現代固態發酵技術：理論與實踐

1緒論
11固態發酵簡介1
111固態發酵的內涵1
112固態發酵與液態發酵的區別3
113固態發酵的優勢及應用4
12現代固態發酵的調控6
121基於固態發酵生物學特性的發酵調控6
122基於固體基質特性的發酵調控6
13固態發酵工程的發展11
131固態發酵的上游工程11
132固態發酵的中游工程13
133固態發酵的下游及輔助工程16
134發酵產品的後處理17
參考文獻18

2固態發酵生物技術學原理
21固態發酵生物生理學概述20
211微生物代謝特徵20
212固態發酵介面特性及其對微生物代謝的影響23
213固態基質中的絲狀微生物生長26
214固態基質中的細菌生長36
215固態基質中的酵母菌生長38
216基於“分段拼接”思想的營養性載體基質固態發酵過程數值模擬39
22固態發酵固相基質特性48
221適用於固態發酵的固體基質種類48
222固態發酵固體基質的前處理53
223影響固態發酵的原料特性參數54
23固態發酵大規模無菌操作技術與接種技術55
231固態發酵大規模無菌操作技術55
232固態發酵接種技術58
參考文獻58

3固態發酵工程與過程放大原理
31固態發酵的本質61
311發酵基質三相配比與微生物生理的關係61
312氣相基質的特點及在固態發酵中的作用65
313蒸散過程對固態發酵的影響65
32固態發酵系統傳遞過程原理67
321固態發酵品質熱量傳遞概論68
322固態發酵基質熱量、濕分和溶質傳輸過程的理論基礎69
323影響傳遞過程的固態基質物性參數73
324營養性載體基質的傳遞性質隨菌體生長的變化75
33微生物生長中的物質能量傳遞88
331基質中空氣的分佈與傳遞89
332微生物對基質中熱量傳遞過程的影響89
333微生物生長對基質水分傳遞的影響90
34固態發酵反應器的設計與放大91
341固態發酵反應器92
342影響固態發酵反應器設計的因素93
343固態發酵反應器放大原則95
參考文獻98

4好氧固態發酵
41好氧固態發酵生物學及物理學基礎101
411好氧固態發酵研究概況101
412好氧微生物與營養102
413好氧固態發酵中的物理化學作用104
414好氧固態發酵反應器108
42混菌固態發酵技術109
421混菌固態發酵的研究概況109
422混菌固態發酵工藝原理109
423混菌固態發酵評價111
424混菌固態發酵的關鍵技術112
425混菌固態發酵在生產中的應用112
43靜態密閉式好氧固態發酵技術114
431淺盤式好氧固態發酵技術114
432填充床式好氧固態發酵技術119
44動態密閉式固態發酵技術124
441轉鼓式好氧固態發酵技術125
442氣固流化床式好氧固態發酵技術130
443氣相雙動態好氧固態發酵技術131
444不同工藝操作條件下固態基質發酵過程數值模擬134
參考文獻143

5厭氧固態發酵
51厭氧固態發酵的生物學及物理學基礎147
511厭氧固態發酵與好氧固態發酵的異同147
512厭氧固態發酵的生物學基礎148
513厭氧固態發酵的物理學基礎150
52厭氧固態發酵的類型151
521混菌厭氧固態發酵151
522純種厭氧固態發酵163
53厭氧固態發酵反應器164
531乙醇發酵反應器165
532沼氣幹發酵反應器167
54厭氧固態發酵的應用169
541在飼料青貯中的應用169
542有機固體廢物厭氧固態處理172
參考文獻175

6吸附載體固態發酵原理與應用
61吸附載體固態發酵概論178
611吸附載體固態發酵178
612吸附載體固態發酵的優點179
62吸附載體固態發酵材料182
621惰性載體材料特性182
622惰性載體材料種類182
623吸附載體固態發酵原料處理183
624惰性載體上的微生物生長特性185
63吸附載體固態發酵的基本工藝及反應器188
631填充塔式吸附載體固態發酵188
632重複批次吸附載體固態發酵188
633連續式吸附載體固態發酵189
634臥式吸附載體固態發酵192
64吸附載體固態發酵工藝優化193
641含水量對吸附載體固態發酵的影響193
642水活度以及底物濃度對吸附載體固態發酵的影響195
643載體尺寸大小對吸附載體固態發酵的影響195
644載體堆積高度對吸附載體固態發酵的影響198
65吸附載體固態發酵的應用199
651以聚氨酯泡沫為載體固態發酵法生產克拉維酸199
652以聚氨酯泡沫為載體固態發酵法生產鹼性蛋白酶204
653固態發酵生產克拉維酸的連續化及其反應器209
654以聚氨酯泡沫為載體固態發酵法生產黃原膠216
655以聚氨酯泡沫為載體固態發酵法生產細菌纖維素219
66吸附載體固態發酵的前景220
661吸附載體固態發酵的經濟可行性及發展前景220
662吸附載體固態發酵存在的問題220
參考文獻221

7現代固態發酵的發展趨勢和應用前景
71固態發酵的發展趨勢224
711對固態發酵本質的深入認知225
712固態發酵線上監測技術的研究與應用225
713固態發酵設備的研製225
714混合菌群的認知及廣泛應用226
715多學科交叉中的固態發酵227
72固態發酵的應用前景以固態發酵為核心的生物質生物轉化技術體系的構建227
721生物質生物轉化體系的特殊性227
722固態發酵特徵與生物質生物轉化適用性231
723以固態發酵為核心的生物質生物轉化研究進展234
參考文獻242

固態發酵技術起源於中國，具有悠久的歷史。因其具有節水、節能、高得率、清潔等優勢，逐漸受到各國的重視。經過近幾十年的迅速發展，已成為發酵工業大國，發酵工業占全國工業總產值的比例逐年提高。但由於人們對固態發酵本質認識不夠深入，以及相關的發酵設備及其配套工藝研發滯後，造成了固態發酵在大規模應用中仍存在諸多問題。現有的與固態發酵相關的書籍多側重於發酵工藝的描述，而忽視了對固態發酵工藝中基本原理的探究。本書以作者近十幾年在固態發酵領域所獲得的科研成果及其相關產業化為主體內容，對固態發酵的原理和應用進行了系統介紹，以期提升固態發酵工業的技術水準，促進固態發酵工業更好的發展。

本書從固態發酵的本質出發，以自然界的固態發酵過程為指導，深入研究固態發酵過程中微生物的生物學特性；借鑒多孔介質理論，結合“三傳一反”原理，重點研究固態發酵的工藝過程。用基本理論解釋固態發酵現象，突出固態發酵的獨特優勢。 因此，每一章都從原理、技術、工藝、應用等幾方面展開論述。通過對基本原理的闡述，衍生出相關的技術；通過不同技術間的偶合，建立起成熟的工藝；通過多工藝的有機整合，建立了現代固態發酵技術平臺，使讀者能更清晰地認識固態發酵，知其然，更能知其所以然。

本書首先介紹了固態發酵的本質內涵及其發展歷程；其次，分別從生物學角度和過程工程學角度論述固態發酵的本質及其影響因素；再次，詳細介紹了好氧固態發酵、厭氧固態發酵、吸附載體固態發酵的基本原理、配套工藝及其產業化的相關情況；最後，基於作者對固態發酵的研究及認識，提出了固態發酵的發展前景。

作者在該方面的研究得到了國家重點基礎研究發展計畫（“973”計畫）（2011CB707401）和國家高技術研究發展計畫（“863”計畫）（SS2012AA022502）的資助。另外，我的碩士和博士研究生的研究工作是本書得以出版的重要前提，特別是研究生段穎異、張志國、賀芹、李冠華、馬力通、王寧等參與本書中部分章節的寫作和許多文字工作。在本書編著過程中，參考了國內外前輩和同行們撰寫的書籍和期刊論文資料，在此一併表示衷心感謝。

本書不當之處誠請讀者批評指正，並歡迎來函指導。

陳洪章2013年8月於北京
中國科學院過程工程研究所