发酵工程原理与技术x neia4a

1、Hein de Kort1actually,I dont likebreaddont worry,in another yearit will be gonewhata gloriousmoment .but look .it has little greenhairs !ah . thewonders ofnatureI boughtthis breada year ago第十五章 固态发酵从传统手艺到科学技术2本章的主要内容第一节第二节第三节第四节第五节概述固态发酵的分类固态发酵反应器影响固态发酵过程的主要参数与控制固态发酵的应用Photograph Bavaria3传统霉菌发酵干酪,蘑菇

2、栽培,发酵香肠, .工业化 air食品及饲料用酶制剂酱油, 制麦,蘑菇菌丝体,控制有害物真菌, .第一节 概述固态发酵(SSF)4What is Solid-StateFermentation（SSF）? Solid-State Fermentation is thecultivation of micro-organisms onmoist solid raw materials, such asgrains, beans or wheat bran. This isan alternative to the cultivation ofmicro-organisms in liquid n

3、utrientbroths (submerged fermentation),which is the work horse of thefermentation industry in the West.Aspergillus oryzae onwheat5为什么要利用固态发酵?产品品质较高较高的产率或产品浓度下游处理比较方便，廉价较少的废水排放稳定的固态副产物发酵技术成本较低6固态发酵的特点 在固态发酵中，微生物是在接近于自然条件的状况下生长，有可能产生一些液体培养中不产生的酶和其它代谢物。 在固态发酵中，气固表面积较大，因此固态发酵的气体传递速率比液体发酵高得多。7固态发酵技术简史 公元

4、前2600：埃及人的面包发酵 公元前550年：用糖、淀粉、盐等进行鱼的发酵/保存 公元前550年：曲酸生产工艺 7世纪：佛教徒将曲酸生产工艺由中国传入日本 18世纪：由苹果等榨汁后的果渣酿制醋8固态发酵技术简史 18世纪：没食子酸在鞣革和印刷等工艺中的应用 1860-1900：污水处理 1900-1920：真菌酶类 1920-1940：真菌酶类，葡萄糖酸、转鼓式发酵器，柠檬酸 1940-1950：用固态发酵法生产青霉素9固态发酵技术简史 1950-1960：真菌培养的类固醇转化 1960-1980：霉菌毒素和单细胞蛋白 1980-目前：赤霉酸，微生态制剂固态发酵与液态发酵的比较优点1.培养基含

5、水量少，废水废渣少，环境污 染少，容易处理。2.能源消耗量低，供能设备简易。3.培养基原料多为天然基质或废渣，广泛易得，价格低廉。4.设备和技术较简易，较低的投资。5.产物浓度较高，后处理较方便。1011固态发酵与液态发酵的比较缺 点1.菌种限于耐低水活性(aw)的微生物，菌种选择性少。2.发酵速度慢，周期较长。3.天然原料成分复杂，有时变化，影响发酵产物的质和量。4.工艺参数难测准和控制。5.产品少，工艺操作消耗劳力多，强度大。现代固态与传统固态发酵的比较低廉适宜于分离纯化高附加值产品 一般产品后处理简单，可直接烘干12传统固态发酵在极为简单的发酵容器中或敞口式固态发酵基本是自然富集发酵或强

6、化菌种发酵限于传统发酵食品的生产操作能耗低，设备投资小，劳动强度大可直接利用粮食和纤维素原料，价格现代固态发酵在密闭的固态发酵反应器中进行采用单一菌株纯种或限定菌株混合发酵扩大了固态发酵的应用范围增加了操作能耗，设备投资大需要无菌处理发酵原料第二节固态发酵的分类 按微生物的情况和形成的产品条件不同分类 自然富集固态发酵 强化微生物混合固态发酵 限定微生物混合固态发酵 单菌固态纯种发酵。1314 按固态发酵固相的性质分类 以农作物(如麸皮、豆饼等)为底物的固态发酵方式 以惰性固态载体为固态发酵过程中的固相的固态发酵方式（惰性载体吸附固态发酵）第三节固态发酵反应器一、浅盘式固态发酵反应器1516二

7、、转鼓式固态发酵反应器17三、旋转圆盘式固态发酵反应器18柱式固态发酵反应器19五、通风曲池20第四节 影响固态发酵过程的主要参数与控制 固态发酵含有不溶于水的固体、少量的水分及空气。微生物生成的热导致水分蒸发，使发酵体系具有气、液、固不均匀三相，存在严重的浓度梯度及传热、传质困难，这样很难控制pH值、水活度、最佳反应温度等，使产量大大下降。21 要具体了解每一个固态发酵过程中的宏观、微观特点并用之来实现发酵中的最佳控制是有意义的，也是非常困难的。实际上多数固态发酵控制手段采用提供宏观最佳的温度、含水量、通气量及适宜pH值条件来实现发酵控制。22 影响固态发酵过程的主要参数有： 温度 湿度 p

8、H值 气相组成一、湿度与水活度 含水量 水活度物料湿重 物料干重物料湿重W =p：为湿料饱和蒸汽压pa：为同样温度下纯水饱 和蒸汽压23ppa w =241，水对固态发酵的影响 水对物料的理化性质有复杂的影响； 水在固态发酵中为微生物生长提供营养充足的水环境； 影响微生物对氧的利用。微生物能否在底物上生长取决于该基质的水活度w，它与底物的含水量W有关。25 底物的性质、最终产物的类型及微生物的需求共同决定底物含水量的水平 细菌要求水活度0.90.99； 酵母菌要求水活度0.80.9； 真菌和少数酵母菌要求水活度0.60.7。固态发酵常用真菌就是因为其对水活度要求低，可以排除其他杂菌的污染262

9、，水活度控制措施 底物加无菌水； 加湿空气（调整空气的湿度）； 安装喷湿器。27二、温度与热量传递 在发酵的初始阶段时，固态发酵底物各个部位的温度都一样。但是随着发酵的进行，发酵过程产生代谢热。由于底物的热传导性很差，这些热很难及时扩散开来，同时，发酵过程中，底物会发生收缩，多孔性下降，更阻碍了热的传递扩散。281，固态发酵过程中热量传递过程 固体培养基颗粒内热量的传递过程； 热量在颗粒表面到颗粒间气相的传递 。如果没有强制通风，热量从固体培养基表面到气相的传递主要以热传导的方式进行。292，存在问题 由于固态基质多为有机质，导热性能差，没有自由流动的液相，导致在固态发酵过程中热量传递困难。料

10、层内存在着较大的温度梯度，因而不利于微生物的生长和产酶。 由于固态发酵反应器内部传热和传统夹套散热的局限性，传热问题是固态发酵过程中最大的障碍。303，解决措施 强制通风； 冷凝蛇管或夹套冷却。通气、温度、湿度控制相耦合31三、通气与传质过程 微观过程：传质过程发生在发酵微生物细胞水平上。 宏观过程： 空气进入和排出生物反应器的过程； 空气流动而发生的自然对流、扩散过程 ； 在生物反应器壁内与周围环境之间发生的传质过程； 搅拌过程中剪切效果。321，气体与固体培养基颗粒间的传质 在固态发酵中，最重要的颗粒间传质是氧从基质空隙向微生物的转移。空隙部分在基质内大小由基质本身的性质(如多孔性)、颗粒

11、大小和含水量所决定。有时为了增加基质的空隙率，可以专门添加诸如谷壳之类的疏松材料以利于通气。基质的含水量也与氧向空隙的转移紧密相关，因为过多游离水妨碍空气的流动。对一定的空隙率来说，氧在颗粒间转移可由搅拌相通气来实现，定时翻醅、间歇或连续通风都是经常使用的方法。332，颗粒内氧的扩散 在物料性质一定的情况下，颗粒内部的溶氧水平与颗粒半径的大小有关，并存在一个临界半径，在该半径以内的部分，溶氧水平接近为零，好氧微生物在此半径以内不能正常生长。颗粒内部菌丝顶端的供氧问题，是固态发酵中比较关键的传递过程，目前仍没有切实可行的解决方法，氧在这样复杂的真菌-基质颗粒内的扩散动力学还远没有被认识。343，

12、氧气从气相主体到微生物的传递过程 固态发酵没有自由水。微少物直接从空气中汲取氧。但很多操作因素与培养基特性影响氧的传递速率，如空气压力、通气率、基质的空隙率、料层厚度、基质湿度、反应器几何特征及机械搅拌装置的转速等。基质表面湿度足以形成一层液膜，是传质的控制因素。354，改善传质状况的措施 以颗粒状多孔或纤维状物质做底物；减小底物厚度；增大底物间空隙；使用多孔浅盘发酵；搅拌底物或使用转鼓反应器。36四、pH值 固态发酵中测pH值的方式如下： 两手取一把湿料插入pH探头，用手轻轻挤压使之在pH探头处挤出少许物料中吸附的水分，然后读取pH值； 取少量蒸馏水加到物料中充分混匀，用pH探头直接测量，这

13、种方法的测量值较的种方法高0.10.2。37控制措施 在培养基中添加缓冲液； 用脲而不用铵盐作为主要氮源。许多情况下则是靠固态物料强大的缓冲能力来维持的。38第五节 固态发酵的应用传统食品酶制剂农业医药环境生物冶金39一、传统食品酒曲酱油曲豆腐乳豆豉40酒曲41酱油曲42豆腐乳43豆豉44二、酶制剂 淀粉酶 纤维素酶 蛋白酶45淀粉酶46三、农业 生物农药 生物肥料 生物饲料47生物农药 生物农药又称生物源农药，一般是指直接利用自然界有益的生物或从某些生物中获取的具有杀虫、防病等作用的生物活性物质。人体直接摄入这类产品不产生危害，人体可以对其分解利用。这类物质进入生物圈后，极易被阳光或环境微生

14、物分解，因而不产生公害。48生物肥料 微生物肥料又称菌肥、接种剂，是一种以微生物生命活动使农作物得到特定肥料效应的微生物制剂。它的肥料效应一般认为是广义的，不仅仅是营养物质方面，也包括了对作物生长刺激、调控，协助作物吸收水分以及由于接种微生物在作物根际的广泛生长而降低或抑制有害微生物的存活，表现出减轻一些病(虫)害的效用。49根瘤菌肥料 根瘤菌肥料是推广最早、效果显著的一种高效菌肥，可使豆科植物增产并提高土壤中的氮素含量。50生物饲料 所谓微生物饲料，就是利用微生物的新陈代谢和繁殖的菌体来生产和调剂的饲料。大体上可以归纳为两大类： 利用微生物的发酵作用改变饲料原料的理化性状，提高消化吸收率及营

15、养价值，或增加适口性，或解毒、脱毒，或积累有用的中间代谢产物。 利用来源广泛的废弃物、矿物、纤维素及糖类资源培养的微生物菌体蛋白。51医药 药用真菌 猴头菌 蜜环菌猴头菌蜜环菌52 药用真菌固体发酵的历史，可追溯到约2500年前中药神曲的制作，此后很长的历史时期内没有什么新发展。直到20世纪70年代，才有猴头、亮菌等新品种出现。发酵时多采用农副产品为基质，较适用于能耐受湿度较低的丝状真菌。53 国内药用真菌固态发酵生产工艺现有两类： 有渣型：用甘蔗渣、玉米芯、麦麸、米糠等作为基质，接种、发酵，经热水、乙醇等提取成分后制剂的工艺。 无渣型：用玉米粉发酵后直接烘干制剂的工艺。54环境 固体废弃物的

16、固态发酵 土壤固态修复55固体废弃物的固态发酵 固体废物是人们在生产建设、日常生活和其他活动中产生的，在一定时间和地点无法利用而被丢弃的污染环境的固体、半固体废物。主要包括生活和生产过程产生的残渣，例如城市生活垃圾、工业生产废渣、农副产品加工残余等；也包括废水少物处理过程中的剩余污泥，过滤、沉淀等分离到的固体物等。56固体废弃物的固态发酵堆肥化固态发酵制沼气固态发酵制酒精固态发酵制氢气57土壤固态修复 污染土壤的生物修复是指综合运用现代生物技术，使土壤中的有害污染物得以去除、土壤质量得以提高或改善的过程。 所谓污染土壤微生物修复技术，主要是利用微生物固态发酵技术，将土壤中有害有机污染物降解为无害的无机物质(CO2和H2O)的过程。58技术类型 原位微生物处理工艺（in situ）：野生微生物处理或加入经驯化和培养的微生物以