作。
液體發酵是以液相為連續相的生物反應過程。液體發酵整個生產過程中易於消毒滅菌和自動化操作。液體發酵比固體發酵過程要複雜,生產設備投資大。
液體發酵又包括通風發酵(液體深層發酵)和厭氧發酵。根據操作方法的差異又可以分為分批發酵、分批補料發酵和連續發酵。在此不再累述。值得一提的是,液體發酵起源於抗生素髮酵,后發展到有機酸、氨基酸、酶製劑發酵。抗生素與有機酸對細菌有抑制作用,因此給人的印象是液體發酵不易受雜菌污染,產品質量好。其實不然,液體發酵必須注重包括對設備以及操作嚴格要求在內的每一個細節,否則極易發生雜菌污染。如酶製劑發酵生產,它的發酵產物是酶蛋白,不僅不能象抗生素那樣抑制雜菌,而且還是雜菌的良好養料,它受雜菌污染威脅比固態發酵大一些,一旦發生污染往往整罐料就報廢,運作風險大些。
兩種發酵方式各有各的優缺點,不論哪一種發酵方式,都可以生產出固體酶與液體酶產品。固體發酵可以生產出固、液體酶產品,液體發酵也同樣如此。產品的狀態和使用哪種發酵方式沒有必然聯繫。酶產品品質的優劣關鍵在於生產過程中每個細節每個步驟的嚴格控制,而並非在於發酵方式的區別上。康地恩在應用實踐中,採用固液聯合的先進生產工藝,完整的整合了這兩種發酵方式的優點,生產出廣酶譜、多酶系的複合酶產品,通過這種方式所生產出的酶產品無論是在酶譜廣度上還是在產品的純度上都有較強的優勢,從而可以更好的為我們的飼料業服務,更有力度地推動飼料產業的整體提升,為廣大用戶創造更大的價值。

9固體發酵罐

固體發酵罐

  固體發酵罐

產品適用於液體制種固體發酵的生物製品。物料的滅菌、冷卻、接種、發酵在同一工位完成,減少了染菌因素,能耗低,無污水排放,是一種最佳固態物料生物發酵設備。  
主要特點:
1、落地式結構,個性化設計,結構緊湊,集中度高,方便使用。  
2、罐體設計壓力0.3MPa,短期滅菌壓力≤0.13 MPa,發酵時的工作壓力約為0.05~0.07 MPa,夾套傳熱控溫,罐體內外表面拋光處理,拋光精度Ra≤0.4,罐體及管路在位滅菌,安全可靠。
3、設備配有多個發酵罐專用標準介面,如溫度口、溫控介面、接種口等,滿足您對各種發酵參數的檢測及控制。
4、採用交流電機機械攪拌,無級調速,轉速:50~120rpm,採用發酵專用機械密封件,德國技術,安全可靠,減少泄漏和染菌的機率。
5、螺帶式攪拌器,配合導流筒使用,使料液混合更均勻。
6、空氣過濾系統採用先進的膜過濾技術,二級雙重過濾,精度可達0.01μm,截留率達99.9999%,大大降低了染菌的機率。
7、採用符合微生物發酵要求的不鏽鋼拋光管路及閥門,表面拋光光處理。
8、基本控制參數包括:溫度、濕度、轉速、pH、壓力等,控制方式分A、B、C、D四種,具體內容詳見自動控制部分。
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