生物工程生物技術(shù)專業(yè)英語翻譯(四).doc

第四章 發(fā)酵技術(shù)4.1 發(fā)酵的本質(zhì)發(fā)酵技術(shù)的起源是大量利用微生物生產(chǎn)食品和飲料，像奶酪、酸乳酪、酒精飲料、醋、泡菜、腌菜及sausages、醬油和許多其他Oriental fermentation（表4.1）。今天這些產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)過程是過去家庭內(nèi)部生產(chǎn)活動的放大版本。與產(chǎn)品形成的發(fā)展齊頭并進(jìn)的是對微生物在除去不喜歡的廢物過程中所扮演的角色的認(rèn)識，這使得大規(guī)模世界范圍服務(wù)業(yè)的出現(xiàn)，包括水的凈化、污水處理及垃圾處理。發(fā)酵技術(shù)新的擴展利用微生物（1）過量生產(chǎn)重要的特殊的代謝物像甘油、醋酸、乳酸、丙酮、butyl alcohol, butane diol,有機酸、氨基酸、維生素、多糖和黃原膠；（2）生產(chǎn)有用的次級代謝物（代謝物群體其在生產(chǎn)它們的微生物的生命中發(fā)揮的作用好像不能很快的被認(rèn)識到）像青霉素、鏈霉素、土孢菌素、頭孢菌素、赤霉素、生物堿、放線菌素；和（3）生產(chǎn)酶作為想要的工業(yè)產(chǎn)品像胞外酶淀粉酶、蛋白酶、果膠酶或者胞內(nèi)酶像轉(zhuǎn)化酶、天冬酰胺酶、尿酸氧化酶、限制性核酸內(nèi)切酶和DNA連結(jié)酶。最近，發(fā)酵技術(shù)開始利用高等植物和動物細(xì)胞進(jìn)行我們所知道的細(xì)胞或組織培養(yǎng)。植物細(xì)胞培養(yǎng)主要針對生產(chǎn)次級代謝物如生物堿、香水和調(diào)味品，而動物組織培養(yǎng)開始關(guān)注的是蛋白質(zhì)分子形成如干擾素、單克隆抗體和許多其它的蛋白質(zhì)。大大肯定了發(fā)酵產(chǎn)品的未來市場，由于limited exception, 通過化學(xué)方法不能經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)這些產(chǎn)品。而且，經(jīng)濟(jì)性也發(fā)生在基因工程有機體而具有獨特的和更高的生產(chǎn)能力。發(fā)酵技術(shù)產(chǎn)品的商業(yè)市場是無限的但是最終要取決于經(jīng)濟(jì)與安全性方面的考慮。 商業(yè)發(fā)酵過程是in essence非常相似的不管選擇的是什么有機體、用的是什么培養(yǎng)基及形成什么產(chǎn)物。在所有的情況下，大量的具有一致特征的細(xì)胞在限制的控制的條件下生長。同一個裝置經(jīng)過微小改動就可以用來生產(chǎn)酶、抗生素、有機化學(xué)試劑或者單細(xì)胞蛋白。發(fā)酵過程最簡單的形式就是僅僅是with a nutrient broth微生物的混合，并使組分發(fā)生反應(yīng)。更為先進(jìn)和復(fù)雜的大規(guī)模生產(chǎn)過程需要對整體環(huán)境的控制從而使發(fā)酵過程能夠有效地進(jìn)行，更為重要的是，能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行重復(fù)，用相同量的原料、broth和cell inoculum生產(chǎn)出相同量的產(chǎn)物。所有的生物工程過程都是在一個容器或者生物反應(yīng)器中進(jìn)行的。在過去的三十年里，大部分共同的生物反應(yīng)器的物理形式?jīng)]有發(fā)生多大的改動。然而，近來，設(shè)計出了許多新型的生物反應(yīng)器，它們將越來越積極的參與到生物工程中。生物反應(yīng)器的主要功能是減少一個產(chǎn)品或這服務(wù)的生產(chǎn)成本，而位于設(shè)計和功能不斷改進(jìn)后面的驅(qū)動力是提高產(chǎn)品形成速度和產(chǎn)品或者服務(wù)質(zhì)量的需求。研究開始考慮更好的aseptic 設(shè)計和操作、更好的過程控制包括計算機的使用及怎樣去更好的理解一個系統(tǒng)尤其是熱量和質(zhì)量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的速度控制步驟。在生物工程中，處理過程可認(rèn)為是成本轉(zhuǎn)化（conversion cost intensive）或者成本回收（recovery cost intensive）。對于conversion cost intensive，體積生產(chǎn)力Qp是重要的，而對于recovery cost intensive，產(chǎn)品的濃度P是減少成本的主要標(biāo)準(zhǔn)。表4.2列出了生物化工工業(yè)利用生物反應(yīng)器生產(chǎn)出的各種不同的產(chǎn)品，而表4.3分辨了生物工程中所采用的各種培養(yǎng)方法。用于生物工程的生物反應(yīng)器有三種主要的操作方式和兩種形式的生物催化。生物反應(yīng)器可在分批式、半連續(xù)（分批給料fed-batch）或者連續(xù)基礎(chǔ)上進(jìn)行操作。反應(yīng)可以在穩(wěn)定的或者攪動的（agitated）培養(yǎng)液中，在有氧或者無氧、水溶液或者低濕度（固體底物發(fā)酵）條件下進(jìn)行。Biocatalyst可以是處于生長狀態(tài)或者不處于生長狀態(tài)的細(xì)胞或者是分離的酶用作可溶的或固定的catalyst?？傮w上，生物反應(yīng)器中發(fā)生的反應(yīng)是在溫和的pH（近中性）和溫度（20-65）條件下進(jìn)行的。在大部分生物反應(yīng)器里，反應(yīng)過程是在水相中進(jìn)行的，產(chǎn)品streams就相對被稀釋了。對生物反應(yīng)器過程的優(yōu)化包括減少原料（例如，養(yǎng)分、前體、酸/堿、空氣）和能量（能量消耗以平均每年16%的速度上漲）的使用，在回收前提高broth中產(chǎn)物的純度和質(zhì)量。過程優(yōu)化是通過控制過程的物理和化學(xué)參數(shù)來實現(xiàn)的。表4.4列出了過程變化的范圍它對于過程的發(fā)展是重要的并且在后面進(jìn)行討論。這章余下的內(nèi)容將關(guān)注在生物反應(yīng)器中微生物進(jìn)行生長的原理，而且更為關(guān)注的用于產(chǎn)品形成的微生物細(xì)胞。不管酶是以水溶液還是固定化形式發(fā)揮作用的，針對于它所采用的生物反應(yīng)器與特定類型的固定化微生物細(xì)胞系統(tǒng)一起將在第五章中講述。4.2 水溶液系統(tǒng)中微生物培養(yǎng)的原理有機體的生長可以看作是以質(zhì)量形式或是以細(xì)胞數(shù)目形式所反映的細(xì)胞物質(zhì)的增加，而且是高度一致（coordinated）的一系列（series）以酶催化的生物步驟的結(jié)果。生長的最佳表達(dá)取決于必需養(yǎng)分傳遞到細(xì)胞表面（質(zhì)量傳遞）與維持的最佳環(huán)境參數(shù)如溫度和pH。生物反應(yīng)器中細(xì)胞物質(zhì)（X）或者是生物體的數(shù)量由重量gravimetrically（用干重、濕重、DNA或者蛋白質(zhì)）或者數(shù)量numerically（用細(xì)胞數(shù)）決定。倍增時間（td）指生物體重量倍增所需要的時間，而傳代時間（g）指細(xì)胞數(shù)倍增所需要的時間。在平衡生長或者指數(shù)生長過程中，當(dāng)生長過程只由細(xì)胞固有的intrinsic活性所控制的話，如果g= td，則每一個細(xì)胞都可以進(jìn)行分裂。平均倍增時間隨著細(xì)胞大小與復(fù)雜性的增加而增加；隨后時間里值的范圍可以進(jìn)行實驗獲得：細(xì)菌為0.25-1、酵母為1.15-2、霉菌為2-6.9以及植物細(xì)胞為20-40。在理想條件下，微生物合成的潛力是非常巨大的，對于某些類型的細(xì)菌，倍增時間僅為15min。然而，最佳生長條件不適用于任意時間長度，而且實際中，生長過程取決于一個限制因素，例如一種關(guān)鍵養(yǎng)分。當(dāng)這個因素的濃度降到0，那么這個有機體的生長潛力也就下降。Monod（1942）的經(jīng)典研究得到表述生物反應(yīng)器中微生物生長關(guān)鍵性質(zhì)的數(shù)學(xué)方程。最初數(shù)學(xué)方程描述比生長速率由S的濃度而作用：（方程式1）這種情況下，S是培養(yǎng)基中一種底物的濃度，與其它重要的養(yǎng)分相比，這種底物的濃度是有限的，max是有機體的最大比生長速率，而Ks代表一個飽和常數(shù)。Ks為底物濃度，此時=max/2。這樣，如果把底物濃度一直保持為一個合適的值（對于連續(xù)培養(yǎng)是重要的），就進(jìn)行指數(shù)生長，比生長速率的值在0到max之間。對生長過程關(guān)鍵養(yǎng)分的鑒定和進(jìn)行生長所需要的最佳條件來源于分批式與連續(xù)式生物反應(yīng)器系統(tǒng)。有機體濃度的增加速率（dx/dt）就是生長速率，而比生長速率是有機體濃度的單位增加速率（1/x）（dx/dt）。微生物生長與底物利用之間存在一種簡單的關(guān)系。在簡單的系統(tǒng)中，生長速率是底物利用速率的一個恒定的部分，Y：（方程式2）Y是生長得率系數(shù)over生長過程的任何時間段。知道了三種生長常數(shù)max、Ks和Y的意義，方程式（1）和（2）就給出了一次分批式發(fā)酵生長周期的完整數(shù)量描述。在分批式發(fā)酵中，在最佳的溫度、pH和混合條件下，把生長所需的inoculum與養(yǎng)分一同置于一個容器中。這代表了一個封閉的系統(tǒng)除了耗氧有機體，可以連續(xù)不斷的向生物反應(yīng)器供應(yīng)空氣。在分批式培養(yǎng)中，生長速率與比生長速率不是一個常數(shù)，反映了系統(tǒng)養(yǎng)分不斷變化的特點。圖4.1示意了微生物分批生長的復(fù)雜的本質(zhì)。最開始的滯后期是沒有可見的微生物生長的時期，但是化學(xué)分析表明有許多隱蔽的轉(zhuǎn)向代謝暗示著細(xì)胞正在適應(yīng)新的環(huán)境并且將要開始生長in due coure。inoculum的生理條件被認(rèn)為不僅是滯后期持續(xù)時間的一個主要影響因素而且還影響未來生長過程和形成產(chǎn)物的特征，例如抗生素的合成。在inoculum 生長之后與指數(shù)生長發(fā)生之前，有一個過渡的加速期。這個時期無法從生理和數(shù)學(xué)上很好的理解，因為細(xì)胞群有不同的年齡結(jié)構(gòu)和代謝過程。在指數(shù)生長期，在有過量養(yǎng)分和沒有抑制劑存在的條件下，微生物生長是無限制的。比生長速率達(dá)到最大值，=max。然而，在大部分分批式培養(yǎng)過程中，指數(shù)生長是短暫的。由于養(yǎng)分被生長細(xì)胞群用光，無限制的生長就被有限生長所代替，同時，盡管細(xì)胞群仍在增加，但是任何特定點的比生長速率將變得越來越小，max。跟隨這個降速期之后的是穩(wěn)定期，在穩(wěn)定期，由于養(yǎng)分已經(jīng)耗盡，整體生長將不再進(jìn)行。生物體平衡產(chǎn)生，因為生長速率= 死亡速率許多重要的生物工程產(chǎn)品是在生長周期的這個時期optimally形成的，例如抗生素。周期的最后一個時期是死亡期，此時比生長速率為負(fù)值（D，dx/dt為正值，細(xì)胞濃度升高；當(dāng)D，dx/dt為負(fù)值，細(xì)胞洗出；當(dāng)=D，dx/dt=0，且x是常數(shù)。在這種情況下，形成穩(wěn)定狀態(tài)，有機體的濃度隨時間不發(fā)生變化。稀釋率也影響生物反應(yīng)器中底物的濃度。在生物反應(yīng)器中，底物進(jìn)入時的濃度為sR，被有機體消耗流出時的濃度為s。由另一個平衡方程獲得底物濃度變化的net速率：增加=輸入-輸出-消耗=輸入-輸出-生長/生長得率系數(shù)dx/dt=DSR-Ds-x/Y當(dāng)稀釋率超過max時，有機體洗出。當(dāng)一個連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)被看作一個生產(chǎn)系統(tǒng)（例如SCP）過程的時候，它的performances用兩個標(biāo)準(zhǔn)來評價：（1）單位時間產(chǎn)生的細(xì)胞數(shù)ouput速率；和（2）單位重量的底物生成的細(xì)胞數(shù)有效生長速率或產(chǎn)量系數(shù)。在穩(wěn)定狀態(tài)下，總的ouput等于產(chǎn)物流速和有機體的濃度。為了獲得最大ouput細(xì)胞或者生物體，稀釋率必須高但是它顯然不能超過max。實際上，將高ouput與底物的有效利用相連的最大生產(chǎn)效率可以通過流出速度或低于最大ouput速率以及可用的最高底物濃度而獲得。這樣的最佳條件只與生物體生成相關(guān)。盡管當(dāng)所想要的產(chǎn)物如乙醇是一個發(fā)酵產(chǎn)物的時候，可以利用相類似的條件，這個發(fā)酵產(chǎn)物的形成與所消耗的底物的量成比例，但是復(fù)雜代謝物如抗生素的生產(chǎn)所需要的條件是很不相同的。半連續(xù)培養(yǎng)是培養(yǎng)的一種形式，它涉及向初始批次中連續(xù)或者系列的添加培養(yǎng)基或者底物，而沒有任何缺點。這種系統(tǒng)產(chǎn)物的產(chǎn)量有可能（well）超過傳統(tǒng)的分批培養(yǎng)。這個方法在工業(yè)中被廣泛使用，例如，在面包酵母的生產(chǎn)中。實際中，分批、半連續(xù)以及連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)用在工業(yè)中生物體的生產(chǎn)或者細(xì)胞產(chǎn)物的生產(chǎn)。出于很多的原因，分批培養(yǎng)技術(shù)代表了工業(yè)生產(chǎn)的主要形式。為了更加充分的理解進(jìn)行微生物生長的各種技術(shù)的動力學(xué)機制，應(yīng)當(dāng)參考Pirt 和Fiechter所編的書。4.3 生物反應(yīng)器設(shè)計生物反應(yīng)器是生物工程過程中進(jìn)行生物反應(yīng)的容器系統(tǒng)。它為優(yōu)化有機體的生長和代謝活動提供正確的環(huán)境條件；它必須阻止周圍環(huán)境對生產(chǎn)培養(yǎng)物的污染，同時還要組織培養(yǎng)物釋放到環(huán)境中，而且有輔助的工具或者探針對最優(yōu)過程進(jìn)行控制（表4.5生物反應(yīng)器設(shè)計的基本標(biāo)準(zhǔn)）。許多生物反應(yīng)器系統(tǒng)需要在aseptic condition 下進(jìn)行操作。在許多具有工業(yè)重要性的系統(tǒng)中，使用的是生產(chǎn)有機體的純培養(yǎng)物，而且，不需要的外來污染物的存在會以許多方式影響生產(chǎn)過程例如，用生物催化劑進(jìn)行干擾，將破壞產(chǎn)物，產(chǎn)生破壞下游處理過程的物質(zhì)，而且還將有毒物質(zhì)引入到系統(tǒng)中。為了防止出現(xiàn)這個問題，培養(yǎng)基、生物反應(yīng)器和所有附屬工具（pipework）都要進(jìn)行滅菌（常用高壓蒸汽），而且通入的空氣需要通過滅菌玻璃wool去除去污染物。在分批發(fā)酵培養(yǎng)基中，通常在生物反應(yīng)器進(jìn)行滅菌，而在連續(xù)系統(tǒng)中，進(jìn)行外部滅菌。 在發(fā)酵工業(yè)中，會有污染微生物確實進(jìn)入到生物反應(yīng)器中并產(chǎn)生破壞的偶然情況發(fā)生。由于這個原因，在抗生素工業(yè)中，生物反應(yīng)器很少有大于200m3的，原因就是當(dāng)污染發(fā)生就會造成大量的損失。當(dāng)采用連續(xù)過程，就需要更加嚴(yán)格的滅菌操作?；蚬こ涛⑸镌诠I(yè)中期望更大的利用就需要更為昂貴的除菌技術(shù)。對于耗氧過程，設(shè)計必須包括通入空氣和混合物質(zhì)的機制，并且所有的系統(tǒng)都必須提供接種和檢樣及charging and discharging the vessel。需要通過冷卻機制除去來自攪拌、通氣和氧化代謝過程的能量輸入。能量輸入的處理低于決定整個混合和通氣速率是必要的。構(gòu)造材料應(yīng)該是無毒的、耐蒸汽壓并能抵御化學(xué)和電子腐蝕。工業(yè)生物反應(yīng)器常常用highly polished不銹鋼建造。生物反應(yīng)器有多種形狀和大小，且高徑比是重要的工作參數(shù)。工業(yè)生物反應(yīng)器的大小受所需要的產(chǎn)物的濃度影響，無論選擇的是分批還是連續(xù)操作。盡管連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)在研究中使用廣泛，但是發(fā)現(xiàn)它們在工業(yè)中的應(yīng)用是有限的，例如，SCP和乙醇的生產(chǎn)過程及污水處理。幾乎所有其他的工業(yè)過程采用的是分批或者半連續(xù)培養(yǎng)方法。分批和半連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)在工業(yè)中的主導(dǎo)地位出于以下一些原因或者全部原因。（a） 在任意設(shè)定的時間內(nèi)，所需要的產(chǎn)物相對數(shù)量較小。（b） 市場要求 can be intermittent（c） 某些產(chǎn)物的儲存期限短。（d） 需要高的產(chǎn)物濃度以優(yōu)化下游處理過程。（e） 某些產(chǎn)物只在生長周期的穩(wěn)定期才產(chǎn)生。（f） 某些生產(chǎn)菌株的不穩(wěn)定性需要regular renewal.（g） 連續(xù)過程有許多技術(shù)難題。盡管工業(yè)生物反應(yīng)器有許多設(shè)計，但是建立已久的連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（CSTR）或者容器一直被廣泛使用（圖4.2(a)）。在沒有機械攪拌的生物反應(yīng)器中，例如，塔式或者環(huán)路式生物反應(yīng)器，通過通入氣體來實現(xiàn)攪拌（圖4.2(b)）。在大規(guī)模的這些類型的生物反應(yīng)器的液體發(fā)酵中，已經(jīng)認(rèn)為這樣的設(shè)計可以經(jīng)濟(jì)性的與機械攪拌生物反應(yīng)器相競爭。然而，在所有系統(tǒng)中，黏度的提高將產(chǎn)生關(guān)于通氣的主要問題，由于小的氣泡合并為大的氣泡而表面積減少?？傮w上，發(fā)酵工業(yè)所要求的生物反應(yīng)器應(yīng)能滿足不同的操作條件，包括變化黏度、通氣速率、攪拌強度和發(fā)酵體積，而實踐中，CSTR已被廣為采納。決定選擇的一個進(jìn)一步的考慮是許多工業(yè)需要處理一個植物體內(nèi)不同的產(chǎn)物；因此，可以容易的進(jìn)行改動的可變系統(tǒng)將是人們所喜歡的。CSTR最基本的設(shè)計發(fā)展于1940s和1950s工業(yè)生產(chǎn)青霉素。它常為一個完全直立的有擋板cylinder而且擋板的寬度為罐直徑的10%。無菌空氣由容器底部通入，通過一個打開的管或者環(huán)狀鼓泡器。直立shaft with overhead drive 帶有一個或者多個攪拌漿葉取決于徑高比。攪拌漿葉常常位于中間位置與罐直徑相等 along the shaft去防止流體湍流運動。大部分生物反應(yīng)器采用平葉式透平攪拌器，一般3-5 are mounted進(jìn)行良好的攪拌和分散于系統(tǒng)高度（圖4.2(a)）。這種攪拌器系統(tǒng)需要輸入高的動力，且進(jìn)行大量的研究以尋找更為有效的設(shè)計。一個典型的工業(yè)CSTR如圖4.3所示。攪拌漿葉的作用是在生物反應(yīng)器中進(jìn)行攪拌和混合并且使通氣便于進(jìn)行（圖4.4）。攪拌和通氣是CSTR操作成本的重要部分。攪拌的主要作用是使細(xì)胞和養(yǎng)分懸浮通過培養(yǎng)基，使養(yǎng)分包括氧氣能夠被細(xì)胞利用并且使熱量轉(zhuǎn)移。絕大多數(shù)的工業(yè)有機體是好氧的，在大多數(shù)發(fā)酵過程中，有機體是高氧需求。既然氧氣是一種在水溶液中sparingly可溶的氣體，那么發(fā)酵過程可由vigorous aretation of the broth 來支持。攪拌以三種方式影響氧傳遞系數(shù)（KLa）：（1）攪拌漿葉將空氣打碎為小的氣泡增大氣體與液體之間的接觸面積，（2）攪拌延緩了空氣從生物反應(yīng)器中的流失，和（3）turbulent shear 可以減少氣體與液體接觸面的film厚度。 塔式生物反應(yīng)器可定義為加長的攪拌容器，徑高比大于6:1（圖4.2(b)）。塔式生物反應(yīng)器沒有機械攪拌；空氣由塔的底部通入，只能依靠氣泡的上升進(jìn)行混合。由于這個原因，有機體受shear的影響很少。環(huán)路式生物反應(yīng)器在特定的方向引入了一個強大的、可控制的liquid bulk flow（圖4.2(c)）。這通過引入draft或者擋板tubes 產(chǎn)生一種液體“內(nèi)部循環(huán)”或者通過使用循環(huán)管的“外部循環(huán)”來實現(xiàn)。大量來自生活和工業(yè)用的廢水通常用厭氧和耗氧生物反應(yīng)器系統(tǒng)來處理。在沒有氧氣的情況下，某些專門化的微生物能夠?qū)⒖缮锝到獾挠袡C物質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳和新的新的微生物細(xì)胞。初始有機物質(zhì)中，大約90%化學(xué)鍵合的能量以甲烷的形式回收，5-10%的能量用于新微生物的形成，而約有3%作為熱量而浪費掉。這與好氧降解過程形成鮮明的對比，好氧過程中，大約有60%的可利用的能量用于新細(xì)胞的生長，而約40%作為過程中熱量而損失。最為典型的厭氧生物反應(yīng)器或者消化器是CSTR（圖4.2(d)），以連續(xù)或者半連續(xù)方式進(jìn)行操作。利用這個系統(tǒng)，濃縮的廢水例如，城市污水處理的sludge與厭氧微生物大約在30下混合，選擇the hydraulic retention time (反應(yīng)器中水滯留的平均時間)使廢水有效的穩(wěn)定而獲得高的甲烷產(chǎn)量。對于食品和發(fā)酵工業(yè)的強的培養(yǎng)基廢水，技術(shù)設(shè)計要能在連續(xù)操作系統(tǒng)中，維持微生物生物體較長的時段。由此，固體retention time與液體retention time無關(guān)（uncouopled from），在消化罐中可以獲得高的微生物濃度，而產(chǎn)生高的降解速率。對于非常稀的廢水，例如，城市污水，需要非常長的固體retention time，而且這只能通過流動床過程來實現(xiàn)（見第五章）。甲烷發(fā)酵最杰出的例子就是中國的生物氣生產(chǎn)過程，建立了幾百萬個家庭規(guī)模的厭氧生物反應(yīng)器。這種生物反應(yīng)器處理糞肥、人類排泄物和秸稈，產(chǎn)生生物氣用來做飯和照明，以及垃圾的凈化，其后來成為一種很好的肥料，每立方米生物反應(yīng)器每天的體積載量為4kg，mean停留時間小至10天，整個規(guī)模的甲烷生物反應(yīng)器可期望每立方米生物反應(yīng)器生產(chǎn)1立方米氣體。激活的污水sludge處理過程廣泛用于污水及其他工業(yè)垃圾的氧化處理。這些過程采用的是分批或者連續(xù)攪拌生物反應(yīng)器系統(tǒng)以增加空氣的通入來優(yōu)化有機物質(zhì)的氧化分解（圖4.2(e)）。這些生物反應(yīng)器是很大的，為了使其發(fā)揮最佳的功能，有一些或者許多的攪拌單元使容易的進(jìn)行混合及許多處理城市污水的植物攝取氧。由于它們開放式的本質(zhì)，有時候會出現(xiàn)氣味的問題。工業(yè)廢物廢水的厭氧生物處理較為采納的原因是：（1） 通氣時不需要能量；（2） 有機物質(zhì)高效的轉(zhuǎn)化為生物氣，用來作為燃料；（3） 沒有氣味問題；（4） 產(chǎn)生很少的surplus sludge；（5） 經(jīng)過顯微操作，可以生產(chǎn)出高附加值的產(chǎn)物。4.4 培養(yǎng)基設(shè)計培養(yǎng)基設(shè)計要滿足生產(chǎn)有機體、生產(chǎn)目的和操作規(guī)模的營養(yǎng)要求。對于許多大規(guī)模的生物工程成本，培養(yǎng)基組分的可利用性和處理特點是決定選擇的主要因素。對于異氧微生物來說，最基本的營養(yǎng)要求是能量或者碳源、一種可利用的氮源，無機物組分及對于某些微生物還要有生長因子。對于大多數(shù)生物工程過程，碳源及氮源常常來源于廉價的天然產(chǎn)物或者副產(chǎn)物的復(fù)雜的混合物（表4.6），而自來水中或者主要的初原料中常含有足量的稀有金屬。當(dāng)需要生長因子的時候，供應(yīng)的應(yīng)是純品，但是出于經(jīng)濟(jì)原因，常常以植物或者動物的提取物來供應(yīng)。所需要的生長因子的主要的類型是B族維生素或者相關(guān)化合物，特定的氨基酸和某些脂肪酸。如果不進(jìn)行pH控制，碳源及氮源的合適的平衡對于過程的pH類型是重要的。對大多數(shù)過程而言，營養(yǎng)物質(zhì)必須溶于水。在分批系統(tǒng)中，初體積中常常含有所有的營養(yǎng)物質(zhì)。以特定的速率為基礎(chǔ)通過添加某些營養(yǎng)物質(zhì)的方式（半連續(xù)培養(yǎng)），對分批培養(yǎng)中的發(fā)酵反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)控。通過這種方式，維持了關(guān)鍵的誘導(dǎo)物溶液?？衫玫臓I養(yǎng)物質(zhì)將對發(fā)酵反應(yīng)和產(chǎn)物形成過程進(jìn)行強大的生理控制。由于原料占到可變的發(fā)酵成本的60-80%，那么在按配方配制培養(yǎng)基時，經(jīng)濟(jì)性是要paramount考慮的。一個發(fā)酵過程攝入的原料主要取決于特定時期原料的成本，因為商品的價格隨著季節(jié)和其他變化而上下浮動的。原料的選擇也取決于處理和儲存成本、配制過程的容易性及滅菌，同時還需要考慮到健康和安全性。發(fā)酵過程中培養(yǎng)基的配制和特定養(yǎng)分的可利用性對產(chǎn)物的優(yōu)化有著極大的影響。因此，如果發(fā)酵的目的是生物體或者是一種生長產(chǎn)物（growth-asscoiated）的話，培養(yǎng)基就必須能進(jìn)行最大潛能的生長。對不是生長限制性的化合物，例如有機酸、抗生素等等，在初生長期后，培養(yǎng)基要成為一種或者多種養(yǎng)分的缺陷型。根據(jù)所研究的生產(chǎn)過程的本質(zhì)，尤其是如果需要的是次級代謝產(chǎn)物，那么成功采用對磷、氮、，碳水化合物或者痕量金屬的限制而實現(xiàn)。某些過程需要培養(yǎng)集中含有一種誘導(dǎo)物，而其他過程可能被培養(yǎng)基的一種組分所阻遏。分解代謝物阻遏在酶的生產(chǎn)中是特別普遍的問題，且證實常常發(fā)生在含有葡萄糖的培養(yǎng)基中。阻遏可通過用慢發(fā)酵的碳水化合物或者特別是水解淀粉取代葡萄糖而避免。在特定的發(fā)酵過程中，也采用遞增或者連續(xù)的補加一種濃縮的組分的方式。一種工業(yè)培養(yǎng)基的組成不僅基于發(fā)酵時期的需要而且基于后續(xù)的純化步驟。培養(yǎng)基配制也應(yīng)該以生產(chǎn)a final fermentation broth 為目標(biāo)，這個final fermentation broth要黏度低，具有易分離的細(xì)胞質(zhì)量( mass)，且影響終產(chǎn)物特性（specifications）的殘余化合物少。培養(yǎng)基的滅菌方法應(yīng)以對培養(yǎng)基組分或者參與的礦物質(zhì)的最小程度的溫度損害實現(xiàn)最大程度的殺死污染微生物。細(xì)菌內(nèi)生孢子對于穩(wěn)定培養(yǎng)基構(gòu)成一個嚴(yán)重的問題，因為它們在超過100才能被殺死。在這些溫度下，許多培養(yǎng)基組分是脆弱的（laible）而且會被破壞。在這種情況下，其他可采用的滅菌方法包括過濾或者射線照射。對于多數(shù)培養(yǎng)基，分批滅菌仍是所選擇的方法，盡管連續(xù)滅菌已被廣泛采納。連續(xù)滅菌過程在超過120的溫度下經(jīng)過短時間處理可有效的殺死孢子，而對培養(yǎng)基養(yǎng)分不產(chǎn)生有害的影響。實際中，連續(xù)滅菌是通過給培養(yǎng)基中穿過一個熱交換器來進(jìn)行的，在那里（where）熱交換器在短時間內(nèi)升至所要求的高溫度。接著培養(yǎng)基穿過一個線圈（holding coil），在這個溫度下維持所預(yù)定的時間，最后通過反向循環(huán)的冷培養(yǎng)基的輸入或者冷水迅速冷卻。高溫/瞬時滅菌過程提高了生長因子的保存時間且產(chǎn)生很少的顏色變化。熱量的回收是額外的優(yōu)點。直接通入蒸汽也被用來滅菌。4.5 儀器化（instrumentation）和生物反應(yīng)器的過程控制所有的生命有機體都受到大范圍的（a wide range of）細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外調(diào)控因子的作用，像溫度、pH及O2。這些每個因子的鑒定和作用都源于傳統(tǒng)的生理和生化研究。在所有的生物工程過程中，關(guān)鍵的是優(yōu)化生產(chǎn)力。這只能依靠鑒別和控制這許多已知的調(diào)節(jié)有機體活性的因子來實現(xiàn)?？刂粕锘钚缘沫h(huán)境特征參數(shù)可以是物理的、化學(xué)的和生物化學(xué)的，而且不總是那么容易的辨別和處理（見表4.4）。生物反應(yīng)器的儀器化對于控制特定參數(shù)、對它們進(jìn)行記錄、然后用這些信息提高和優(yōu)化過程已經(jīng)越來越重要了（表4.7）。實際中，過程控制的一種措施是利用傳感器，它然后與固定值進(jìn)行比較。這兩項值之間的差異（discrepancy）用來改動對過程進(jìn)行操作的激勵器的位置，這樣確保改動的值更接近于固定值。實現(xiàn)這種改動（measurement）與固定值進(jìn)行比較的物理設(shè)備是控制器，而且通過這樣的方式，由傳感器、控制器和激勵器組成的可以調(diào)節(jié)特定因子的控制環(huán)路就構(gòu)成了。生物反應(yīng)器控制措施可以以在線或者離線方式進(jìn)行。對于在線控制，傳感器直接安裝在過程流（process stream）中，然而對于離線控制，一個樣品從過程流中取出并進(jìn)行分析。一種理想的傳感器是經(jīng)過蒸汽滅菌的、可產(chǎn)生可靠的連續(xù)的信號并且能進(jìn)行在線操作。它應(yīng)該容易進(jìn)行標(biāo)定、智能的而且對過程無影響。缺乏有效的用于控制的傳感器是發(fā)酵技術(shù)發(fā)展中的一個主要的障礙（bottleneck）。在線控制的比較典型的傳感器類型有那些用于溫度、pH、壓力、液體和氣體流速、CO2及O2測定的傳感器。完整的生物反應(yīng)器過程仍由于缺乏能夠?qū)ο馜NA、RNA、酶及生物體這些重要的變量進(jìn)行控制的可靠工具而受到嚴(yán)重限制。離線分析對這些化合物仍為重要，而由于這些分析結(jié)果常常在檢樣幾小時后才可以利用，所以它們不能用來進(jìn)行快速控制。一些已證明比較好的在線系統(tǒng)將通過某些未來的工程化在線控制技術(shù)來進(jìn)行檢驗。4.6 控制技術(shù)溫度 溫度通過對反映速率的動力學(xué)作用和對酶活性和穩(wěn)定的催化作用影響生物過程。有許多能調(diào)節(jié)生物反應(yīng)器溫度的傳感器類型包括thermocouples, resistance thermometers, thermistors and capillaries.他們都是通過產(chǎn)生一個輸出信號而發(fā)揮作用，這個信號用在控制環(huán)路中。大體積的生物反應(yīng)器需要一些溫度傳感器以確保發(fā)酵體積中合理的溫度分配。pH 大多數(shù)有機體的生長對于pH的變化是敏感的，每群有機體有特定的最優(yōu)的pH值。產(chǎn)物形成的最佳pH值與生長最佳pH值不同。pH確信它主要影響細(xì)胞壁的通透性及有鍵合于細(xì)胞壁外的酶參與的反應(yīng)速率。pH傳感器或者離子-選擇性電極在生物反應(yīng)器中廣泛應(yīng)用。現(xiàn)代pH探頭可以耐受蒸汽滅菌和某些高程度的處理。溶解氧 生物反應(yīng)器中應(yīng)用的多數(shù)有機體需要氧的連續(xù)供應(yīng)。溶解氧（DO）探針測量過程中液體中溶解的氧的含量。有機體活性與溶解氧之間的關(guān)系常常作為多數(shù)生物工程過程最終成功與否的主要決定因素。有兩種DO探頭，原電池型和質(zhì)譜型。設(shè)計上兩者沒多大的區(qū)別，每種探頭都帶有兩個位于玻璃或者不銹鋼中的電極。DO探頭的最大的問題是它們應(yīng)變慢而且在低DO濃度下非常不穩(wěn)定。需要耗掉大量的時間而且不耐受反復(fù)的滅菌。生物反應(yīng)器的攝氧速率可采用順磁氧分析儀或者質(zhì)譜儀來測定輸入與輸出氣流氧的濃度而獲得，質(zhì)譜儀速度很快但是非常昂貴。溶解CO2 fermentation broth 中CO2的溶解水平提供了這個過程的大量的信息。膜包裹的酶電極現(xiàn)在用于溶解的CO2的測定，但它們昂貴而且不穩(wěn)定。對氣相CO2的測定可以采用spectrophotometric, 氣相色譜或者質(zhì)譜的方法。固定化酶探頭 這些新一代的探頭是將酶固定于靠近一種電化學(xué)傳感器的表面上而制造出來的，常常是DO或者CO2探頭。酶可以與一種特殊的分子反應(yīng)產(chǎn)生能被電化學(xué)傳感器檢測的應(yīng)答。酶電極原型樣品反映了許多化合物包括葡萄糖、sucrose、urea、丙酮酸、青霉素、乙醇、乳酸鹽、甲烷、膽固醇及一些氨基酸。這些酶電極是高度專一的，不受其他化合物的影響，容易校準(zhǔn)且敏感性高。然而，它們應(yīng)答時間長，不能進(jìn)行蒸汽滅菌、難用于在線控制環(huán)路。但是，確定的是，酶探頭的專一性與無限的應(yīng)用空間使它成為未來發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的一個令人振奮的領(lǐng)域。生物體 在現(xiàn)有成本基礎(chǔ)上，還無法實現(xiàn)對生物體的在線自動分析。考慮采用基于氧氣與二氧化碳物質(zhì)平衡的間接方法。實際中，生物體包括蛋白質(zhì)、DNA和RNA仍是耗時的離線測定。數(shù)據(jù)處理 從各種在線和離線處理獲得的數(shù)據(jù)最初存儲在筆記本或者記錄表里，而現(xiàn)在常常存儲在電腦或是磁帶和磁盤中。一個特定的發(fā)酵過程的數(shù)據(jù)以文件的形式存儲在電腦里，它實際上涵蓋培養(yǎng)基的配制、發(fā)酵過程及復(fù)雜的下游處理過程。數(shù)據(jù)的存儲和組織現(xiàn)在是多數(shù)工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)中一個主要的操作步驟。計算機已經(jīng)成為一種有價值的、確實必不可少的了解和控制發(fā)酵過程的手段。這樣，一個作用單元就可能包括過程調(diào)控、順序控制、連續(xù)控制、計算、數(shù)據(jù)的儲存、數(shù)據(jù)的供應(yīng)與報告。計算機在生物技術(shù)中的進(jìn)一步應(yīng)用還包括核酸和蛋白質(zhì)序列分析、限制性圖譜的繪制、分子過程的加速及實驗設(shè)計和調(diào)試。4.7 質(zhì)量和能量傳遞在生物反應(yīng)系統(tǒng)中，有機體的生長和代謝需要連續(xù)供應(yīng)和攝入重要的養(yǎng)分，同時排除有毒的代謝廢物。有機體表面和它的內(nèi)環(huán)境之間發(fā)生的物質(zhì)交換是我們所知道的質(zhì)量轉(zhuǎn)移。質(zhì)量轉(zhuǎn)移和相伴隨的（concomitant）生長及有機體的生物活動只有向生物反應(yīng)系統(tǒng)中供應(yīng)或者從其中排除一定形式的能量才能進(jìn)行。由此，滅菌和過程溫度控制就需要熱量，而對生物反應(yīng)中物質(zhì)的攪拌和混合就需要機械能：生物活動的結(jié)果是產(chǎn)生代謝能。質(zhì)量和能量的傳遞過程是一切發(fā)酵過程的主要部分。促進(jìn)（furtherance）對它們的理解對于擴大生物工程過程是非常重要的?？刂瀑|(zhì)量和能量轉(zhuǎn)移的原則來源于化學(xué)工程實踐。質(zhì)量傳遞 一切生物反應(yīng)過程的中心是供給適量的養(yǎng)分以滿足微生物代謝的需要，達(dá)到最適生長和產(chǎn)物形成。（倒裝） 一種營養(yǎng)組分在從原料相（例如氧氣鼓泡器、養(yǎng)分給料輸入口）進(jìn)入到微生物相的過程中，需要穿越一些障礙（resistances）。這些相將是連續(xù)的或是分散的。連續(xù)相常常是液體（水溶液或者非水溶液） 但也可以是氣體的，而分散相可以是氣體（空氣、CO2、甲烷等等）、液體（碳水化合物）或者固體（微生物pellets、絮凝物、固定化細(xì)胞或者固體基質(zhì)），質(zhì)量傳遞的障礙位置如圖4.5所示。在生物工程中應(yīng)用的微生物大多是需氧微生物，因而在設(shè)計生物反應(yīng)器時，氧的質(zhì)量傳遞是一個重要的應(yīng)當(dāng)考慮的問題。氣體與液體之間質(zhì)量傳遞速率受氣體組分在液體中溶解性的重要影響。不幸的是，氧只微溶于水，這就意味著要發(fā)展氧的分散技術(shù)以增大生物反應(yīng)中氧對于微生物的可利用性。控制水溶液與氣相中溶解的氧的方法已經(jīng)得到了很好的發(fā)展而且認(rèn)為同樣適用于其他地方。kLa或溶氧濃度的測定對于獲知過程中氧對于微生物的可利用性是重要的。采用orifice 產(chǎn)生氣泡的方式將空氣或者氧氣導(dǎo)入到生物反應(yīng)器中，氣泡的大小與發(fā)酵液中它們上升的速度（velocity）一同決定了氧的傳遞速率。在沒有機械攪拌的系統(tǒng)中，例如塔式反應(yīng)器，氣泡的直徑?jīng)Q定了接觸表面的區(qū)域及氣泡上升的速度。相反的，在機械攪拌反應(yīng)器中（CSTR），氣泡的大小由bulk湍流程度及液體的物理性質(zhì)而不是設(shè)計的orifice或鼓泡器而決定。液體的過度粘稠將反作用于氧的傳遞。發(fā)酵過程中，穿越固/液間阻礙的質(zhì)量傳遞不受到整個系統(tǒng)水解動力學(xué)的嚴(yán)重影響。所有的傳遞過程都是經(jīng)過分子滲透（diffusion）實現(xiàn)的，氧分（包括氧）滲入細(xì)胞的速率及細(xì)胞代謝物滲出細(xì)胞的速率將限制生物活動的速率。滲透過程一直伴隨有反應(yīng)的發(fā)生，像滲透分子的消耗與產(chǎn)生。需氧發(fā)酵可視為氣/液間質(zhì)量傳遞步驟、液/固間質(zhì)量傳遞步驟及化學(xué)或生物化學(xué)反應(yīng)步驟。混合作用對于氣/液間質(zhì)量傳遞步驟的影響大于液/固間質(zhì)量傳遞步驟。隨著生物反應(yīng)體積的不斷增大，要使生物反應(yīng)中培養(yǎng)基組分達(dá)到完全一致的分散和混合也變得越來越更為復(fù)雜。分散于整個生物反應(yīng)體積的機制涉及液體的bulk流動伴隨著混合過程，通過經(jīng)由機械攪拌或者液體湍流運動而產(chǎn)生的湍流eddies而進(jìn)入來完成混合過程的?；旌献饔脤τ谠诎脒B續(xù)培養(yǎng)與連續(xù)培養(yǎng)中添加空氣與養(yǎng)分尤為重要?；旌献饔玫哪康氖莾?yōu)化axial and radial dispersion以確保完全保留所有生物反應(yīng)部分中的發(fā)酵組分（培養(yǎng)基和微生物）。很少能夠完全的保留這些組分，而且在大規(guī)模的發(fā)酵過程中，快速和近乎一致的（uniform）分散添加的組分要通過許多次輸入至生物反應(yīng)器的過程才能實現(xiàn)。利用甲醇為基質(zhì)的大型ICI Pruteen 生物反應(yīng)器涉及了2600個單獨的entry points。當(dāng)broth is non-Newtonian（牛頓型）且高黏度，就一直會有生物反應(yīng)的部分體積是stagnant而且不能充分參與整體的發(fā)酵過程。當(dāng)axial dispersion 近于零而radial dispersion為無限大（infinite）時，所謂的plug flow 生物反應(yīng)就發(fā)生了。發(fā)酵broth的充分混合會產(chǎn)生良好的質(zhì)量傳遞速率和隨后高的生產(chǎn)力。實際中，在大多數(shù)工業(yè)發(fā)酵中，高的生產(chǎn)力必須paralleled通過降低操作成本以增大經(jīng)濟(jì)回報。傳統(tǒng)的CSTR設(shè)計需要輸入高能量（power），由此，許多新的生物反應(yīng)器設(shè)計嘗試降低特定的能量的攝入，且優(yōu)化能量的輸入與生產(chǎn)力。這些新型生物反應(yīng)器中，某些可以在低的能量輸入下提供大的接觸面積（氣泡柱等等），并且能夠?qū)τ靡粋€插入的通流管（環(huán)路反應(yīng)）hold up的氣體的流動形式進(jìn)行有力的控制。能量傳遞 生物反應(yīng)過程中能量由四種主要的來源而產(chǎn)生。（1） 機械攪拌能：電力的輸入或者攪拌將會轉(zhuǎn)化為液體運動的動能，其通過各種途徑而消散最終以熱量的形式體現(xiàn)出來。（2） gassing and 通氣能量：某些能量在鼓泡器的洞口處消散，并產(chǎn)生湍流eddies，盡管許多這種類型的能量是當(dāng)氣體向上運動時，所受液體靜壓頭減小而膨脹的結(jié)果。（3） 代謝能：生物反應(yīng)中的微生物氧化有機物分子并且某些這樣的能量以熱量的形式消散。（4） Enthalpies：生物反應(yīng)中可以產(chǎn)生熱量如果在比生物反應(yīng)器中的物質(zhì)更高的溫度下輸入stream。在一個生物反應(yīng)中產(chǎn)生熱量就會引起發(fā)酵broth的溫度超過最適的生產(chǎn)溫度。因此，必須將熱量從生物反應(yīng)器中除去?？缭焦腆w邊界將熱量排除到周圍空氣中或者內(nèi)部線圈、外殼或者外部熱交換器的冷水中。生物反應(yīng)器的冷卻系統(tǒng)的例子如圖4.6所示。當(dāng)生物反應(yīng)器在超過ambient的溫度下運行的時候，甚至允許通過上述機制產(chǎn)生熱量，也要求熱量維持一個最適的溫度。4.8 放大多數(shù)發(fā)展的生物工程過程都是實驗室規(guī)模的，商業(yè)化成功主要取決于將過程首先放大到pilot 植物水平而后是商業(yè)規(guī)模的能力。過程放大的成功實現(xiàn)必須遵守物理和經(jīng)濟(jì)規(guī)則。到現(xiàn)在為止，還沒有建立起一個統(tǒng)一的設(shè)計程序或者一種簡單的方法來進(jìn)行過程放大。對于多數(shù)有著商業(yè)興趣的產(chǎn)品，生產(chǎn)有機體（微生物、動物細(xì)胞等）將對生產(chǎn)進(jìn)行優(yōu)化，在限制某種養(yǎng)分的情況下或者根據(jù)不利的環(huán)境條件。微生物培養(yǎng)系統(tǒng)常常是異種的，而且過程中的問題主要來自養(yǎng)分的傳遞及小范圍的來自產(chǎn)物的傳遞（圖4.7）。通?？梢圆捎脤嶒炇乙?guī)模的生物反應(yīng)器（5-10L）對某些控制因子進(jìn)行鑒定，而另一些則需要pilot 規(guī)模的生物反應(yīng)器。在從一種規(guī)模的操作轉(zhuǎn)變到另一種規(guī)模的操作的過程中，某些方面將保持恒定（表4.8）；另一些則因規(guī)模增大的直接結(jié)果而發(fā)生變化（表4.8），而另一些則可以由工程人員進(jìn)行控制?，F(xiàn)實中的pilot plant 就是一個大規(guī)模的實驗室，它能彈性的容納儀器設(shè)備（生物反應(yīng)器、泵、熱交換器、儲存設(shè)施、電的和piping 服務(wù)，等等） 并且適于過程操作。工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)包括操作簡便、經(jīng)濟(jì)且容納空氣和廢水廢物。每一種pilot plant都有各自的特點和設(shè)計要求。pilot plant 生物反應(yīng)器的總體積由100到10000L，而且較大一些的pilot 生物反應(yīng)器有時候被用作生產(chǎn)單元。完全工業(yè)化規(guī)模的生物反應(yīng)器的體積范圍是40000到400000L。當(dāng)從實驗室規(guī)模轉(zhuǎn)到工業(yè)規(guī)模的時候，出現(xiàn)的主要問題有熱量的排除、氧的傳遞及培養(yǎng)基中組分的可利用性與不充分的滲透，例如，養(yǎng)分、有毒代謝產(chǎn)物、酸或者堿。解決放大過程中出現(xiàn)的問題需要在混合和通氣、調(diào)控設(shè)備及嚴(yán)格的保持無菌過程中投入大量的資本。4.9 固體基質(zhì)發(fā)酵固體基質(zhì)發(fā)酵是微生物在不含自由水和幾乎不含自由水的固體物質(zhì)上進(jìn)行生長（表4.9）。固體基質(zhì)發(fā)酵的最高階段（例如，在明顯的出現(xiàn)自由水之前）是吸收作用，由此含水量就由底物的類型決定。當(dāng)一種底物的含水量約為12%的時候，生物活動停止進(jìn)行，因此當(dāng)靠近這個值的過程中，微生物活動被大大減緩（retarded）。固體基質(zhì)發(fā)酵不是漿狀物的發(fā)酵（像含有大量不溶性固體的液體）也不是在液體培養(yǎng)基中固體物質(zhì)的發(fā)酵。固體基質(zhì)發(fā)酵中最普遍應(yīng)用的是cereal grains, legume seeds, 麥麩，木素纖維素物質(zhì)像木頭和秸稈以及許多其他植物和動物物質(zhì)。這些化合物是不可變的多聚分子，不溶于水或微溶于水，但是便宜而且容易獲得，是濃縮的養(yǎng)分原料。固體基質(zhì)發(fā)酵有著悠久的歷史，在東方已經(jīng)進(jìn)行了幾百年。許多東方食品的發(fā)酵像醬油、日本豆面醬和豆豉，都包含重要的固體基階段，而其他固體基質(zhì)過程用來生產(chǎn)酶和化學(xué)物質(zhì)像檸檬酸。在西半球，固體基質(zhì)發(fā)酵主要以植物和動物垃圾、ensiling、蘑菇培養(yǎng)和奶酪的生產(chǎn)為中心。木素纖維素的固體基質(zhì)發(fā)酵將會成為未來的重要工業(yè)，生產(chǎn)生物體、乙醇、甲烷和許多其他商業(yè)價值的產(chǎn)品。大多數(shù)基于微生物的生物工程產(chǎn)品可以通過固體基質(zhì)發(fā)酵而生產(chǎn)。這種實際生產(chǎn)過程的決定因素取決于當(dāng)于液體發(fā)酵相比時的經(jīng)濟(jì)性。在固體基質(zhì)發(fā)酵下生長良好的微生物類型主要由水活度因子（aw）決定。底物的aw從數(shù)量上反映了進(jìn)行微生物活動所要求的水分。（公式） 式中 = 形成的離子數(shù)，m = 溶液的摩爾濃度， = 摩爾滲透系數(shù)，而55.5 = 純水溶液的摩爾濃度。純水的aw = 1.00，aw隨著溶液的加入而下降。發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的aw值大多較高，而某些真菌和少數(shù)酵母在值為0.6-0.7間進(jìn)行生長。在低aw水平下能夠耐受和繁殖的微生物總體上是出現(xiàn)在固體基質(zhì)發(fā)酵中的主要微生物。微生物類型 固體基質(zhì)發(fā)酵以多種不同的形式進(jìn)行，取決于應(yīng)用的微生物是本地生長的，還是純培養(yǎng)物或者是混合培養(yǎng)物。應(yīng)用本地生長的微生物區(qū)系進(jìn)行的發(fā)酵主要是ensiling and composting。Ensiling是涉及農(nóng)作物的厭氧過程，而且在25-30下進(jìn)行1-2周。Lactobacillus bulgarius 是主要的微生物，生產(chǎn)乳酸，隨后抑制潛在的引起腐爛的細(xì)菌，而且由于沒有氧氣，厭氧霉菌無法生長。50-65%的濕度是關(guān)鍵的，這樣保證耐滲透的乳酸桿菌是活躍的并且占主導(dǎo)地位。相反的，composting 涉及從嗜溫細(xì)菌、酵母和霉菌到thermophilic actinomycetes及真菌的一系列微生物。生物活動產(chǎn)生的熱量是一個嚴(yán)重的問題，compost應(yīng)該轉(zhuǎn)為避免進(jìn)行滅菌。蘑菇生產(chǎn)的Composting是最為成功的創(chuàng)造性的應(yīng)用木素纖維素物質(zhì)的手段之一。利用真菌的純培養(yǎng)物進(jìn)行的固體基質(zhì)發(fā)酵最好的說明是用真菌Aspergillus oryzae發(fā)酵谷物和黃豆這個古老的Koji過程。于煮過的基質(zhì)上接種A. oryzae，并在trays 窄層中進(jìn)行生長或者在一種特殊的旋轉(zhuǎn)生物反應(yīng)器中生長以生產(chǎn)出淀粉酶和蛋白酶分解基質(zhì)中的多聚物分子。Koji過程是其他類型發(fā)酵的基礎(chǔ)包括商品酶的生產(chǎn)、有機酸和乙醇。Koji過程也正在尋求新的應(yīng)用以從淀粉類物質(zhì)（Raimbault/Alazard process）和纖維素類物質(zhì)（Waterloo process）生產(chǎn)生物體。某些固體基質(zhì)發(fā)酵能夠巧妙的利用混合培養(yǎng)物接種以實現(xiàn)優(yōu)化的終產(chǎn)物形成。這樣利用Chaetomium cellulolyticum and Candiada lipolytica的混合培養(yǎng)物而不是單獨應(yīng)用其中一種真菌，就能將秸稈有效的轉(zhuǎn)化為真菌。認(rèn)為這種發(fā)酵對于木素纖維素物質(zhì)的低技術(shù)轉(zhuǎn)化有巨大的潛力。許多固體基質(zhì)發(fā)酵的一個特征是需要對原料進(jìn)行預(yù)處理以提高養(yǎng)分的可利用性，或者減小微粒的大小來優(yōu)化發(fā)酵過程的物理參數(shù)。多聚物分子要進(jìn)行部分水解以利于微生物的生長，而通過大量形式的物理處理而獲得適宜的微粒大小，例如ball milling。預(yù)處理的成本要與產(chǎn)品的價值相平衡。固體基質(zhì)發(fā)酵過程的設(shè)計進(jìn)一步受到創(chuàng)建良好的質(zhì)量和熱量傳遞特點的需求的控制。微粒間的質(zhì)量傳遞和微粒內(nèi)部的滲透是限制固體基質(zhì)發(fā)酵的兩種主要的質(zhì)量傳遞步驟。微粒間的質(zhì)量傳遞 在固體基質(zhì)發(fā)酵過程中，微粒的大小決定基質(zhì)中可被空氣占據(jù)的空間的數(shù)量（有效空間）。多數(shù)發(fā)酵應(yīng)用的是厭氧微生物并且把氧運送到有效空間是控制著順利進(jìn)行生長和產(chǎn)物形成的關(guān)鍵參數(shù)。氧傳遞到有效空間與濕度水平密切相關(guān)，由于受趕出空氣影響的高的自由濕度水平確保了低的有效空間。實際中，令人滿意的微粒間氧的傳遞 通過小心的混合和通氣來實現(xiàn)?；|(zhì)中氧的水平可以進(jìn)行調(diào)控，當(dāng)需要的時候就進(jìn)行混合和通氣。在有效空間中防止CO2的形成也是關(guān)鍵的。微粒內(nèi)的質(zhì)量傳遞 微粒內(nèi)的質(zhì)量傳遞涉及發(fā)酵基質(zhì)中養(yǎng)分和酶的傳遞過程。在利用真菌進(jìn)行的固體基質(zhì)發(fā)酵過程中，菌絲在滲入到基質(zhì)中的同時也在微粒表面進(jìn)行生長。厭氧菌絲需要氧的滲入以支持它們的連續(xù)生長。氧在這些復(fù)雜的固體基質(zhì)載體上的滲入動力學(xué)機制還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法被了解。微粒內(nèi)的質(zhì)量傳遞還涉及將不溶于水的多聚物水解為能被生長的真菌利用的可溶性物質(zhì)過程中酶的作用。因此這些水解酶在基質(zhì)的降解和利用中有著重要的作用。有著開放的、空隙（porous）結(jié)構(gòu)的基質(zhì)比那些有著較少空隙表面的基質(zhì)更容易被降解。纖維素類物質(zhì)酶的水解已經(jīng)用固體基質(zhì)系統(tǒng)進(jìn)行密集的研究，而且已經(jīng)表明依賴酶復(fù)合物纖維素酶的作用，包括三種類型的反