固態(tài)發(fā)酵具有節(jié)能節(jié)水、環(huán)境友好的優(yōu)勢，是緩解現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)中廢水量大、環(huán)境污染嚴重等瓶頸問題的重要措施。論文首先從固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基固體基質(zhì)物化性質(zhì)切入，研究其對固態(tài)發(fā)酵的影響。其次，針對好氧和厭氧等不同微生物特性，研發(fā)出適合的固態(tài)發(fā)酵新工藝。
取得的主要研究結(jié)果如下:
(1)固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基中的固體基質(zhì)多為難以直接利用的有機大分子，適宜的前處理有助于微生物快速生長。論文選用汽爆處理麩皮固體基質(zhì)，在0.5 MPa、5 min條件下，總游離糖含量從9.83 mg/g增加至30.75 mg/g。論文選用叢毛紅曲作為實驗菌株進行固態(tài)發(fā)酵酯化酶。與對照組相比，汽爆處理麩皮基質(zhì)中菌體量由30.5 mg/g增加至63.6 mg/g，酯化酶活力由0.99 U/g增加至1.72 U/g。此外，汽爆在實現(xiàn)大分子組分預(yù)降解的同時還可以起到固體基質(zhì)滅菌作用。論文對比了物料隨蒸汽流動汽爆滅菌和物料的原位汽爆滅菌方式，兩種滅菌方式分別在128℃、5 min和133℃、10 min達到滅菌效果。物料隨蒸汽流動汽爆滅菌方式比原位汽爆滅菌效率高，但是原位汽爆滅菌不會造成固體基質(zhì)的過度粉碎。因此，這兩種汽爆滅菌方式適用于不同固體基質(zhì)的滅菌。
(2)從培養(yǎng)基固體基質(zhì)物理特性出發(fā)，研究其對固態(tài)發(fā)酵過程基質(zhì)團結(jié)收縮和裝料系數(shù)的影響。論文對麩皮造粒得到了空心圓柱和實心圓柱兩種固體基質(zhì)顆粒。與未造粒原料相比，空心圓柱基質(zhì)顆粒和實心圓柱基質(zhì)顆粒的形變量分別減少9.5%和20.7%，表明造粒后的培養(yǎng)基具有更強的抗結(jié)團收縮能力。將未造粒培養(yǎng)基和造粒培養(yǎng)基用于固態(tài)發(fā)酵，在裝料體積為100 mL時，未造粒培養(yǎng)基、空心圓柱和實心圓柱固體基質(zhì)裝料量分別為21.2 g，62.7 g，和67.5 g，發(fā)酵后總生物量分別為1.60 g，2.97 g和2.22 g，說明造粒能有效提高裝料系數(shù)，提高總生物量積累。
(3)發(fā)明二段式氣相雙動態(tài)固態(tài)好氧發(fā)酵小盾殼霉新工藝。與對照組相比，在空氣脈動高壓0.2 MPa、20 s，常壓維持20 min的周期脈動條件下，氣相雙動態(tài)固態(tài)發(fā)酵240 h時發(fā)酵基質(zhì)中生物量由98.9 mg/g增加至147 mg/g，表明氣相雙動態(tài)有利于菌體生長。但是，由此導(dǎo)致體系內(nèi)溫度的快速積累使得小盾殼霉不能分化形成分生孢子器，從根本上抑制小盾殼霉孢子的產(chǎn)生。二段式氣相雙動態(tài)固態(tài)發(fā)酵是指小盾殼霉前期在氣相雙動態(tài)體系培養(yǎng)，后期轉(zhuǎn)入低溫培養(yǎng)。在此工藝下，發(fā)酵216 h時，氣相雙動態(tài)固態(tài)發(fā)酵體系內(nèi)孢子產(chǎn)量為1.53×1010/g干基。
(4)研究吐溫-20、聚乙二醇、木質(zhì)素磺酸鈉等助劑對汽爆玉米秸稈固態(tài)酶解影響，其中3%的聚乙二醇和吐溫-20都能加速葡聚糖轉(zhuǎn)化，吐溫-20輔助酶解體系下72 h葡聚糖轉(zhuǎn)化率達到73.85%。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了描述汽爆玉米秸稈葡聚糖轉(zhuǎn)化率和時間關(guān)系的擴散-反應(yīng)高固酶解動力學(xué)模型?；诖藙恿W(xué)模型的計算結(jié)果表明，吐溫-20酶解體系中相對擴散速率(ε2/ε3)提高7.3%。此外，論文采用低場核磁表征酶解過程固體基質(zhì)中水的狀態(tài)變化，結(jié)果顯示吐溫-20輔助酶解體系下固體基質(zhì)對水的束縛作用減小，為酶的擴散提供了較好的條件。
(5)針對固態(tài)厭氧發(fā)酵存在的氧分壓高，CO2積累不利于乙醇固態(tài)發(fā)酵問題，發(fā)明了氮氣周期脈動固態(tài)厭氧發(fā)酵乙醇新方法。在高壓0.2 Mpa、30 s，常壓180 min條件下，發(fā)酵24 h時，氮氣周期脈動固態(tài)發(fā)酵體系中乙醇濃度達到39.9 g/L，而氮氣保護組和對照組的乙醇濃度為21.7 g/L和22.2 g/L。論文了檢測兩種發(fā)酵體系CO2濃度變化，氮氣周期脈動固態(tài)發(fā)酵體系中CO2濃度始終維持較低的水平(小于5000 ppm)，而對照組CO2濃度持續(xù)積累，在21 h達到38080 ppm，證實脈動過程有利于傳質(zhì)過程。氮氣為糖化酵母提供了較好的厭氧環(huán)境，脈動過程則加速了CO2移除，因而提高了糖化酵母固態(tài)厭氧發(fā)酵乙醇的效率。
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