固态发酵技术及过程控制(1)精选PPT.ppt
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1、关于固态发酵技术及过关于固态发酵技术及过程控制程控制(1)02.04.2023801第1页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.2023280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)游离水的湿固体材料上没有(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。培养微生物的工艺过程。第2页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.2023380固态发酵的定义固
2、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。第3页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.2023480二、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,水是培养基、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。培养基中水活度在中较低的组分。培养基中水活度在0.99以下,适宜于以下,适宜于水活度在水活度在0.930.930.980.98的微生物生长,限制了应用范围,的微生物生长,限制了应用范围,同时也限制了某些杂菌的生长。同时也限
3、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,营养物浓度存在、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、对营养物的吸收和代梯度,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。谢产物的分泌存在不均匀。第4页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20235803、固态发酵中培养基提供的与气体的接触面积要比液体、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,供氧更充足,同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,能量消耗低。时,空气通过固体层得阻力较小,能量消耗
4、低。4、使用固体原料,在发酵过程中,糖化和发酵过程同、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。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,没有大量有机废液产生,但提取物含有底物成分。7、生产机械化程度较低,缺乏在线传感仪器,过程控、生产机械化程度较低,缺乏在线传感仪器,过程控制较困难。制较困难。第5页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.2023680三、固态发酵的分类三、固态发酵的分类 1、自然富集固态发酵、自然富集固态发酵2、强化微生物混合固态发酵、
5、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、单菌固态纯种发酵第6页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.2023780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。第7页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20238802、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
6、,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。第8页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20239803、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。第9页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.202310804、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
7、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。第10页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20231180四、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)第11页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20231280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 第12页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20231380园盘固体发酵机园盘固体
8、发酵机 第13页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20231480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相对湿度调节器第14页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20231580 图图44 强制通风填充床反应器强制通风填充床反应器 第15页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20231680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
9、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空气调节空气调节空气调节空气调节器;器;器;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;调节阀;9 9空气过滤器;空气过滤器;空气过滤器;空气过滤器;1010装料装料装料装料机;机;机;机;1212控制台控制台控制台控制台 第16页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.202317802、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 第17页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.2023188
10、0(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温度传温度传感器;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;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第18页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20231980滚筒发酵机滚筒发酵
11、机第19页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20232080(3)流化床反应器 第20页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20232180粉粉剂剂硫硫化化床床第21页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20232280(4)塔式反应器)塔式反应器第22页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20232380脱氯塔脱氯塔第23页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20232480一酸塔一酸塔第24页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20232580五、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底物大量生产化学物质
12、,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。第25页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20232680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
13、混合物;能够利用多糖的混合物;有完整的酶系,可以迅速从对某一种多糖的代谢转为对另一种多有完整的酶系,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;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。第26页,讲稿共81张,创作于星期日0
14、2.04.202327802、界面作用、界面作用(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第27页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.202328803、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,顶端之后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;在生长过程中又靠顶端延伸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真菌的菌落,可见真菌的生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端的生长。长主要表现在菌丝顶端
15、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、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。第28页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.202329804、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,其: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,在木质纤维素类物中,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,导致培养基内质的分解过程中,会产
16、生大量的代谢热,导致培养基内温度高达温度高达6060以上。以上。n n饲料的青贮: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,体系的pHpH值降低,同时培养基内局部的氧被耗尽,造值降低,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,从而抑制了真菌的生长。成培养基内变成厌氧环境,从而抑制了真菌的生长。第29页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20233080n 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
17、酶等。第30页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20233180n n利用酵母菌的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。第31页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20233280二、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
18、爆碎、粉碎、研磨等物理处理。第32页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20233380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)颗粒均匀性及硬度第33页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20233480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。第34页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20233580三、影响固态发酵过程的主要
19、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值第35页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20233680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。第36页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20233780n n强化微生物混合固态发酵(intens
20、ified 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。第37页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20233880(二)混合固态发酵工艺特点(二)混合固态发酵工艺特点1 1、充分利用培养基、设备、人员和时间,可以在同一、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,提高所需产品的质和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。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
21、产品,而纯种发酵是、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。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,通、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成的复杂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菌来进行复杂的代谢作用,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,提高生产效率。多种代谢反应,或促进生长代谢,提高生产效率。第38页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20233980混合的多种菌种混合的多种菌种n n例如,华根霉(Rhizopus
22、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。第39页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20234080(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,
23、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第40页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20234180(四)混合固态发酵工艺过程存在的问(四)混合固态发酵工艺过程存在的问题题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,使其达最佳生态水平,发挥最大效应。第41页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20234280二、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
24、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。第42页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.202343801、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托盘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;上;没有强制的通风,但在托盘上可以有孔,空气可以缓没有强制的通风,但在托盘上可以有孔,空气可以缓慢地在托盘的周围循环;慢地在托盘的周围循环;发酵基质的温度随着反应器周围环境的温度而变化,因发酵基质的温度随着反应器周围环境的温度
25、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应器的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。内部温度。n n问题:问题:操作难以实现机械化,属“劳动密集型”生产方式;由于发酵基质是静态的,因此传质、传热困难,这就使托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十几厘米。盘上所添加的基质的厚度往往只有几厘米到十几厘米。第43页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.20234480托盘式发酵设备托盘式发酵设备第44页,讲稿共81张,创作于星期日02.04.202345802、填充床式发酵、填充床式发酵第45页,讲稿共81张,创作
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