【正文】 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ν = 形成的離子數(shù)，m = 溶液的摩爾濃度，φ = 摩爾滲透系數(shù)， = 純水溶液的摩爾濃度。純水的aw = ，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。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 posting。Ensiling是涉及農(nóng)作物的厭氧過程，而且在2530℃下進(jìn)行12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。5065%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，posting 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，post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(jī)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(jī)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，包括三種類型的反應(yīng)：（1） 內(nèi)切β1，4葡聚糖酶隨機(jī)的水解纖維素以生產(chǎn)葡萄糖和纖維二糖為終產(chǎn)物。（2） 外切β1，4葡聚糖酶攻擊纖維素多聚鏈的未還原的末端，產(chǎn)生纖維二糖。（3） 纖維二糖酶或者β葡糖苷酶主要作用于纖維二糖而形成葡萄糖。熱量傳遞 由于單位體積高的基質(zhì)濃度，單位體積產(chǎn)生的微生物熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液體發(fā)酵中產(chǎn)生的熱量。而這些發(fā)酵的低含水量也給熱量傳遞造成了困難的條件，所以對于溫度的控制也比液體發(fā)酵更加困難。尤其是從大規(guī)模操作中排出熱量是一個主要的問題。提高通氣速率或者加快不是連續(xù)通氣的系統(tǒng)的通氣頻率可利于熱量的排出。A corollary to this 是當(dāng)發(fā)酵溫度特別低，那么減少通氣就會提升操作溫度而不需要添加外來的熱源。實際中，可以通過多種手段調(diào)節(jié)代謝熱量的產(chǎn)生，包括校正溫度和空氣的相對密度、通氣速率和攪拌速度。生物反應(yīng)器 固體基質(zhì)發(fā)酵可以分為：無攪拌發(fā)酵、間隔攪拌發(fā)酵和連續(xù)攪拌發(fā)酵三種。不進(jìn)行通氣的發(fā)酵包括ensiling和有限范圍的posting processes，對它們不作進(jìn)一步考慮。后兩種類型的發(fā)酵可進(jìn)一步再分為：（1） 無強(qiáng)制通氣的間隔攪拌發(fā)酵（）；（2） 無強(qiáng)制通氣的慢速連續(xù)攪拌發(fā)酵（）；（3） 槍支通氣的間隔攪拌發(fā)酵（）。上面的組（3）代表了日本生物反應(yīng)器設(shè)計的主要方向，目前的系統(tǒng)為生物生長和產(chǎn)物形成、機(jī)械攪拌、合理的過程控制和滅菌操作條件提供了良好的環(huán)境。多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計用于分批操作但是有些會應(yīng)用于半連續(xù)或者連續(xù)操作。液體發(fā)酵中的過程控制能夠更多的監(jiān)控生物反應(yīng)器中的生物活動，并且可以操作復(fù)雜的計算機(jī)控制的反饋環(huán)路，以更好的進(jìn)行過程動力（dynamic）控制。相反，固體基質(zhì)發(fā)酵在這方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于液體發(fā)酵。傳感器的嚴(yán)重缺乏：現(xiàn)有的傳感器沒有什么價值，因為它們是針對可溶組分的控制或者液體的物理特性而進(jìn)行設(shè)計的。（固體基質(zhì)發(fā)酵與液體發(fā)酵的比較）。固體基質(zhì)發(fā)酵未來將會在基質(zhì)的預(yù)處理、過程控制和發(fā)酵罐設(shè)計方面進(jìn)行改進(jìn)。 總結(jié)生長就是細(xì)胞物質(zhì)的增加，表現(xiàn)為質(zhì)量或者細(xì)胞數(shù)的形式。一種生物群體的體倍增時間指生物體質(zhì)量倍增所需要的時間，而傳代時間與細(xì)胞數(shù)倍增所需要的時間相關(guān)。發(fā)展的數(shù)學(xué)方程用來描述生物反應(yīng)中微生物生長的重要的特征。在分批培養(yǎng)中，有著連續(xù)變化的營養(yǎng)環(huán)境，反映在培養(yǎng)的生理狀態(tài)。相對的，在連續(xù)培養(yǎng)中，通過對控制添加和除去培養(yǎng)基，可以獲得穩(wěn)定狀態(tài)的群體特征。在發(fā)酵工程中，大量的細(xì)胞在對生物體或產(chǎn)物形成有所限定的、控制的條件下進(jìn)行生長。一般上，這個過程在容器系統(tǒng)或者生物反應(yīng)器中進(jìn)行，主要的作用是減小產(chǎn)品或者服務(wù)的生產(chǎn)成本。過程可以看作成本轉(zhuǎn)化或者成本回收。生物反應(yīng)可以在分批、半連續(xù)或者連續(xù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行操作。生物催化劑（微生物、植物或者動物細(xì)胞或者酶）能夠以自由形式或者固定化形式發(fā)揮作用。生物反應(yīng)過程的優(yōu)化包括減少原料和能量的使用及擴(kuò)大產(chǎn)物的形成。生物反應(yīng)器設(shè)計取決于生物過程的本質(zhì)。連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)系統(tǒng)（CSTR）是最為廣泛應(yīng)用的生物反應(yīng)器并且可以用于需氧過程操作也可以用于厭氧過程操作。一個CSTR生物反應(yīng)器中進(jìn)行的混合操作可以通過a mechanically operated central shaft equipped with blades or impellers而實現(xiàn)。相反的，塔式生物反應(yīng)器沒有機(jī)械攪拌，物質(zhì)的混合通過上升的氣泡來實現(xiàn)。培養(yǎng)基的配制要滿足生產(chǎn)微生物的營養(yǎng)要求、過程的目標(biāo)及操作規(guī)模。培養(yǎng)基的成本是決定發(fā)酵過程經(jīng)濟(jì)性的一關(guān)鍵因素，而且對于大多數(shù)工業(yè)過程，采用的是相對復(fù)雜的廉價的天然產(chǎn)物的混合物。生物反應(yīng)的檢測包括控制特定參數(shù)、對它們進(jìn)行記錄、然后利用這些信息去改善和優(yōu)化發(fā)酵過程?？梢赃M(jìn)行在線或者離線控制。生物反應(yīng)過程缺乏有效的在線傳感器。離線測定過程緩慢而且不適于計算機(jī)系統(tǒng)。計算機(jī)控制越來越多地參與到發(fā)酵過程控制中。質(zhì)量和能量傳遞過程是一切發(fā)酵過程的主要部分?；旌献饔玫哪康氖莾?yōu)化axial and radial dispersion以確保培養(yǎng)基組分在生物反應(yīng)中的充分分散，從而鼓勵良好的質(zhì)量傳遞速率和高的生物生產(chǎn)力。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。這些發(fā)酵可以利用本地生長的微生物、單一純培養(yǎng)物或者混合純培養(yǎng)物。微粒間質(zhì)量傳遞與微粒內(nèi)質(zhì)量傳遞是限制固體基質(zhì)發(fā)酵的兩個主要的條件。