固态发酵(SolidStateFermentation,SSF)是指在培养基呈固态,虽然含水丰富,但没有或几乎没有自由流动水的状态下进行的一种或多种微生物发酵过程,底物(基质)是不溶于水的聚合物,它不仅可以提供微生物所需碳源、氮源、无机盐、水及其它营养物,还是微生物生长的场所，是人类利用微生物生产产品历史最悠久的技术之一。
最近几年固态发酵工程领域取得了一些重大发展,范围主要限制在底物(底物特性研究、底物预处理及底物灭菌)、无菌操作相对性及过程控制参数(水活度、通风与传质、温度和pH)等研究方面。
基质（底物）研究：
在固态发酵中,固体底物不仅提供微生物所需营养,还作为细胞的固定物,能提供微生物所需一切营养的底物被认为是理想底物。基质在固态发酵中具有独特的作用,它影响微生物发酵过程的传质、传热及微生物的代谢功能等。所以人们对底物研究比较透彻,主要集中在基质的特性、预处理及灭菌等方面。
01基质特性
微生物要在底物上进行生长并产生代谢产物,必将受到底物本身的物理因素(底物颗粒大小、形状、空隙率、纤维含量、黏度、颗粒之间扩散率等)和化学因素(聚合度、疏水性、结晶度及电化学性质等)的影响。
但底物颗粒的尺寸及湿度或水活度(见过程控制参数)在固态发酵中对微生物的生长与活性最重要。
底物颗粒的大小直接影响到单位体积反应表面积,也会影响颗粒间菌体的生长、氧的供给率及二氧化碳的移出率等。
GamilA.利用甜菜为底物,进行单胞菌固态发酵生产乙醇,在其它因素不变的情况下,研究甜菜颗粒大小对产物乙醇的影响,结果发现小颗粒明显有利于乙醇产量提高。RaoPVetal.利用米糠进行固态生产脂肪酶时,发现颗粒由Lm减少到Lm,脂肪酶活性由8.6提高到18uPg。Pandey利用黑曲霉固态发酵,考察底物麸皮颗粒尺寸对产物葡萄糖苷酶的影响,最佳尺寸为)Lm,但若利用小于Lm、大于1.4mm的混合颗粒做底物,可达到与)Lm颗粒同样的效果。
底物预处理及吸收：
大多底物都是聚合物,不仅具有不溶于水,在微生物开始发酵初期不易被攻击等特点而且底物经常缺少某些微生物所需的营养,这时需要从外部添加这些营养。为了使底物更容易地被微生物利用,经常对底物进行化学或机械预处理。
底物预处理方法很多,包括:汽爆、浸提、粉碎、裂解、研磨等机械处理及碱化学处理。微生物的生长应归因于其分泌酶对底物有效分解的程度。但底物的物理和化学因素都会促进或限制微生物的生长。
下列因素决定了微生物对底物的水解及利用:(1)微生物分泌酶的种类;(2)微生物对酶解物利用状况及其生长状态;(3)酶、底物及水解物的消耗度;(3)酶的扩散率;(4)底物被攻击面积;(5)底物不均匀性;(6)最终产物的反馈抑制;(7)微生物对易降解碳源的要求;(8)酶动力学等。
培养基灭菌：
我们知道随着反应器的放大,培养基大规模灭菌会带来许多问题,如:培养基物理化学性质改变、有毒化合物的形成及营养物的损失等。
灭菌加热及冷却时间随培养基规模而变,灭菌过程受不同因素影响如杀死微生物的速率(与微生物活细胞成正比)、不同微生物对温度的敏感性差别等。对大规模灭菌一般采用高温、短时方法,这样由于热而引起营养成分破坏的概率减小。
在工业化生产时,培养基灭菌遇到的另一个棘手问题是:培养基有的有机成分易受热分解,甚至在较高温度下互相作用,形成对微生物有毒害作用的物质。
有时培养基灭菌除了考虑杀死微生物外,还应考虑温度对基质的物理化学性质的影响。例如:麸皮(培养基中经常用的物质)在较高温度下物理化学性质发生改变,这一般有利于微生物的吸收,所以灭菌时间要长一些。
固体发酵罐系统