Effect of the Physical Properties of Substrates with Biodegradable Supports on Solid-state Fermentation

Abstract

（1）基于固、液、气三相在决定基质结构变异中的比重，建立三相结构指数用以表征基质结构。三相结构指数同基质传递性质的函数关系能够描述固态发酵基质的物理结构变化对其传递性质的影响，模型决定系数为0.85~0.92。线性相关分析表明，斜卧青霉的生长受到基质保水性、比热容和导热率的共同影响，相关系数分别为0.616，0.73和0.316；斜卧青霉产纤维素酶的能力受到基质导热率和保水性的影响，相关系数分别为0.832和0.224。因此，保水性和导热性是基质结构影响固态发酵效果的主要原因。（2）利用分形维数有效表征发酵基质的不规则形态结构变化，建立了反映固态发酵基质结构随菌体生长变化的分形动力学模型。所建模型能够对不同含水量和纤维长度基质在发酵过程中的形态变化进行表征，所得基质分形维数和菌体量的误差分别为0.541% ~ 5.220% 和0.454‰ ~ 3.885‰。基于基质分形维数的变化速率与菌体比生长速率之间的高度专一性，确立了将数字图像处理和分形动力学模型相结合的发酵在线监控方法。（3）营养性载体基质的密度随菌体生长符合幂函数模型。基质透气率和内部氧气分布证实发酵过程基质经历了“结团-崩解”过程。透气率的变化规律与分形动力学模型相仿。根据孔道迂曲度分形模型计算基质的氧气扩散系数与透气率正相关。营养性载体基质的比热容和热导率随菌体生长均符合幂函数模型。（4）以非饱和多孔介质的传递模型作为固态发酵传递过程建模的基础，将微生物生长动力学和基质物性变化模型并入，形成理论上更符合实际的营养性载体基质固态发酵传递模型。（5）通过实验得出斜卧青霉生长和产酶的热动力学方程。根据发酵不同阶段基质体积、内源热等参数的差异性将发酵过程分为若干段，将各段的模拟结果拼接组成整体模拟结果，形成“分段拼接”的模拟思路。对静置固态发酵纤维素酶过程进行了数值模拟，与实验结果良好吻合。（6）对比静置、强制通风和气相双动态三种操作方式下固态发酵数值模拟结果可知：基质的导热率和对流换热强度是影响发酵基质温度的主要原因。静置固态发酵由于对流散热能力弱和蒸发失水，因而发酵过程温差可达13℃；强制通风和气相双动态能够强化基质内的对流换热进而有效控制发酵基质温度。在气相双动态操作方式下，短纤维基质层的轴向温差随基质高度的变化有显著差异，而长纤维基质的差异不显著。因此，基质的透气率是决定通风操作效果的主要因素