综述：固态发酵放大用于有机废弃物增值：当前挑战与新兴机遇

《Journal of Environmental Management》：Scaling up solid-state fermentation for organic waste valorisation: Current challenges and emerging opportunities

　　

固态发酵（SSF）正成为一种有吸引力的方法，将有机废弃物转化为有价值的生物产品。通过在水需求低的固体基质上使用微生物，SSF支持向更循环和可持续的系统转变。尽管SSF具有潜在的环境和操作优势，但其工业应用仍然有限。然而，SSF在未来的可持续生物精炼策略中具有补充传统液态发酵（submerged fermentation）和其他生物加工技术的巨大潜力。SSF过程的放大面临的主要挑战与发酵过程中的异质传质分布和温度梯度有关。本工作由研究人员总结了从实验室规模放大到大规模时观察到的关键限制，并探讨了克服这些限制的有前景策略。潜在解决方案包括使用生物滴滤反应器（biotrickling reactors）以实现更均匀的水分分布和改善传质，整合先进建模工具如计算流体动力学（CFD）和人工智能（AI）进行过程控制，以及应用能在宽温度范围内保持活性的耐热菌株等。这些进展有助于SSF成为更可靠和可扩展的废弃物增值技术。

1. 引言

1.1 SSF的基本原理
固态发酵（SSF）被传统定义为“在无或接近无游离水条件下涉及固体的发酵”。该概念已演变，历史上SSF在传统亚洲食品发酵中起核心作用，如用米曲霉（Aspergillus oryzae）进行大豆和米饭发酵的曲（Koji）过程，或少孢根霉（Rhizopus oligosporus）生产天贝（tempeh）。20世纪，SSF扩展到工业生物过程，如黑曲霉（Aspergillus niger）生产柠檬酸。如今，SSF兴趣重燃，尤其因其适合在循环经济背景下使用有机残渣作为底物。农业废弃物、食物垃圾和工业副产品正成为可再生原料，代表范式转变。根据微生物菌株和底物，SSF过程产生可销售化合物，如酶、可食用生物质和有机酸。SSF的低水需求、相对低能耗以及生产工业感兴趣生物产品的能力，使其成为未来互补技术范围内的有前景选项。SSF过程通常是好氧的，依赖于通过多孔固体基质的高效氧气传递，在低水活度条件下运行，与液态发酵（SmF）区分。SSF系统包含固、液、气相，它们相互作用支持微生物生长和代谢活动。与液态系统不同，SSF常使用最小加工固体，避免复杂和能耗高的预处理，如化学处理、蒸汽爆破等。这些特点导致更简单的设置和相对低能耗需求。因此，SSF现在被广泛定义为在低水分条件下好氧固态微生物转化可生物降解有机物，提供可持续生物技术方法，减少资源使用。

1.2 SSF与可持续增值生产的一致性
SSF与几个联合国可持续发展目标（SDGs）紧密一致，最显著的是SDG 12（负责任消费和生产），因为它能将有机残渣转化为增值产品，同时促进更高效材料使用和减少废物产生。SSF特别符合目标12.2（实现自然资源可持续管理和高效利用）和目标12.5（通过预防、减少、回收和再利用大幅减少废物产生）。农业工业残渣如作物壳、秸秆、木质纤维素副产物和其他食物链废物可转化为宝贵资源，减少处置量并减轻对土壤、水和空气质量的潜在影响。更广泛地，SSF符合目标12.1下的可持续消费和生产模式逻辑，因为它支持基于残渣增值和过程强化的循环方法。SSF的灵活性使其成为寻求将生产系统与可持续目标对齐的行业的有吸引力的选择，尽管实际环境效益仍强烈依赖于底物性质、目标生物产品和下游加工要求。SSF的另一个优势是节水潜力，与SDG 6（清洁饮水和卫生设施）相关，因为它在发酵期间通常比液态过程需要更少的水输入。这可能减少废水产生并减轻处理基础设施压力。然而，SSF的整体水足迹应仔细评估，因为从固体基质中回收产品可能需要大量水、缓冲液或有机溶剂。SSF也可能提供相对于传统液相系统的能源节约，从而通过降低温室气体排放为SDG 13（气候行动）做出贡献。但这些常见优势不应被无批判地概括，因为下游纯化可能涉及能耗高的分离步骤，部分抵消发酵期间的环境收益。最后，SSF可整合到生物精炼方案中，补充厌氧消化（anaerobic digestion）等过程，最大化从废物中回收资源和可再生能源生成，从而为SDG 7（经济适用的清洁能源）做出贡献。

1.3 SSF生物反应器
从操作角度看，SSF可能看似相对简单，因为它依赖湿固体底物，通常比液态发酵需要更少的水输入和通气需求。然而，这并不意味容易控制，尤其在较大规模。在通气系统中，气体交换和热量移除依赖于空气通过床层颗粒间空间的流动，使床层结构和孔隙率成为过程性能的关键因素。其大规模应用潜力由工业堆肥（composting）说明，这是特定类型的SSF，基于复杂微生物群落，可在受控条件下稳定大量有机残渣。即便如此，其他SSF过程的放大仍然具有挑战性，尤其对于纯培养系统。随着反应器尺寸增加，在整个床层中维持均匀通气、水分和温度变得越来越困难，这可能损害过程性能和稳定性。生物反应器提供受控条件，支持高生物反应速率，实现高效微生物生长、底物利用和产品合成。研究和工业应用中使用了多种SSF生物反应器设计。这些系统主要区别在于固体底物的排列方式和通气方法。配置选择取决于发酵类型和工作体积，使某些设计更适合特定过程，因此直接比较困难。在所有情况下，维持足够孔隙率对于保持整个填充床层的好氧条件和持续微生物活动至关重要。代表性生物反应器包括袋式、填充床式、托盘式和转鼓式。袋式和聚丙烯瓶是最经济简单的SSF系统，常用于研究设置，操作简单，适合相对小工作体积。袋式单元常用于工业规模生产食用菌，如侧耳属（Pleurotus）物种。目标产品通常是真菌体或定殖固体材料本身，而非需要大量回收的可溶性代谢物，使袋式系统具有吸引力。类似低成本袋式或瓶式系统也适用于接种物开发、真菌生物质生产和小规模筛选酶或代谢物产生菌株，优先考虑污染控制而非体积生产力。然而，它们缺乏强制通气，限制气体交换和热量移除，仅在自然扩散足以维持微生物活动时适用。托盘式反应器更适合需要更高通气的过程，常用于工业应用。由于其简单性和易操作性，它们是工业规模最广泛采用的SSF配置之一。托盘式系统适用于受益于浅层床操作、良好表面通气和有限机械应力的目标产品，包括传统发酵食品和曲型过程、胞外酶如淀粉酶、纤维素酶、果胶酶和蛋白酶、有机酸、色素、真菌孢子、生物防治剂和蛋白质强化饲料或食品成分。在这些应用中，托盘因其模块化操作、相对简单的装料和卸料、视觉检查底物以及批次水平污染控制更容易而保持吸引力。因此，其使用不仅由工程限制驱动，也由目标产品性质和工业对此配置的熟悉程度驱动。在这些系统中，每个托盘底物层厚度是关键参数。多项研究报告了真菌发育的最佳床层深度在5至15 cm之间，这限制了处理的材料量，并需要大量地板空间，特别是考虑到托盘间间距以正确通气。另一种反应器设计是填充床式反应器。这里，底物形成固定床，填充大部分反应器体积，空气流被迫从底部通过。与托盘式反应器相比，此配置允许每单位反应器体积处理更多材料，因为更大比例的反应器体积可用于工作床层。填充床式系统因此特别适用于需要更高体积容量和更强化操作的产品，如大宗酶、生物表面活性剂、有机酸、香气化合物、发酵饲料成分或其他从农业工业残渣获得的代谢物。然而，这些优势仅在目标产品和微生物耐受更深床层中可能发展的更强内部梯度时，或反应器设计和控制策略能够缓解它们时实现。该设计的一种变体是转鼓式反应器，其中床层通过沿水平轴旋转鼓或通过内部挡板连续或间歇搅拌。然而，有效混合仅在鼓部分填充时实现，通常使用约40%总容积作为工作容量，这也增加了比能耗，相比更简单的托盘式或填充床式系统。搅拌式SSF系统也应与填充床式和简单转鼓区分，因为其适用性强烈依赖于产生微生物的形态。对于单细胞微生物，如酵母和某些细菌或细菌-酵母联合体，动态操作可帮助维持细胞与底物接触，改善水分分布，减少代谢物局部积累，特别是在使用木质纤维素残渣的乙醇或酶导向过程中。然而，这些系统不等同于液态搅拌釜，因为固体基质仍限制混合、氧气扩散和热量移除。对于霉菌或丝状真菌，搅拌必须更谨慎应用。其菌丝生长允许有效定殖固体颗粒，但过度搅拌会损害菌丝网络或改变酶分泌。因此，对木霉属（Trichoderma）、曲霉属（Aspergillus）和其他霉菌的研究常倾向于低速或间歇搅拌，这可在有限机械应力下改善床层均匀性和温度控制。因此，搅拌配置在SSF中可能有用，但其设计应适应微生物：通常对单细胞培养更宽容，对丝状真菌更温和或间歇。尽管填充床配置有潜力，但大多数公司仍依赖袋式或托盘式系统。填充床设计可能使每批处理更大体积，减少空间需求并降低劳动力成本。然而，其采用仍受限于SSF放大的关键瓶颈，特别是传质和传热挑战。因此，袋式、托盘式和填充床式系统之间的选择不应仅基于反应器容量，还应基于目标产品、所需下游加工、产生微生物对梯度或剪切的耐受性，以及可接受的过程控制水平。对于蘑菇、发酵食品、真菌孢子或粗酶制剂等产品，袋式和托盘式系统可能仍具有商业实用性，尽管其时空生产力较低。在这些配置中，工业扩展通常通过规模外扩（scale-out，即数量增加）实现，通过增加并行操作的袋或托盘数量，而非扩大单个单元尺寸。相反，填充床式反应器通常设计用于规模放大（scale-up），其中使用更大反应器体积在单个单元内处理更多底物。当必须处理大量均匀固体底物且过程强化能补偿与通气、水分和温度控制相关的额外复杂性时，这种方法可能变得特别有吸引力。尽管直接过程监测和控制困难在SSF中普遍存在，但在填充床式反应器中，随着规模增加和内部梯度变得更明显，这些困难变得尤为关键。解决这些限制将显著推进技术发展和工业可扩展性。克服放大障碍可能将填充床式反应器中的SSF从技术就绪水平（TRL）4-6（实验室或中试规模开发和测试）推进到TRL 8-9（完全运行商业技术）。其他废物增值过程，如厌氧消化和堆肥，已实现类似进展，现已在工业规模广泛建立。总体而言，每种SSF生物反应器配置根据预期规模、目标产品、微生物和所需过程控制水平扮演特定角色。袋式和瓶式系统主要适用于低成本、小规模或产品特定应用（扩散足够），而托盘式反应器提供模块化操作和浅层床通气，适用于需要有限机械应力的产品。填充床式反应器更适合过程强化和更高底物装载，而转鼓式系统在微生物和底物能承受机械搅拌时改善混合和均匀性。从技术角度看，专利活动主要集中于改善SSF反应器中的过程监测、自动化和操作鲁棒性，而非引入全新反应器配置。几个发明描述了自动袋式和托盘式系统，旨在减少人工处理并增加过程控制。示例包括结合填充、灭菌和接种步骤的自动袋式反应器，小规模生物反应器的并行阵列，以及自卸式或分隔式托盘式反应器。对于填充床式系统，专利发展主要集中于过程集成和反应器性能。近期设计包括端到端SSF平台，整合上游接种物生产与下游产品加工和包装。温度管理得到相对有限关注，仅有少数专利提出解决方案，如内部加热和冷却管道网络。相比之下，传质优化是反复出现的主题，包括新颖搅拌机制以减少底物分层和死区，基于螺旋的混合系统用于垂直填充床式和转鼓式反应器，以及先进通气策略，包括多点氧气分布系统（带集成监测和报警功能）和微孔气体面板（改善气体均匀性）。总体而言，当前专利趋势表明，SSF中的技术创新主要指向改善过程控制、可扩展性和操作效率，而非开发根本性新反应器概念。鉴于这些考虑，本工作旨在简要概述在填充床式反应器中放大SSF过程的主要技术障碍，提出克服这些挑战的潜在策略，包括生物反应器设计改进、先进AI工具以及耐热和嗜热菌株的应用。

2. SSF放大的主要限制及潜在解决方案

2.1 传热
传热管理是SSF系统放大中最关键的瓶颈之一。不充分的热导率、异质气流分布和次优通气速率常导致明显轴向和径向温度梯度，直接影响微生物生长和生产力。这一挑战因丝状真菌（常用于SSF）对机械搅拌敏感而加剧，限制了本可改善热耗散的混合策略的使用。因此，温度可能超过微生物热耐受性，导致生长和产品形成减少。此效应与SSF期间使用的固体含量和床层装载紧密相关。尽管高固体含量是SSF的定义特征之一，但最佳值应理解为水分可用性、底物可及性和气体填充孔隙率之间的平衡，而非最大可能干物质装载。增加每反应器体积的干物质也增加代谢活性材料量，因此增加床层内释放的热量。同时，过量固体装载可减少对流热移除所需的自由空气空间，尤其是当粒径分布、水分和压实未适当控制时。因此，优选固体含量应连同床层高度、粒径、填充剂添加和表面气流一起选择，因为这些参数共同决定通气效率和放大期间温度梯度的发展。随着反应器尺寸增加，高效热量移除变得更加困难，床层内自然形成温度梯度。在工业系统中，可添加冷却夹套或内部盘管以促进热耗散，尽管这些解决方案涉及高操作和能源成本，并受限于静态固体固有的低热导率。在放热发酵中，微生物活动产生的热量在床层内积累，流经反应器的空气在通过较暖固体基质时逐渐加热，导致明显入口至出口温度梯度。虽然小反应器可能仅超过最佳温度几度，但较大单元通常经历更大偏差，除非放大过程中仔细调整操作条件。

2.1.1 梯度控制的先进建模
缓解这些梯度的潜在策略之一是增加气流速率；然而，这种方法可能过度干燥底物，损害微生物代谢。在此背景下，蒸发冷却可被视为一种放大策略。通过促进固体基质中受控水蒸发，部分代谢热可作为潜热移除，这在大型填充床式反应器中尤其相关，因为通过反应器壁的热移除变得不那么有效。然而，其有用性取决于在热耗散和水分保持之间维持谨慎平衡。如果入口空气过干或气流过高，蒸发冷却可能将问题从过热转向局部干燥、降低水活度和微生物性能损失。因此，蒸发冷却应与加湿入口空气、间歇水添加或液体循环相结合，并由能够预测放大期间温度和水分分布的热-水传递模型支持。因此，对应用先进建模工具和人工智能（AI）动态调节气流参数（如流速、饱和度和气流时机）以优化温度控制和水分保持的兴趣日益增长。例如，计算流体动力学（CFD）已证明在模拟生物反应器内传质和传热方面有效，通过考虑孔隙率、气流和水分分布的局部变化。除了描述内部梯度，先进模型有用，因为它们允许在建造更大反应器之前测试放大决策。近期研究使用热-水传递模型和CFD模拟来估计温度和水分分布，识别不均匀气流，评估床层高度限制，并定义填充床式SSF系统的操作窗口。这对于放大尤其相关，因为变量如气流速率、床层孔隙率、底物水分和反应器几何形状在大型规模下不能独立改变。因此，建模应被视为实际设计工具，以缩小实验条件范围，预测过热或干燥区域，并在中试验证前支持选择和制定通气及冷却策略。这种详细建模可促进数字孪生（digital twins）的创建，虚拟副本能够模拟不同过程情景，优化设计参数，并支持放大策略。同时，AI已作为这些类型机理建模的强大补充出现。技术如人工神经网络（ANN）和整合元启发式优化算法的混合模型在捕捉物理、化学和生物变量间的复杂非线性交互方面显示出显著预测准确性。这些AI驱动方法不仅减少所需实验次数，还改善可重复性和操作效率。此外，AI预测建模增强了理解过程变量如何影响固体基质内内部梯度，从而支持更稳健和受控发酵系统的开发。AI还使无需广泛中试规模实验即可评估反应器设计和操作策略。然而，这主要应在过程建模、预测和优化背景下解读，而非作为SSF中完全自主工业控制的直接证据。大多数报告AI应用仍集中于通过识别相关变量、减少实验工作量和改善操作条件选择来支持过程开发。数字孪生技术在SSF中的应用仍处于早期阶段，现有研究（包括CFD研究和模型）为其进一步发展提供了基础。特别是在填充床式反应器配置中，这突出了未来研究的有前景方向。尽管有这些进展，基于机理和AI的模型广泛采用仍受限于对专业编程技能的需求，强调了开发更易访问建模工具以充分开发其潜力的重要性。近期将建模和AI应用于SSF的示例总结在表1中（此处省略表格细节，注意避免提及表格标识）。近期研究还探索了加压生物反应器系统作为减少传热和传质梯度的有效方法，增强微生物性能并允许更大床层装载而不损害温度控制或产品产量，如脂肪酶生产和孢子活力。这些策略共同代表了改善过程控制和克服SSF放大限制的有前景途径，尽管仍需在工业相关条件下进一步验证。

2.1.2 嗜热微生物的前景
使用嗜热和耐热微生物菌株提供了缓解SSF传热限制的实际策略。这些微生物自然适应高温环境（通常高于45°C），在会抑制或灭活中温物种的条件下保持代谢活性。其应用可补充其他技术方法，如操作修改或使用先进数学模型，以改善热应力下的过程稳定性。尽管对此方法的兴趣增长，其在工业规模的应用仍然有限。然而，将嗜热菌株纳入SSF过程可显著减少热量积累的影响，尤其是在温度控制更难且对过程成功更关键的大型系统中。除了改善热稳定性，在升高温度（40°C至60°C之间）下操作SSF系统也可能有助于最小化机会性微生物的污染风险。用于SSF的嗜热菌株可通过从自然热环境（如堆肥、温泉或地热土壤）中分离野生型微生物，或通过开发具有增强热耐受性的菌株获得。然而，其适用性取决于过程的预期应用，因为安全、法规和产品质量要求可能限制环境分离物或改良菌株在某些领域的使用，特别是在食品和饲料生产中。堆肥环境在此背景下尤其相关，因为其栖息着多样的耐热微生物群落，具有强水解和代谢能力。尽管文献中报告了许多嗜热和耐热微生物，表2总结了从2021年至今发表的选定示例，其中这些微生物被应用于使用废物底物作为营养源的SSF过程（此处省略表格细节）。在升高温度下使用嗜热菌株操作还可能提供额外优势，通过限制不需要微生物的生长，从而减少污染风险并简化灭菌要求。然而，此策略的实际实施仍取决于识别不仅在这些条件下保持高产，而且适合且可接受用于目标生物产品及其预期最终用途的菌株。

2.2 传质
氧气在SSF期间维持微生物活动中起关键作用，但在大尺度下实现均匀通气变得越来越复杂。不充分孔隙率或底物压实导致优先气流路径，限制微生物生长。通常需要持续调整通气系统以维持最佳条件。这些结构限制也影响接种物在固体基质内的初始分布，因为在没有自由流动液相的情况下，微生物培养物与底物之间的均匀混合难以实现。空间梯度由于底物异质性（如生物废物）而产生，也受微生物代谢影响，改变基质性质。虽然已提出机械混合系统用于填充床式反应器，但其效率取决于基质性质和微生物。许多工业策略通过修改反应器设计来解决底物均质化，例如添加桨叶或旋转元件。这些系统可帮助改善混合和传热传质，但其可行性强烈依赖于反应器尺寸。虽然它们可能在中试规模工作，但在更大规模下使用可能导致局部过热和固体床层压实。还需考虑操作这些系统所需的额外能量及它们必须承受的机械负载。介质的固体性质也使实时监测和准确生物量测量困难，通常依赖间接指标如出口气体组成或从异质样品中进行劳动密集型提取。营养可用性强烈受底物物理结构影响，包括其孔隙率、粒径和水分含量。过小的颗粒倾向于压实，限制气流，而非常大的颗粒减少微生物定殖和酶活性的表面积。水分管理是另一个关键因素。细菌培养通常需要70%以上水分含量，而丝状真菌可耐受更宽范围（40-70%）。SSF系统中报告的水分含量变化很大（30-85%），强调了在最佳范围内控制以确保过程效率和可重复性的重要性。发酵期间蒸发可能导致局部干燥，负面影响微生物生长和产品产量。不足的水分限制营养溶解度，而过多水分促进颗粒粘附和减少气体交换。添加填充剂可改善孔隙率和通气，尤其是在压实更可能发生的大型操作中。为应对这些挑战，生物滴滤反应器（biotrickling reactors）为传统SSF提供了有前景的替代方案。传统上应用于气体排放控制、废水处理和生物修复策略，这些系统可调整以增强SSF中代谢物生产。引入受控滴滤液相将传统SSF转向固体-底物发酵（SSuF）框架，缓解异质水分分布，促进氧气扩散，并减少固体基质内抑制性代谢物的积累。此外，最小循环液相的存在使通过液体取样实时监测关键参数（如微生物生长、pH和营养消耗）成为可能，克服了SSF中间接方法（如气体分析）的限制。近期研究突出了不同滴滤床反应器配置用于可持续生物产品生成的潜力。Singh和Murthy（2025）设计了一种创新水平滴滤床反应器（HTBR），配备新开发的带角度叶片的叶轮，能产生线性和圆形混合运动。此配置专门设计用于缓解底物压实、温度梯度和床层干燥——SSF系统的典型限制。HTBR总容积5 L，固体装载容量1.5 kg，使用麦麸作为农业工业底物生产果胶酶，在高固体分数下操作。手动螺旋混合和液体循环的整合改善了热和水分均匀性，促进真菌生长和增强传质。结果，该系统实现了比托盘式反应器高2.7倍的果胶酶产量，证明了强化混合和滴滤的性能优势。尽管有这些优势，该研究也识别了与手动搅拌、菌丝对剪切敏感性以及间接热控制相关的放大考虑，这些对工业实施仍然相关。Bueno-Mancebo等（2025）评估了滴滤床反应器作为SSuF强化策略的实施，用于Starmerella bombicola生产槐糖脂（sophorolipids）。其0.5 L反应器整合了液体循环和旋转分布系统，改善了固体床层内水分和营养均匀性，缓解了传统SSF中常见的梯度。底物由农业残渣（主要是小麦秸秆和冬化油饼）与结构填充剂结合组成，以保持孔隙率并防止压实。反应器在约每升反应器体积175 g底物的固体装载下操作，提供了支持有效液体分布和好氧微生物活动的多孔基质。在优化滴滤和营养补充条件下，与非滴滤对照相比，系统显著增加了微生物生长45.4%和槐糖脂产量31.2%。重要的是，滴滤液相使通过非侵入性实时取样连续监测葡萄糖消耗、酵母生长和pH成为可能，突出了滴滤床配置改善过程可观察性和控制性的潜力。一些研究评估了滴滤反应器配置不仅用于固体残渣增值，还用于整合液体废物流作为营养载体的技术可能性。消化液和富含营养的流出物可用作滴滤介质，实现同时微生物转化和资源回收。在这种混合固-液系统中，液相有助于改善营养分布和床层均匀性，同时作为氮、磷和富含微量营养素流循环再利用的载体。这扩展了固体-底物发酵的概念，进入整合生物加工平台。然而，这种整合不应被解释为普遍有益。仅在液体流与微生物、目标产品和床层结构兼容时，使用滴滤反应器处理固体废物和液体营养载体才能改善微生物转化和资源回收。在合适条件下，富含营养的液体可部分替代工艺水或合成补充，支持阶段性进料和水分控制，并通过循环相实现可溶性代谢物的监测或回收。因此，滴滤系统可能将SSuF扩展为固体和液体残渣联合增值的整合平台。尽管如此，同一策略也引入了额外操作复杂性。液体循环需要泵、分布装置、流量控制，通常还需要液体流的预处理或灭菌，取决于微生物系统和产品要求。此外，控制不良的滴滤可能加剧流体动力学问题，如沟流、床层压实、过量压降、营养淋洗、产品稀释或循环液体中抑制性化合物积累。因此，液体营养载体的实施应通过过程性能、资源回收或下游整合的明显改善来证明，而非被视为SSuF的固有优势。此外，这些配置可用于回收水溶性代谢物，包括有机酸、胞外酶和极性次级产物。收集和分析循环液相的能力支持增强过程控制、下游整合和可扩展性，同时保持操作无菌性。使用滴滤液体控制SSF温度是一个有前景且未探索的研究方向。通过固体基质分布少量液体可能有助于增强热量移除和减少温度梯度，尤其在填充床配置中。尽管类似方法已在相关固态过程如堆肥中被考虑，但据作者所知，其在SSF填充床式系统中的应用尚未被详细实验研究。因此，探索受控液体滴滤如何影响温度调节、水分分布和微生物性能，可能提供宝贵见解，并有助于开发改进的放大策略。然而，尽管液体渗透有助于克服传质限制，它也可能在更大规模下引入挑战，如沟流、床层压实和过量压降。在这种情况下，适当液体分布对于避免干燥区域和确保均匀润湿至关重要。改善分布的一种方式是将单个顶部进料点替换为多个滴点或分段分布区。良好的液体分布器可帮助防止影响润湿和整体压力分布的不均匀分布。同样，固体支撑和装载程序应针对均匀孔隙率，液体流速应调整以维持该孔隙率并防止过量材料从混合物中带出。除了改善水分分布和传质，滴滤液相的引入可能提供重要操作优势，通过实现过程监测而无需侵入性固体取样。传统上，SSF进展通过废气中氧气消耗监测，提供整体微生物活动的间接估计，但不直接指示目标产品形成，并可能无法检测污染事件。相比之下，循环液体的分析可提供更直接和实时的信息，关于pH、可溶性营养消耗或系统中与生物量相关的变化。几个过程参数强烈影响SSF性能，包括底物组成、接种物大小和pH。生物废物可用作底物，因其高营养含量，尽管其异质性和原生微生物组使过程控制复杂化。接种物大小必须仔细平衡，因为低水平延迟定殖，而过度接种可能限制气流和传质。pH也是关键因素，考虑到细菌、真菌和酵母的不同偏好；然而，在SSF中由于其缺乏固体基质中实时测量技术，pH控制具有挑战性。在此背景下，滴滤生物反应器配置提供了一种有前景的增强SSF的策略，通过受控滴滤液体流实现类似分批补料的操作。这种方法允许阶段性营养补充、接种物添加和通过酸性或碱性溶液间接pH调节。此外，渗透相促进可溶性化合物（如胞外酶）的回收，从而改善过程整合和整体技术经济可行性。除了这些总体效应，材料组成的变化在使用生物废物时尤其相关，因为C/N比、营养组分、缓冲能力和本土微生物群的差异可改变底物可及性、氧气需求、微生物竞争和发酵过程中pH的演变。因此，过程性能不仅取决于初始混合物，还取决于批次间变异性以及底物结构随降解进展的变化。接种物大小也应结合底物装载和通气能力来解读：不足接种可能有利于本土微生物生长，而过度接种可加速氧气消耗、热量释放和局部营养耗尽，尤其是在通气不良区域。在此背景下，滴滤配置可通过重新分布可溶性营养并提供可访问的液相用于pH监测或校正，帮助缓解生物废物异质性的影响。从经济角度看，只有当这些益处转化为更高产品产量、更低补充需求、改善过程控制或更简单下游回收时，其实施才是合理的，因为额外泵、液体分布系统和可能的液体预处理也增加操作复杂性和成本。

3. 其他关键方面：经济和环境效益
与技术限制和反应器设计考虑并行，经济和环境性能在工业采用中起决定性作用。扩大通过SSF可获得生物产品的组合对于增加工业吸引力并在不断变化的市场条件下提供灵活性至关重要。近年来，SSF与日益多样化的产品相关。一些应用在农业食品领域相对成熟，如侧耳属（Pleurotus）菌株培养食用真菌用于功能性食品改善，以及生产高营养蛋白质来源。同时，新兴研究探索更高价值代谢物，包括生物表面活性剂，如由玉米黑粉菌（Ustilago maydis）和Moesziomyces bullatus产生的甘露糖赤藓糖醇脂（mannosylerythritol lipids），以及由葡萄球菌属（Staphylococcus sp.）DG-2产生的脂肽。当生产的产品可直接重新整合到产生用作底物的残渣的同一部门时，SSF特别有吸引力，加强循环经济策略。生物表面活性剂是明确例子，因为它们可在农业食品工业中应用，例如作为抗菌剂，无需广泛下游纯化。下游加工仍是影响SSF可行性的关键因素，因为从固体中回收产品通常依赖溶剂提取。提取效率取决于溶剂系统、固液比、提取时间和纯度要求。虽然使用异质废物底物可能使下游操作复杂化，但替代技术如微波辅助提取、超声波辅助提取和超临界流体正在被探索以改善回收效率。然而，可持续SSF方案还必须考虑残留流和耗尽固体的管理，以避免将环境负担转移到下游。在某些应用中，如环境修复或生物能源生产，粗提物或部分加工产品可能足够，允许避免昂贵纯化步骤。另一种策略涉及针对可通过水基提取有效回收的生物产品，从而完全避免有机溶剂。这种方法在SSF用于酶生产中已建立，其中胞外酶可容易地用水溶液提取，显著简化下游加工并改善整体过程可持续性。从技术经济角度看，SSF通过允许直接使用有机残渣（最小预处理）提供成本节约机会，从而减少与原材料和废物管理相关的费用。该过程通常需要低水输入，尽管下游加工中的溶剂需求必须仔细平衡。环境方面，SSF被报告具有低排放，有助于减少环境足迹。近期技术经济分析通过表明当过程参数和产品市场优化时，基于残渣的SSF平台可实现竞争性盈利能力，强化了这一观点。例如，Sosa-Martínez等（2024）报告了从农业工业残渣中酶协同生产的有利投资回报率和回收期，突出了底物增值和过程整合的经济相关性。Cunniffe等（2025）的互补大规模发酵建模进一步说明了下游纯化和底物成本如何主导整体经济，强调了SSF可提供的过程强化策略的重要性。基于残渣的生物加工系统的更广泛技术经济和可持续性评估，如Ganguly等（2025）所述，表明将生物转化与废物流整合可产生竞争性生产成本，同时减少环境负担。然而，针对SSF的生命周期评估研究仍然稀缺，且大多限于实验室规模系统，突出了需要工业规模评估以捕捉真实操作条件和下游影响。在生物精炼框架内，SSF