固态发酵技术及过程控制.pptx
《固态发酵技术及过程控制.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《固态发酵技术及过程控制.pptx(80页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、2024/4/8 周一801第四章第四章 固态发酵技术及过程控制固态发酵技术及过程控制第一节第一节 概述概述 第二节第二节 固态发酵过程的控制固态发酵过程的控制 第三节第三节 固态发酵技术固态发酵技术 2024/4/8 周一280第一节第一节 概述概述 一、固态发酵的定义一、固态发酵的定义 n n一切使用不溶性固体基质来培养微生物的工艺过程,称为固体基质发酵(solid substrate fermentation)固体悬浮在液体中的深层发酵固体悬浮在液体中的深层发酵固态发酵固态发酵 没有(或几乎没有)游离水的湿固体没有(或几乎没有)游离水的湿固体材料上培养微生物的工艺过程。材料上培养微生物的
2、工艺过程。2024/4/8 周一380固态发酵的定义固态发酵的定义 n n是指没有或几乎没有自由水存在下,在有一定湿度的水不溶性固态基质中,用一种或多种微生物的一个生物反应过程,因此固态发酵是以气相为连续相的生物反应过程。2024/4/8 周一480二、固态发酵的特点二、固态发酵的特点 1 1、固态发酵培养基中没有游离水的流动,水是培养、固态发酵培养基中没有游离水的流动,水是培养基中较低的组分。培养基中水活度在基中较低的组分。培养基中水活度在0.990.99以下,适以下,适宜于水活度在宜于水活度在0.930.930.980.98的微生物生长,限制了应的微生物生长,限制了应用范围,同时也限制了某
3、些杂菌的生长。用范围,同时也限制了某些杂菌的生长。2 2、微生物从湿的固态基质吸收营养物,营养物浓度、微生物从湿的固态基质吸收营养物,营养物浓度存在梯度,发酵不均匀,菌体的生长、对营养物存在梯度,发酵不均匀,菌体的生长、对营养物的吸收和代谢产物的分泌存在不均匀。的吸收和代谢产物的分泌存在不均匀。2024/4/8 周一5803 3、固态发酵中培养基提供的与气体的接触面积要比、固态发酵中培养基提供的与气体的接触面积要比液体深层发酵中与气泡的接触面积大得多,供氧液体深层发酵中与气泡的接触面积大得多,供氧更充足,同时,空气通过固体层得阻力较小,能更充足,同时,空气通过固体层得阻力较小,能量消耗低。量消
4、耗低。4 4、使用固体原料,在发酵过程中,糖化和发酵过程、使用固体原料,在发酵过程中,糖化和发酵过程同时进行,简化操作工序,节约能耗。同时进行,简化操作工序,节约能耗。5 5、高底物浓度可以产生高的产物浓度。、高底物浓度可以产生高的产物浓度。6 6、由于产物浓度高,提取工艺简单可控,没有大量、由于产物浓度高,提取工艺简单可控,没有大量有机废液产生,但提取物含有底物成分。有机废液产生,但提取物含有底物成分。7 7、生产机械化程度较低,缺乏在线传感仪器,过程、生产机械化程度较低,缺乏在线传感仪器,过程控制较困难。控制较困难。2024/4/8 周一680三、固态发酵的分类三、固态发酵的分类 1、自然
5、富集固态发酵、自然富集固态发酵2、强化微生物混合固态发酵、强化微生物混合固态发酵3、限定微生物混合固态发酵、限定微生物混合固态发酵4、单菌固态纯种发酵、单菌固态纯种发酵2024/4/8 周一780自然富集固态发酵自然富集固态发酵n n是指利用自然界中微生物,由不断演替的微生物进行的富集混合发酵过程。例如传统的酒曲、酱油和堆肥发酵等,不需要接种微生物,而是依赖空气和物料中的自然微生物区系,由多种微生物演替成最适于生长代谢或共同协作的小生态环境。2024/4/8 周一8802、强化微生物混合固态发酵、强化微生物混合固态发酵n n是指在自然富集固态发酵的基础上,根据人们部分掌握的微生物代谢机制,强化
6、接种微生物菌系不明确的富集培养物或特定微生物培养物所进行的混合发酵,例如沼气发酵、白酒发酵及废物发酵降解处理等。2024/4/8 周一9803、限定微生物混合固态发酵、限定微生物混合固态发酵n n是在对微生物相互作用和群落认识的基础上,接种混合培养的微生物是已知和确定的,通常使用两种或两种以上经过分离纯化的微生物纯种,同时或先后接种在灭菌的培养基中,在无污染条件下进行的固态发酵过程。2024/4/8 周一10804、单菌固态纯种发酵、单菌固态纯种发酵n n是在纯种培养基础上建立起来的,采用已知的单一微生物菌种,接种在灭菌的固态培养基中,在无菌条件下进行的固态发酵过程。它对于扩大固态发酵的应用范
7、围和潜力的发挥起到非常重要的作用,是固态发酵的重要方向。2024/4/8 周一1180四、固态发酵反应器四、固态发酵反应器 1、静态固态发酵反应器 塔柱式(图4-1)2024/4/8 周一1280浅盘式(图浅盘式(图4-2)1浅盘室;2水阀门;3紫外灯管;4,8,13空气阀门;5,11空气过滤器;6排气口;7加湿器;9加热器;10空气循环;12进气口;14浅盘;15浅盘架 2024/4/8 周一1380园盘固体发酵机园盘固体发酵机 2024/4/8 周一1480强制通风物料静态反应器(图强制通风物料静态反应器(图4-3)1发酵罐;2空气调节阀门;3空气温度传感器;4湿度传感器;5排气阀;6温度
8、控制;7加湿器;8冷却盘管;9加热器;LP液面探针;RH相对湿度调节器2024/4/8 周一1580 图图44 强制通风填充床反应器强制通风填充床反应器 2024/4/8 周一1680图图图图4 45 Koji5 Koji工业制曲设备工业制曲设备工业制曲设备工业制曲设备1 1曲室;曲室;曲室;曲室;2 2多孔板;多孔板;多孔板;多孔板;3 3旋转机;旋转机;旋转机;旋转机;4 4,1111卸料螺杆机;卸料螺杆机;卸料螺杆机;卸料螺杆机;5 5空空空空气调节器;气调节器;气调节器;气调节器;6 6鼓风机;鼓风机;鼓风机;鼓风机;7 7排气管;排气管;排气管;排气管;8 8调节阀;调节阀;调节阀;
9、调节阀;9 9空气过空气过空气过空气过滤器;滤器;滤器;滤器;1010装料机;装料机;装料机;装料机;1212控制台控制台控制台控制台 2024/4/8 周一17802、动态固态发酵反应器、动态固态发酵反应器(1)转鼓式)转鼓式 2024/4/8 周一1880(2)带机械搅拌的筒柱式)带机械搅拌的筒柱式 图图图图4 47 7 搅拌式固态发酵反应器搅拌式固态发酵反应器搅拌式固态发酵反应器搅拌式固态发酵反应器 1 1搅拌架电机;搅拌架电机;2 2搅拌桨电机;搅拌桨电机;3 3接种和喷水口;接种和喷水口;4 4温温度传感器;度传感器;5 5测重仪;测重仪;6 6湿度传感器;湿度传感器;7 7冷却器;
10、冷却器;8 8湿度调节器;湿度调节器;9 9空气流量器;空气流量器;1010鼓风机;鼓风机;1111加热器;加热器;1212空气过滤器;空气过滤器;1313空气冷却器空气冷却器2024/4/8 周一1980滚筒发酵机滚筒发酵机2024/4/8 周一2080(3)流化床反应器 2024/4/8 周一2180粉粉剂剂硫硫化化床床2024/4/8 周一2280(4)塔式反应器)塔式反应器2024/4/8 周一2380脱氯塔脱氯塔2024/4/8 周一2480一酸塔一酸塔2024/4/8 周一2580五、固态发酵发展趋势和应用前景五、固态发酵发展趋势和应用前景 n n 固态发酵可利用多种工农业残渣作为
11、底物大量生产化学物质,在有机酸、酒精、单细胞蛋白、蘑菇、酶制剂、生物活性物质及风味物质等,尽管上述研究有的还处在实验室研究阶段,但固态发酵被认为是可再生性资源综合利用最有希望的途径,是解决当前人类所面临的“三大”危机的一个有效手段。当前,许多工农业残渣、城市生活垃圾已成为人们的社会公害,对人类的生存环境均产生不利的影响。2024/4/8 周一2680第二节第二节 固态发酵过程的控制固态发酵过程的控制一、固态发酵微生物及生长机制一、固态发酵微生物及生长机制一、固态发酵微生物及生长机制一、固态发酵微生物及生长机制 1 1、适合固态发酵微生物特征、适合固态发酵微生物特征 能够利用多糖的混合物;能够利
12、用多糖的混合物;有完整的酶系,可以迅速从对某一种多糖的代谢转为对另有完整的酶系,可以迅速从对某一种多糖的代谢转为对另一种多糖的代谢;一种多糖的代谢;能够深入到料层中,也能穿入基质细胞内;能够深入到料层中,也能穿入基质细胞内;在发酵过程中以菌丝形式生长,而不易孢子化;在发酵过程中以菌丝形式生长,而不易孢子化;生长迅速,染菌概率小;生长迅速,染菌概率小;可以在含水量低的基质中生长;可以在含水量低的基质中生长;能够耐受高浓度的营养盐;能够耐受高浓度的营养盐;可以耐受基质预处理过程中产生的苯类等有毒物质。可以耐受基质预处理过程中产生的苯类等有毒物质。2024/4/8 周一27802、界面作用、界面作用
13、(1)营养物在界面上的富集(2)界面分布的微生物(3)微生物界面效应的意义2024/4/8 周一28803、固态基质中丝状微生物的生长、固态基质中丝状微生物的生长 n n丝状真菌的生长是以其顶端延长的方式进行的,丝状真菌的生长是以其顶端延长的方式进行的,顶端之后的菌丝只能变厚而不能伸长;在生长过顶端之后的菌丝只能变厚而不能伸长;在生长过程中又靠顶端延伸的方式产生繁茂的分枝而构成程中又靠顶端延伸的方式产生繁茂的分枝而构成真菌的菌落,可见真菌的生长主要表现在菌丝顶真菌的菌落,可见真菌的生长主要表现在菌丝顶端的生长。端的生长。外层是不定形的组分,主要是蛋白质、甘露聚糖和葡聚糖;内层是定形的,由几丁质
14、、纤维素或二者组成的微纤。顶部后面坚硬的细胞壁和复杂的分支系统使得菌丝牢固地固定在底物上,并产生强大的内压使顶部延伸有了动力。2024/4/8 周一29804、固态基质中细菌和酵母菌的生长、固态基质中细菌和酵母菌的生长 n n自然沤肥自然沤肥 :湿润的有机物被一系列微生物所分解,:湿润的有机物被一系列微生物所分解,其中,由于嗜热芽孢杆菌的代谢活动,在木质纤其中,由于嗜热芽孢杆菌的代谢活动,在木质纤维素类物质的分解过程中,会产生大量的代谢热,维素类物质的分解过程中,会产生大量的代谢热,导致培养基内温度高达导致培养基内温度高达6060以上。以上。n n饲料的青贮饲料的青贮 :是由细菌参与的自然固态
15、发酵过程,:是由细菌参与的自然固态发酵过程,尤其是在发酵过程的后期,随着发酵过程的进行,尤其是在发酵过程的后期,随着发酵过程的进行,体系的体系的pHpH值降低,同时培养基内局部的氧被耗尽,值降低,同时培养基内局部的氧被耗尽,造成培养基内变成厌氧环境,从而抑制了真菌的造成培养基内变成厌氧环境,从而抑制了真菌的生长。生长。2024/4/8 周一3080n n纳豆:是日本的一种风味食品,它主要是由枯草芽孢杆菌发酵蒸煮过的大豆而制成。n n在严格无菌条件下,细菌被越来越多地用于固态发酵过程,如利用芽孢杆菌(Bacillus spp)发酵麸皮生产淀粉酶等。2024/4/8 周一3180n n利用酵母菌的
16、纯种固态发酵果皮及其他废弃物产酒精,也愈来愈引起人们的重视。n n在淀粉类物质为底物的同步糖化发酵过程中,淀粉酶和酵母菌被同时引入固态发酵系统,酵母菌的存在还有利于提高发酵产品中的蛋白质含量。2024/4/8 周一3280二、固态发酵基质原料二、固态发酵基质原料n n玉米秸秆、玉米芯、小麦秸秆、水稻秸秆、麸皮、稻壳、玉米、大米、小米、大豆、甘蔗渣、酒糟、木薯、玉米皮渣等。n n为了使底物更容易被微生物利用,经常对底物进行化学或机械物理处理,如采用酸、碱进行化学水解处理或采用爆碎、粉碎、研磨等物理处理。2024/4/8 周一3380固体发酵基质原料固体发酵基质原料影响微生物生长的因素影响微生物生
17、长的因素(1)固体基质的大分子结构(2)颗粒大小影响微生物的生长(3)颗粒形状(4)颗粒的多孔性(5)颗粒均匀性及硬度2024/4/8 周一3480固态发酵基质的差异性固态发酵基质的差异性(1)复杂的,非均一的基质结构。(2)基质的不同批次之间的差异。(3)发酵基质混合上的困难。(4)微生物在基质颗粒间活力的不均匀性。2024/4/8 周一3580三、影响固态发酵过程的主要参数三、影响固态发酵过程的主要参数1、湿度与水活度 2、温度与热量传递3、通气与传质过程4、pH值2024/4/8 周一3680第三节第三节 固态发酵技术固态发酵技术 一、混合固态发酵技术一、混合固态发酵技术(一)混合固态发
18、酵概念(一)混合固态发酵概念n n混合发酵(mixed fermentation):许多发酵过程是纯菌株无法完成或只能微弱地进行的,必须依靠两种或多种微生物共同培养来完成的过程 如传统酒曲和酱曲、腌菜、烟草发酵、茶叶发酵、青贮、堆肥等。2024/4/8 周一3780n n强化微生物混合固态发酵(intensified mixed solid-state fermentation)以人为强化接种微生物菌系不明确的富集培养物或特定微生物培养物来进行混合发酵 如传统酒曲和酱曲、腌菜、烟草发酵、茶叶发酵、青贮、堆肥等。2024/4/8 周一3880(二)混合固态发酵工艺特点(二)混合固态发酵工艺特点1
19、 1、充分利用培养基、设备、人员和时间,可以在同、充分利用培养基、设备、人员和时间,可以在同一发酵容器中经过相同工艺过程,提高所需产品一发酵容器中经过相同工艺过程,提高所需产品的质和量,或获得良种、多种产品。的质和量,或获得良种、多种产品。2 2、混合发酵能够获得一些独特的产品,而纯种发酵、混合发酵能够获得一些独特的产品,而纯种发酵是很难做到的。是很难做到的。3 3、混合的多种菌种,增加了发酵中许多基因的功能,、混合的多种菌种,增加了发酵中许多基因的功能,通过不同代谢能力的组合,完成单个菌种难以完通过不同代谢能力的组合,完成单个菌种难以完成的复杂代谢作用,可以代替某些基因重组工程成的复杂代谢作
20、用,可以代替某些基因重组工程菌来进行复杂的多种代谢反应,或促进生长代谢,菌来进行复杂的多种代谢反应,或促进生长代谢,提高生产效率。提高生产效率。2024/4/8 周一3980混合的多种菌种混合的多种菌种n n例如,华根霉(Rhizopus chinensis)可发酵生产延胡索酸。当它与大肠埃希菌(Ecoli)混合发酵,延胡索酸就能完全转化成琥珀酸。用膜醭毕赤酵母(Pichia membranaefaciens)代替大肠杆菌混合发酵,延胡索酸就被转化为L苹果酸。如果普通变形菌(Proteus vulgaris)和少根根霉(Rarrhizus)混合发酵,则可将延胡索酸转化为天冬氨酸。2024/4/
21、8 周一4080(三)混合固态发酵过程控制(三)混合固态发酵过程控制1、发酵微生物的选择与培养n n在限定微生物混合固态发酵中,用两种或两种以上经鉴定的纯种微生物进行发酵。这种条件下,微生物的营养需求已知,就可以建立适合于这些微生物生长发育的培养条件。2、发酵过程条件控制n n好氧发酵厌氧发酵交替进行2024/4/8 周一4180(四)混合固态发酵工艺过程存在(四)混合固态发酵工艺过程存在的问题的问题1、大多数混合菌体系中菌间相互关系和作用机制的研究尚不够深入;2、对于具有协同作用关系的菌株筛选和组合还是一个随机的过程,缺乏有效的理论指导,;3、对混合培养体系也不能有效地协调菌间的关系,使其达
22、最佳生态水平,发挥最大效应。2024/4/8 周一4280二、静态密闭式固态发酵技术二、静态密闭式固态发酵技术n n静态密闭式固态发酵,主要是指发酵过程中的固体基质保持相对静止状态,通常所说传统的固态发酵即指此种发酵方式。静态密闭式固态发酵反应器,主要有托盘式或填充床式反应器,这些系统均不包含搅拌设备。2024/4/8 周一43801、托盘式发酵、托盘式发酵n n特点:特点:相对比较薄的发酵基质铺在一个面积相对比较大的相对比较薄的发酵基质铺在一个面积相对比较大的托盘上;托盘上;没有强制的通风,但在托盘上可以有孔,空气可以没有强制的通风,但在托盘上可以有孔,空气可以缓慢地在托盘的周围循环;缓慢地
23、在托盘的周围循环;发酵基质的温度随着反应器周围环境的温度而变化,发酵基质的温度随着反应器周围环境的温度而变化,因此可以通过控制反应器所在的空间温度来控制反因此可以通过控制反应器所在的空间温度来控制反应器的内部温度。应器的内部温度。n n问题:问题:操作难以实现机械化,属操作难以实现机械化,属“劳动密集型劳动密集型”生产方式;生产方式;由于发酵基质是静态的,因此传质、传热困难,这由于发酵基质是静态的,因此传质、传热困难,这就使托盘上所添加的基质的厚度往往只有几厘米到就使托盘上所添加的基质的厚度往往只有几厘米到十几厘米。十几厘米。2024/4/8 周一4480托盘式发酵设备托盘式发酵设备2024/
24、4/8 周一45802、填充床式发酵、填充床式发酵2024/4/8 周一4680静态密闭式固态发酵工艺控制静态密闭式固态发酵工艺控制 1、温度控制2、水分控制 2024/4/8 周一4780三、动态密闭式固态发酵技术三、动态密闭式固态发酵技术 1、转鼓式发酵2024/4/8 周一48801 1、转鼓式发酵、转鼓式发酵n n转鼓式反应器的主要特色是空气不是从基质的底转鼓式反应器的主要特色是空气不是从基质的底部吹人而是从基质的顶部吹过,空气和基质的热部吹人而是从基质的顶部吹过,空气和基质的热量和物质交换是通过反应器的转动来促进。量和物质交换是通过反应器的转动来促进。n n转鼓式固态反应器热量的传递
25、主要有两种途径:转鼓式固态反应器热量的传递主要有两种途径:一是直接通过对流和蒸发将热量传递到反应器的一是直接通过对流和蒸发将热量传递到反应器的顶部空气;二是由反应器的壁通过传导传递。这顶部空气;二是由反应器的壁通过传导传递。这种反应器可以用干空气增加基质的水分蒸发来降种反应器可以用干空气增加基质的水分蒸发来降温,因为这样的反应器可以从顶部通过喷水来调温,因为这样的反应器可以从顶部通过喷水来调节基质的水分含量。节基质的水分含量。n n转鼓式反应器的装料系数一般是转鼓式反应器的装料系数一般是0.30.3。2024/4/8 周一49802、搅拌式发酵、搅拌式发酵2024/4/8 周一50802、搅拌
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 固态 发酵 技术 过程 控制
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【胜****】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【胜****】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。