Für die Feststofffermentation werden in erster Linie Pilze verwendet, da diese aufgrund ihrer filamentösen Struktur feste Substrate bevorzugt bewachsen. Hefen und Bakterien können jedoch auch eingesetzt werden. Die Vorteile dieser Art der Fermentation liegen einerseits in der relativ billigen Durchführbarkeit und andererseits in den oft höheren Ausbeuten, verglichen mit der entsprechenden Submerskultur.
Bei Fermentationen auf festen Substraten ist der Wassergehalt relativ gering, was einen signifikanten Selektionsvorteil der fermentierten Mikroorganismen gegenüber in Submerskultur wachsenden Keimen zur Folge hat. Dies führt zu einem geringeren Kontaminationsrisiko und somit zu einer weiteren Verringerung der Kosten gegenüber Prozessen, die absolute Sterilität erfordern.
Die selektiven Wachstumsbedingungen der entsprechenden Mikroorganismen und der geringe Wassergehalt führen zu höheren Produktausbeuten. Wegen der geringeren Menge an Flüssigkeit im Reaktor werden die Produkte in höher konzentrierter Form ausgeschieden als in Submerskultur. Zur Ernte des Produkts wird in vielen Fällen ebenfalls wenig Flüssigkeit benötigt. Die daraus resultierenden hohen Produktkonzentrationen vereinfachen die Produktgewinnung und dessen Reinigung, verringern die Abwassermengen und reduzieren somit wiederum die Kosten.
Trotz dieser evidenten Vorteile konnte sich die Feststofffermentation in vielen Industriezweigen nicht als hochtechnologischer Prozess durchsetzen, da der Stand der Fermentertechnik nicht jenem für Submerskulturen entsprach. Durch die komplexeren Fermentationsbedingungen der Feststoffkultur müssen im Reaktorbau einige Probleme überwunden werden.
Während der Fermentation finden verschiedenste Konvektions- und Diffusionsprozesse zwischen den Substratpartikeln und zwischen Mikroorganismus und Subs-trat statt. Sauerstoff und Wasser bzw. Zusatznährstoffe müssen sowohl den gesamten Reaktorraum erreichen, als auch in die Mikroorganismen eindringen. Das Produkt muss in zufriedenstellender Menge ausgeschieden werden und in vielen Fällen in ausreichendem Maße von dem Mikroorganismus wegdiffundieren, um eine Produkthemmung zu vermeiden. Die Diffusion und Konvektion hängt stark von der Feuchtigkeit im Reaktorinnenraum und der Durchmischung des Reaktorinhalts ab.
Substrate unterschiedlichster Konsistenz und Form werden für Feststofffermentationen verwendet. Diese können in ihrer Partikelgröße von pulverförmiger Stärke bis zu mehreren Zentimeter großen Hackschnitzeln variieren.
Die Durchmischung des Substrats gestaltet sich für jede Partikelgröße als äußerst schwierig. In vielen Fällen wird gänzlich auf die Durchmischung während der Fermentation verzichtet. Dadurch entstehen Wärmegradienten, die umso stärker ausgeprägt sind, je kleiner die Partikelgröße des Subs-trats ist. Wärmegradienten entstehen durch die Stoffwechselwärme der Mikroorganismen während der Fermentation. Durch die relativ feste Packung des Substrats kann die Wärme nur schwer abgeführt werden. Oft wird in Feststoffreaktoren nur die Belüftung zur Abfuhr überschüssiger Wärme eingesetzt. Gerade bei Substraten mit geringer Partikelgröße können sich Kanäle bilden, durch die die gesamte Luft entweicht. Dies führt zu überhitzten und gleichzeitig mit Sauerstoff unterversorgten Regionen im Reaktor. Gleichzeitig kann während der Fermentation entstehendes Kohlendioxid nicht in ausreichendem Ausmaß abgeführt werden. Durch diese Unterversorgung von Sauerstoff und den Überschuss von Schadstoffen werden ungünstige Wachstumsbedingungen geschaffen, es kommt zu Veränderungen im Metabolismus und die Fermentationsresultate sind im besten Fall suboptimal.
