基质的物性对发酵传递过程的影响是发酵工艺调控和优化的主要依据,然而固态基质的异质性制约了相关的研究进程。作为目前固态发酵的主体,营养性载体基质(秸秆、粮食等)具有可降解性和组织结构的可破坏性,因而其物理结构及传递性质在发酵过程中处于动态变化,进而影响发酵质热传递效果。以上述问题为出发点,利用汽爆稻草和汽爆麦草作为模式基质,研究发酵基质的结构、传递性质与菌体生长代谢之间的相互作用关系,改进已有的固态发酵传递模型,建立适合营养性载体基质固态发酵的数值分析平台,对不同工艺调控方式下的固态发酵过程进行了数值模拟,进而可得固态发酵工艺调控的关键点。　　 论文的主要研究内容和结果如下:　　 (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由含水量和颗粒尺寸共同决定的基质结构。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影响的基本规律,模型决定系数R2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结构变化进行表征,所得基质分形维数和菌体生长的误差分别为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,具有成本低、快速、准确等优点。　　 (3)固态发酵过程中,营养性载体基质的密度随菌体生长符合幂函数模型。基质的透气率和内部氧气分布均证实发酵过程中基质经历了先结团后崩解的过程。基质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和气体扩散模型计算所得发酵基质的氧气扩散系数与基质的透气率正相关。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。上述基质物性随菌体生长变化的规律为为固态发酵的基质选择和工艺优化提供依据。　　 (4)以非饱和多孔介质的传递过程模型作为固态发酵传递过程建模的基础,将发酵微生物生长动力学和基质物性变化模型融入其中,形成了理论上更符合实际的营养性载体基质固态发酵传递模型。模型具有理论上的完备性和数值上的可解性。　　 (5)通过考察斜卧青霉在不同温度下的生长和产酶情况,拟合得出菌体的最大比生长速率和产酶速率随发酵环境温度变化的热动力学方程。根据发酵不同阶段基质高度、体积、菌体产热量等参数的显著差异性将发酵过程分为若干段,将各段的模拟结果相拼接组成整体模拟结果,形成“分段拼接”的模拟思路。基于上述模拟思路和发酵传递过程理论模型,对斜卧青霉静置固态发酵产纤维素酶进行了数值模拟,模拟结果与实验结果良好吻合。　　 (6)使用改进的传递控制方程对封闭式反应器中静置、强制通风和气相双动态三种操作方式下固态发酵基质内的质热传递过程进行模拟。结果表明,基质的导热率和对流换热强度是影响发酵基质温度变化的主要原因。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则非常微弱。因此,对于含水量相同、纤维长度不同的基质,基质的透气率是决定通风操作效果的主要因素。针对不同纤维基质应选择与其相匹配的工艺操作条件。