固态发酵是一种清洁环保生产方式。固态发酵培养基是以固相为骨架支撑结构,液相与固相紧密结合,而气相作为连续相的三相体系。由于空气热导率低,基质体系不均一等本征特性,致使固态发酵存在灭菌困难,营养物质破坏严重,发酵热累积,过程监测困难,自动化水平低等系列问题。导致固态发酵虽环境友好,但工业化进展缓慢的局面。针对以上问题,论文研究汽爆作为固态培养基新型灭菌方法的可行性,并系统考察汽爆灭菌对固态培养基理化特性及发酵水平的影响。研发新型变频压力脉动强化固态发酵方法,促进基质热量传递。建立数字图像处理监测体系,对固态发酵过程参数进行快速监测。基于以上研究成果,并研发自动控制系统,进行集成创新,实现汽爆灭菌新型固态发酵产业化应用。论文取得了如下研究结果：(1)针对固态培养基灭菌困难,营养物质破坏严重的问题,建立了高温短时汽爆灭菌新方法。首先,研究了汽爆温度、维压时间对固态培养基灭菌效果的影响,确定汽爆灭菌条件为172℃*2 min和128℃*5 min.发现汽爆灭菌动力学曲线非线性,表明汽爆灭菌对杀灭微生物具有多重作用。一方面,高压维持阶段产生热力灭菌效果;另一方面,瞬间泄压阶段对微生物细胞结构具有损伤作用,证实了汽爆灭菌快速有效。此外,考察了汽爆灭菌对培养基营养成分的影响,发现在汽爆条件172℃*2 min, 128℃*5 min下,固态培养基中葡萄糖含量分别为0.035 g/g干重,0.054g/g干重,较常规蒸汽灭菌121℃*20 min条件分别提高了66.7%,157.1%,表明汽爆灭菌有效改善固态培养基营养。最后,对比分析了大规模汽爆灭菌和常规蒸汽灭菌效率及能耗,由于汽爆灭菌提高灭菌温度并省去冷却阶段,较常规蒸汽灭菌缩短时间69.8%,蒸汽消耗减少1.66%。基于本研究成果,成功实现汽爆灭菌工业化。(2)揭示汽爆灭菌对固态培养基物理特性的影响。研究了汽爆灭菌、常规蒸汽灭菌后固态培养基中水分分布状态,进而反映灭菌对培养基物理结构的影响。发现汽爆灭菌显著改变固态培养基物理结构,汽爆灭菌后培养基中出现结合水,且毛细水和腔内水低场核磁弛豫时间延长,表明汽爆灭菌破坏了培养基中大分子结构暴露出亲水基团,同时扩大孔和腔体积。通过主成分分析等进一步研究发现,孔是微生物生长的活性位点,汽爆灭菌改善了固态培养基多孔性,为微生物生长提供更多有效空间,较常规蒸汽灭菌提高固态发酵水平2.90倍。(3)针对固态发酵过程热量累积问题,发明了新型变频压力脉动强化固态发酵方法。基于微生物在不同发酵时期动态产热规律,建立气相双动态反应器热量平衡模型,进而确定变频压力脉动策略。考察了变频脉动下热量传递性能和发酵水平,发现在同等能耗下,变频脉动较常规恒频脉动有效促进培养基散热,基质温度上升幅度降低40.5%,纤维素酶活提高9.34%。因此,变频压力脉动是气相双动态固态发酵优化操作方式。(4)建立固态发酵过程数字图像处理快速监测体系。基于微生物生物量与发酵体系图像灰度平均值的对应量化关系,确立了数字图像处理快速监测固态发酵生物量方法,具有快速、准确、成本较低等优点。采用组态软件MCGS实现了对气相双动态反应器的自动控制,对温度、湿度、压力等环境参数进行实时测定。研发了大规模气相双动态固态发酵自动控制方案,促进提升固态发酵生产自动化水平。(5)基于以上研究,实现汽爆灭菌新型固态发酵工程产业化应用。将汽爆灭菌,变频压力脉动,自动控制系统耦合,通过工艺工程设计,集成创新,在生态肥料新型固态发酵产业化中得到应用。