固態(tài)發(fā)酵技術(shù)物質(zhì)和熱量

固態(tài)發(fā)酵技術(shù)物質(zhì)和熱量第1頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1概述固態(tài)發(fā)酵中液態(tài)、固態(tài)和氣態(tài)三類物質(zhì)共存于一個體系，并發(fā)生物質(zhì)的傳遞和轉(zhuǎn)化。固態(tài)發(fā)酵所涉及的物質(zhì)，簡化為：微生物菌體培養(yǎng)基質(zhì)（碳源和氮源等）代謝產(chǎn)物；氣體（氧氣和二氧化碳）水培養(yǎng)基成分是逐漸分解、溶解和被利用，不能完全溶于水中。菌體也不完全被水包圍第2頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月大型固態(tài)發(fā)酵罐設(shè)計及放大的最大難題是如何去除代謝熱。物質(zhì)傳遞與熱量的傳遞相互關(guān)聯(lián)。最為典型的是固態(tài)發(fā)酵所產(chǎn)生的熱量主要是通過水分的蒸發(fā)，以汽化熱的形式去除。通過發(fā)酵罐壁的傳熱效率較差（固-氣-固）因此必須掌握熱量傳遞方面的規(guī)律，建立合適的傳熱及熱量平衡的數(shù)學(xué)模型，通過計算確定空氣的溫度、濕度和通風(fēng)量等工藝參數(shù)。第3頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2固態(tài)發(fā)酵物料的特性5.2.1物料層和頂空層物料的宏觀分析5.2.2物料層的微觀分析5.2.3固態(tài)發(fā)酵物料的非均質(zhì)性5.2.4固態(tài)發(fā)酵過程中的物質(zhì)傳遞第4頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.1物料層和頂空層物料的

宏觀分析固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)的物料，由氣體（氣相）和培養(yǎng)物料（固相，包括含結(jié)合水的固相）組成。反應(yīng)器內(nèi)的物料層（fermentationbed），是微生物接種后發(fā)酵培養(yǎng)物的俗稱。物料層由培養(yǎng)基質(zhì)和微生物組成，主要是生物反應(yīng)的場所。微生物生長于物料層的顆粒表面，分解并利用基質(zhì)產(chǎn)生酶和代謝產(chǎn)物。關(guān)于物料層的兩種觀點：

“擬均質(zhì)相”；

“二相”體系。第5頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月第6頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月“擬均質(zhì)相”（pseudo-homogeneousphase）：即物料顆粒和顆粒間的氣相到達到平衡狀態(tài)時，將物料層視為一個相。相內(nèi)物質(zhì)的分布是均勻的，其理化性質(zhì)是完全相同的。此時，反應(yīng)器內(nèi)的物質(zhì)是頂空層和物料層之間的交換?！绊斂諏印保╤eadspace），是固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器（一般指轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器）內(nèi)物料層上方被氣體所占據(jù)的空間區(qū)域稱為頂空層；第7頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月物層料的“二相”體系：物料層由含菌體的物料顆粒（固相）和顆粒間隙中的氣體（氣相）這二相組成。物料層中的固態(tài)物料顆粒和氣相間發(fā)生物質(zhì)交換和傳遞。外部進入的空氣和顆粒間的氣體發(fā)生物質(zhì)和熱量的交換。第8頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.2物料層的微觀分析從微觀上來，物料層的組成是：物料基質(zhì)、微生物、物料顆粒間隙的空間；物料顆粒間隙或顆粒內(nèi)的孔隙的空間中含有氣體，以空氣和水蒸汽為主。第9頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月反應(yīng)器內(nèi)物料及熱量的宏觀和微觀分析9外部進入水、氧、焓10排出水、氧、焓11氧、水的對流13氧、水的擴散12攪拌引起的物質(zhì)和熱量的混合1酶的釋放2酶解3葡萄糖的擴散及被微生物利用5氧的傳遞和擴散6氧被菌體利用4易位7廢熱釋放并傳導(dǎo)8水的蒸發(fā)并擴散，焓被帶走15強制對流，夾套水熱交換第10頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月上頁圖中文字解釋第11頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.3固態(tài)發(fā)酵物料的非均質(zhì)性從微觀上看，物料層的不同部位，微生物菌體濃度、基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度的分布不均勻。生長于固態(tài)物料中的微生物，基本上是處于靜止狀態(tài)，固態(tài)發(fā)酵物料含水量較低，不攪拌時，物料幾乎不存在對流，大分子物質(zhì)（如多糖，蛋白質(zhì)），不能溶解于水，在一定時間內(nèi)，待傳遞的營養(yǎng)物質(zhì)、產(chǎn)物、微生物及酶之間相對不動，這都造成物質(zhì)傳遞困難。第12頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月液態(tài)發(fā)酵，各種培養(yǎng)基成分均勻地分散（或溶解）在液相中；物質(zhì)濃度的變化與時間有關(guān)，與其所處的空間位置無關(guān)。固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)的物質(zhì)濃度不僅與時間有關(guān)，也與空間位置有關(guān)（徑向距離和軸向距離）。即存在濃度梯度。物料層的不同位置存在濃度梯度，發(fā)酵物料顆粒的不同部位也存在濃度梯度，這是固態(tài)發(fā)酵物料的特征之一。第13頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

物料顆粒及菌體不同部位各種物質(zhì)的濃度梯度

第14頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

第15頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.4固態(tài)發(fā)酵過程中的物質(zhì)傳遞氣體類物質(zhì)的傳遞

固態(tài)類物質(zhì)的傳遞

液態(tài)類物質(zhì)的傳遞

第16頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月氣體類物質(zhì)的傳遞現(xiàn)象主要包括：在靜止的氣相層，氧氣和二氧化碳的擴散；氣生菌絲消耗氧并釋放出二氧化碳；在物料顆粒表面氧氣和二氧化碳透過液膜傳遞；在物料顆粒內(nèi)氧和二氧化碳的擴散；浸沒在液相環(huán)境中的菌絲吸收氧氣并釋放出二氧化碳；氧氣通過一系列的過程傳遞到微生物細胞。第17頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月固態(tài)類物質(zhì)的傳遞現(xiàn)象主要包括：固體類物質(zhì)包括：菌體、酶和分子量不等的各種物質(zhì)（淀粉、蛋白質(zhì)、氨基酸、葡萄糖等）。物質(zhì)的溶解：固態(tài)發(fā)酵過程中各類大分子物質(zhì)在水中不斷地溶解。物質(zhì)的代謝：基質(zhì)中各種分子物質(zhì)在微生物酶的作用下，通過復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)和調(diào)控機制進行分解代謝和合成代謝，各種物質(zhì)相互關(guān)聯(lián)和作用，形成復(fù)雜的物質(zhì)傳遞鏈。第18頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月菌體的生長及酶的分泌：微生物攝取小分子的營養(yǎng)物質(zhì)生長；微生物菌絲體以延伸或分支的方式生長；氣相菌絲內(nèi)的細胞器的移位；微生物分泌水解酶；酶在基質(zhì)中的擴散。酶對大分子物質(zhì)的水解作用，產(chǎn)生小分子水解產(chǎn)物。小分子水解產(chǎn)物在物料顆粒內(nèi)的擴散。營養(yǎng)物在基質(zhì)內(nèi)的擴散及被微生物吸收利用。代謝產(chǎn)物的釋放及擴散。固態(tài)類物質(zhì)的傳遞現(xiàn)象主要包括：第19頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月液態(tài)類物質(zhì)的傳遞現(xiàn)象包括：固態(tài)發(fā)酵過程中的水分發(fā)揮著極為特殊的橋梁和介質(zhì)的作用。固態(tài)物質(zhì)和氣態(tài)物質(zhì)都要溶解于水中才能進行傳遞。水分自身不斷地產(chǎn)生和被消耗，并在反應(yīng)器內(nèi)的固相和氣相之間進行傳遞。第20頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月水分傳遞的方式：微生物的生長或維持等代謝活動釋放代謝水分；新細胞吸收利用水；在物料顆粒內(nèi)水的擴散；在顆粒表面水膜上水的蒸發(fā)；在靜態(tài)氣相層中水汽的擴散；氣相中的水汽凝結(jié)成液態(tài)水（附著于罐壁或固態(tài)基質(zhì)中）。第21頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3固態(tài)發(fā)酵過程氧的傳遞固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器通風(fēng)方式有兩種：強制通風(fēng)：即空氣主體穿過物料層主體（從物料層的下方通入，上方排出，或方向相反）；強制通風(fēng)時空氣應(yīng)具有一定的壓力。非強制通風(fēng)：即空氣主體與物料主體大致分屬于兩個不同區(qū)域。如淺盤式發(fā)酵，氣體通過自然擴散與固相物料接觸；而臥式轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器，空氣從反應(yīng)器的一端的頂空層進入，當物料層在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)運動（運動方式有多種）時，一部分物料與頂空層的部分氣體接觸而發(fā)生氣體物質(zhì)的交換。第22頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3.1液態(tài)和固態(tài)發(fā)酵氧傳遞的區(qū)別第23頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3.2濕菌體層模型Onstra等通過實驗研究了葡萄糖和淀粉培養(yǎng)基上固態(tài)培養(yǎng)根霉時，顆粒內(nèi)的氧傳遞及氧氣擴散限制問題。提出了固態(tài)發(fā)酵濕菌體層和基質(zhì)的模型，見圖5-3。第24頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

固態(tài)發(fā)酵濕菌體層和基質(zhì)的模型第25頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

第26頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3.3固態(tài)發(fā)酵氧傳遞過程氧氣向物料層內(nèi)的擴散速率是由物料層的傳質(zhì)特性決定的。菌體在固體顆粒表面生長過程中改變了物料層的多孔性，使物料層發(fā)生了收縮，影響氧氣的擴散速率；同時CO2的反向擴散也使得氧氣向內(nèi)擴散變得更加困難，這就是固態(tài)發(fā)酵中氧氣傳質(zhì)的一大難點。由于氧氣傳質(zhì)擴散阻力的存在，固體顆粒表面的氧氣很難傳遞到顆粒內(nèi)部，使物料顆粒內(nèi)部缺氧。第27頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月微觀角度考察氧氣在物料層中的傳遞：按物料層的二相理論，物料層由物料顆粒及顆粒間隙的氣體所組成。物料顆粒是含基質(zhì)、菌體層、水膜、氣膜的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，氧氣從氣相主體到物料顆粒內(nèi)部的具體傳遞過程可用圖5-6表示。第28頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5-6固態(tài)發(fā)酵氧傳遞過程(當物料層被分為氣相和固體顆粒相時)

O2

固態(tài)基質(zhì)顆粒濕菌體層（水膜）

靜止的空氣層CO2第29頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）氧從氣相主體中向物料顆?？障兜膫鬟f，即通風(fēng)時，新鮮的空氣穿過固態(tài)物料層，和固態(tài)物料顆粒間隙的氣體置換和交換，傳質(zhì)速度與物料堆積的緊密程度有關(guān)，與顆粒的大小及孔隙率有關(guān)；（2）氧在顆粒間隙空間內(nèi)的擴散；（3）在某些情況下，暴露于空氣中的菌絲體可直接從空氣中吸收氧氣；但大多數(shù)情況菌絲體需從液體中吸收氧第30頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）氧從物料顆粒間隙的氣相主體向物料表面氣膜的轉(zhuǎn)移；（5）氣體通過顆粒表面的氣膜向氣-液界面的擴散；固態(tài)發(fā)酵物料的顆粒小，單位體積的物料的表面積大，氣-液界面積大，傳氧速率較高；（6）氧氣穿過氣-液界面進入水膜，并在水膜中的擴散，水膜也是菌絲體密集所在地；（7）水膜中的溶解氧被微生物利用；第31頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3.4固態(tài)發(fā)酵氧傳遞的限速步驟一種觀點：固態(tài)發(fā)酵過程中，氧的傳遞不受限制；另一種觀點：氧傳遞限速步驟在于界面：界面有氣-液界面、和固-菌體界面；也有人將菌體層和水膜視作一層生物膜，生物膜（濕菌體層），包括菌體及菌體層內(nèi)所含有的水。目前較為普遍接受的觀點：氧從氣-液界面進入到濕菌體層后在濕菌體中（水膜）的擴散步驟是限速步驟；濕菌體層的厚度和氣-液界面面積是固態(tài)發(fā)酵傳氧的關(guān)鍵參數(shù)。第32頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3.5工程變量對固態(tài)發(fā)酵傳氧的影響理論上，影響菌體層中氧濃度的四個因素：（1）濕菌體層的厚度L；（2）濕菌體層的密度ρx；（3）濕菌體層中菌絲體的比呼吸活力qo；（4）在濕菌體層的氧氣擴散系數(shù)De。有效擴散系數(shù)De（m2/s）除了和擴散系數(shù)有關(guān)外，還與孔隙率及物料孔隙的路徑曲折因子有關(guān)。第33頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3.6攝氧速率

只考慮微生物生長攝氧及微生物維持時的攝氧需求時，攝氧速率（Oxygenuptakerate，有時也稱為耗氧速率，Oxygenconsumpotionrate）rO及比攝氧速率qo。第34頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4水的傳遞與物料平衡水在固態(tài)發(fā)酵過程中的作用：水為溶劑，溶于水中的營養(yǎng)物質(zhì)，才能被微生物利用；水作為熱熵值很高的介質(zhì)，調(diào)節(jié)物料發(fā)酵溫度。水分的增加或減少：菌體生長需要攝取一定的水分；代謝過程中會產(chǎn)生或消耗水分；淀粉的水解需要水分；潮濕空氣通過培養(yǎng)基時會帶入水分。蒸發(fā)散熱是最主要的降溫措施。但蒸發(fā)散熱導(dǎo)致水分的損失，為保證微生物的正常生長，在培養(yǎng)過程中必須在連續(xù)混勻物料時適時補水。第35頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4.1固態(tài)發(fā)酵過程中水的存在形式在固態(tài)發(fā)酵的過程中，水的存在形式有：氣相中的水汽、液態(tài)自由水（物料顆粒表面的水膜或水滴、毛細管內(nèi)的水、顆粒間隙中的水分）、物料的結(jié)合水（boundwater）。氣相中的水汽，包括：在頂空層氣相中的水汽；顆粒間隙中氣相中的水汽。第36頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)合水固態(tài)物料中的水分，大多以結(jié)合水的形式存在。自由水能被微生物利用，結(jié)合水則不能。結(jié)合水分為（1）化學(xué)結(jié)合水，基質(zhì)中化合物的結(jié)晶水以及與某些化合物以氫鍵連結(jié)的水分；（2）物理結(jié)合水，被吸附在物料粒子外層的水分；（3）溶液狀態(tài)的水分：包括構(gòu)成液態(tài)物料的水分以及構(gòu)成固態(tài)物料的生物細胞內(nèi)溶液、細胞破裂后排出或滲透出細胞外的溶液。第37頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月還有一種與生物大分子結(jié)合的組成型的水，是非水組分物質(zhì)的組成部分，這種類型的水含量很少，處于折疊成團的大分子的內(nèi)部深處，基本上不參與化學(xué)反應(yīng)。從微生物利用水的角度來看，將水分為胞內(nèi)水分、胞外水分（即菌體之外的所有水分，包括物料基質(zhì)中的水分）。第38頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4.2水活度和水分含量5.4.2.1水活度在固態(tài)發(fā)酵過程中，水活度比水分含量意義更大，因為水分活度反映了物料與水親和能力的大小，表示物料中所含的水分作為生物化學(xué)反應(yīng)和微生物生長的可利用價值。微生物在固態(tài)基質(zhì)上的生長取決于水活度，固態(tài)物料水分的蒸發(fā)的驅(qū)動力是固態(tài)物料的水活度與飽和水活度之差。水活度aw被定義為：f—溶劑的逸度（逸度是溶劑從溶液中逃脫的趨勢）；f0—純?nèi)軇┑囊荻取?/p>

第39頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月純水的aw=1，完全無水時aw=0。水活度方面的研究大多集中在食品微生物方面（重點是防腐保鮮），在固態(tài)發(fā)酵方面，值得研究的內(nèi)容：水活度對固態(tài)發(fā)酵中微生物生長的影響，水活度對生物大分子（如酶）的存在形式，尤其是水活度對酶分子的活性中心及作用方式的影響，水活度與培養(yǎng)基中水分含量的關(guān)系，培養(yǎng)條件（如溫度、濕度、壓力、通風(fēng)量和培養(yǎng)基不同的成分等）對水活度的影響，水活度與代謝的關(guān)系等還沒有研究。第40頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4.2.2水分含量固態(tài)發(fā)酵物料水分含量分濕基含水量和干基含水量兩種。計算時應(yīng)注意基準。濕基含水量（kg/kg）是以濕物料為計算基準：

（5-4）干基含水量（kg/kg）是以絕干物料為計算基準：

（5-5）第41頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4.2.3水活度與基質(zhì)水分含量的關(guān)系水分含量與水活度的關(guān)系并不是正比關(guān)系。其關(guān)系與溫度及物料的性質(zhì)有關(guān)。溫度的影響：同一物料含水量相同時，溫度越高，則其水活度越大。這可從水活度的定義加以解釋。因為溫度越高，水越易蒸發(fā)逃逸。不同種類但水分含量相同的物料，水活度不一定相同。如未接種的物料和發(fā)酵過的物料的水活度會相差很大。溶質(zhì)濃度不同的物料，水活度也不同。如葡萄糖濃度高會導(dǎo)致水活度的嚴重下降。第42頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月Nagel等提出了水活度和基質(zhì)最初水分含量的對應(yīng)關(guān)系，蒸汽滅過菌，物料溫度為35℃的小麥粒的水分含量與水活度的關(guān)系見計算式（5-6）。式中Xw,wh—小麥基質(zhì)最初水分含量，kg水/kg干物質(zhì)。第43頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)水活度和溫度計算水分含量的公式（5-8）：式中Ts—物料的溫度，℃。W—水分含量，kg/kg干基。第44頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4.3水分的傳遞以轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器為例，將轉(zhuǎn)鼓式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器分為頂空氣相和固相物料層兩個亞系統(tǒng)。轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器內(nèi)的水分傳遞可用圖5-8表示。（1）外部空氣進入頂空層，空氣中帶入水分；（2）空氣排出，帶出水分。在氣相中水分的傳遞，主要是濕度的差別所導(dǎo)致的水分子的擴散。與外部空氣的水分的交換速度取決于進出空氣的流量、濕度及溫度。在轉(zhuǎn)鼓反應(yīng)器的頂空層和固態(tài)物料層之間的水分傳遞：（3）物料層水分的蒸發(fā)，即物料層表面的顆粒的水分蒸發(fā)到頂空層；（4）頂空層空氣中濕度很大，水汽可能凝結(jié)到物料中；（5）物料層內(nèi)顆粒之間也存在水分傳遞；（6）外加水的操作給物料層帶入水分。第45頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

第46頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月水分在固態(tài)物料中的傳遞方式：分子擴散，對流傳遞。從宏觀上看，固態(tài)發(fā)酵物料，在原料預(yù)處理過程（如浸泡，蒸煮）時，已吸收足夠的水分。但在培養(yǎng)過程中，由于微生物生長及代謝面攝取水分及水分蒸發(fā)，物料局部水分含量下降，形成不同部位物料水分的濃度梯度。從微觀上看，物料顆粒內(nèi)和物料顆粒間都有水分的傳遞，微生物的細胞內(nèi)外也存在水分傳遞。第47頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月物料顆粒內(nèi)的水分傳遞：由于受供氧的限制，好氧微生物主要在物料顆粒的外表面生長。新的菌體細胞攝取水分和水分的蒸發(fā)也在顆粒的表面，故顆粒表面的水分含量較低，水分通過擴散由顆粒內(nèi)傳到物料表面。物料顆粒的表面和內(nèi)部的含水量不同，由于水分濃度梯度的存在，物料顆粒內(nèi)自動發(fā)生水的擴散。另外，微生物菌絲總是就近攝取糖分，這就會造成在物料顆粒的不同部位上溶質(zhì)濃度形成梯度。溶質(zhì)的濃度梯度所導(dǎo)致的水分的濃度梯度也同樣存在，由此產(chǎn)生水分的擴散。第48頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月噴灑水的分布（顆粒間水分的傳遞）：物料顆粒之間傳遞的水主要是游離水。假定已被顆粒吸收的水分不會被傳遞到相鄰的其它顆粒上；顆粒間水分的傳遞僅限于顆粒表面的游離水。物料顆粒中所含有水包括被物料吸收的水和游離水，見公式5-9。在混勻物料層噴水過程中，水分的傳遞過程分為三種情況：（1）外部噴水傳到物料顆粒；（2）水分被物料顆粒吸收；（3）水在相鄰的物料顆粒間傳遞第49頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4.4與微生物代謝活動有關(guān)的水的平衡計算微生物的生長或維持所產(chǎn)生的水量在固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)過程中所占的比例很小，但由于其靠近微生物，故其作用也不可忽視。Nagel所建立的微生物的代謝及酶解等有關(guān)的水分的平衡方程（5-18）：等式左邊是水的生成速率；等式的右邊幾項分別是：空氣進出反應(yīng)器時所帶走的水分（即蒸發(fā)的水分）；菌體生長新細胞攝取的水分；代謝產(chǎn)生的水分；水解淀粉所需要的水分。第50頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

第51頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4.5水分蒸發(fā)及蒸發(fā)熱的去除5.4.5.1固態(tài)發(fā)酵水分蒸發(fā)速率及其熱量去除速率的計算在固態(tài)發(fā)酵過程中，當強制通風(fēng)的空氣通過物料層時，固態(tài)物料表面蒸發(fā)水分到氣流中去。水分的蒸發(fā)導(dǎo)致培養(yǎng)物料失去水分，對發(fā)酵造成不利影響。蒸發(fā)散熱是培養(yǎng)物料冷卻的主要方式，蒸發(fā)水量分與發(fā)酵過程中生物反應(yīng)熱的熱量有關(guān)。第52頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月在計算水分蒸發(fā)時，將物料層視為二相體系?？筛鶕?jù)固態(tài)物料的水活度的變化計算水的蒸發(fā)速度R蒸發(fā)。水分的蒸發(fā)速度和物料實際的水活度（aws）與氣相達到平衡時的物料的水活度（aws*）之差成正比，和固體與氣相的接觸面積A成正比，同時也和水汽的質(zhì)量傳遞系數(shù)（kw）成正比。第53頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月在強制通風(fēng)的固態(tài)發(fā)酵過程中，降低物料溫度主要靠二種機理，一是依靠進、出空氣的顯熱變化實現(xiàn)降溫，即當進口空氣的溫度低于物料的溫度，排出的氣體將物料的熱量帶走；其二是蒸發(fā)潛熱（也稱為相變潛熱），這是固態(tài)發(fā)酵過程中降低發(fā)酵物料溫度的主要機理。通風(fēng)空氣中的相對濕度較小，物料中的水分含量較大，顆粒間隙中氣相的相對濕度幾乎為100%，物料空隙中的水汽轉(zhuǎn)移通入的空氣中，物料中的水分不斷地被汽化蒸發(fā)補充到物料間隙中。水分汽化時需要消耗大量的熱量（汽化潛熱，或蒸發(fā)熱）。第54頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4.5.2強制通風(fēng)時物料水分的損失及熱量去除

第55頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

第56頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5物料質(zhì)量傳遞與物料平衡固態(tài)發(fā)酵大部分物料成分是難溶于水的大分子。在微生物酶的作用下可變?yōu)樾》肿拥奶穷愇镔|(zhì)或氨基酸或肽類物質(zhì)；發(fā)酵基質(zhì)表面和微生物細胞外周通常會有一層水膜，便于營養(yǎng)物質(zhì)溶解，溶解于液相水中的這些糖或氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)才能被微生物利用。在液體相中，微生物菌體產(chǎn)生的胞外酶，通過擴散也可分布到培養(yǎng)基質(zhì)中。第57頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.1固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)的濃度梯度及擴散相對于液態(tài)發(fā)酵，固態(tài)發(fā)酵的基質(zhì)濃度相對要高得多。原因：營養(yǎng)物質(zhì)不完全溶于水；載體吸附。Gustavo發(fā)現(xiàn)固態(tài)發(fā)酵對分解代謝阻遏具有抵抗作用，這種抵抗作用與固態(tài)基質(zhì)作為載體有一定的關(guān)系。某些物質(zhì)在吸附能力強的固態(tài)基質(zhì)中易產(chǎn)生濃度梯度。即靠近微生物一側(cè)，碳源的濃度低，遠離微生物，碳源濃度高。第58頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月玉米芯和甘蔗渣作為固態(tài)基質(zhì)載體，當葡萄糖等易代謝的糖的濃度達到10g/L時，就發(fā)生分解代謝阻遏；而用麩皮作載體，即使糖的濃度達到100g/L，也不會發(fā)生分解代謝阻遏。原因：載體對糖的吸收能力強的，分解代謝阻遏現(xiàn)象較少（如麩皮）；而載體對糖的吸收能力差的（如聚氨酯泡沫作為惰性載體），分解代謝阻遏不可避免。根據(jù)此現(xiàn)象，Gustavo認為在固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)中，易利用碳源存在濃度梯度。第59頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月濃度梯度形成的機理：可以用傳統(tǒng)的擴散動力學(xué)和反應(yīng)動力學(xué)的理論解釋；碳源是在載體上通過擴散傳遞到微生物表面。微生物利用碳源的速率快，而擴散速度跟不上碳源被消耗的速率，則會形成濃度梯度。微生物表面的碳源濃度總是處于較低的水平，因而就不存在分解代謝阻遏的基礎(chǔ)。固態(tài)發(fā)酵微生物對分解代謝阻遏具有抵抗作用的原因在于碳源的傳遞速度小于碳源的消耗速度；而造成傳遞速度慢的原因是固態(tài)培養(yǎng)基中的填充物可選擇性地吸附碳源物質(zhì)，使其移動速度下降。第60頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

第61頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.2發(fā)酵培養(yǎng)物的物料衡算發(fā)酵培養(yǎng)物（fermentingmedium,W）是菌體X，殘余基質(zhì)S，產(chǎn)物P的混合物。固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)物中菌體和培養(yǎng)基質(zhì)相互纏結(jié)，菌體量和基質(zhì)無法分離，準確定量困難。殘余基質(zhì)又分為可被微生物利用的基質(zhì)及惰性基質(zhì)（即無法被微生物利用，在培養(yǎng)基中其含量不發(fā)生變化）。產(chǎn)物有目的產(chǎn)物和非目的產(chǎn)物。非目的產(chǎn)物種類多，無法準確定量，一般不予考慮。Bozani[16]將固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)物W（包括可利用的基質(zhì)，菌體，產(chǎn)物和隋性基質(zhì)，以干基計）分成四個部分：W=I+S+X+P第62頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

第63頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

第64頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.4固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)的消耗5.5.4.1根據(jù)氧的消耗計算基質(zhì)的消耗5.5.4.2根據(jù)二氧化碳的產(chǎn)生量計算基質(zhì)的消耗第65頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

第66頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.4.2根據(jù)二氧化碳的產(chǎn)生量計算基質(zhì)的消耗第67頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

第68頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

第69頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.6固態(tài)發(fā)酵的補料發(fā)酵補料發(fā)酵，即在發(fā)酵過程中，在正在發(fā)酵的物料中補充部分新料，同時排出一部分物料。有以下幾種形式：回酒發(fā)酵，酒醅下窖時加入酒液，以酒養(yǎng)糟。一般操作是將蒸酒時的頭酒、尾酒及次品酒潑入大米渣、二米渣中。由于酒頭、尾酒及次品酒的品質(zhì)較差，但含有高濃度的酒精和香氣成分，故可促進發(fā)酵產(chǎn)酯，增加酒的香味。以回酒發(fā)酵的酒醅香濃，成品質(zhì)量亦較好。二級酒倒回酒新酒醅中，再次入窖發(fā)酵，再次蒸餾，可將二級酒變?yōu)轭^級酒。回醅發(fā)酵，是將長期反復(fù)發(fā)酵的酒醅，配加在新酒醅中，以老醅帶新醅。老酒醅中含有微生物，且含有代謝產(chǎn)物，有助于新酒醅中微生物的繁殖及風(fēng)味物質(zhì)的形成。回糟發(fā)酵，即將已蒸餾過的酒糟，重新配入酒醅中。因為蒸餾后的酒糟中，仍有部分淀粉未被完全利用?；卦惆l(fā)酵可提高原料利用率。思考：如何建立以上各種補料的物料平衡關(guān)系？第70頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.6熱量傳遞和平衡5.6.1概述5.6.1.1固態(tài)發(fā)酵熱量傳遞的特點和液態(tài)發(fā)酵的相比，固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)在熱力學(xué)性質(zhì)方面的特殊性表現(xiàn)在以下幾方面：（1）單位體積物料產(chǎn)生的熱量明顯高于液體發(fā)酵的；（2）梯度（3）反應(yīng)器的類型決定傳熱方式的不同；（4）熱量平衡及傳遞數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜第71頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）單位體積的物料中基質(zhì)含量和菌體濃度均高于液態(tài)深層發(fā)酵，故單位體積內(nèi)產(chǎn)生的熱量將明顯高于液體發(fā)酵的；由于固態(tài)干基物料的比熱容比水的比熱容小，且固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)的含水量低，故固態(tài)物料的熱容量較低。發(fā)酵產(chǎn)熱后，若不及時排除熱量，就會導(dǎo)致物料溫度快速大幅上升。而干基固態(tài)物質(zhì)熱傳導(dǎo)性差，在固態(tài)基質(zhì)內(nèi)部，熱傳遞速度慢；因此固態(tài)發(fā)酵物料的熱量散發(fā)，尤其是顆粒內(nèi)部、堆積的曲料或塊狀曲的內(nèi)部的熱量散發(fā)很困難。第72頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）發(fā)酵物料的固態(tài)特性，具有非均質(zhì)性及難混合的特點，使得發(fā)酵罐內(nèi)菌體、基質(zhì)、水分的濃度存在梯度。固態(tài)物料的難混合性，更加劇了不均勻性。固態(tài)發(fā)酵物料多相共存（氣-固-液三相），不同相之間的熱量傳遞模式有很大的不同。第73頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）不同的反應(yīng)器及操作方式的不同，也決定了熱量傳遞方式的多樣性。傳熱系數(shù)的計算方法有所不同。如填充床式反應(yīng)器，熱量的交換主要集中在物料層。在靜止培養(yǎng)且不通風(fēng)的狀態(tài)下，物料顆粒間的熱量傳遞方式是熱傳導(dǎo)，物料溫度呈現(xiàn)梯度變化。表層的溫度與空氣的溫度相近，而物料層的導(dǎo)熱系數(shù)低，熱量傳遞困難，導(dǎo)致物料層內(nèi)部的物料溫度較高。第74頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）熱量平衡及傳遞數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜。固態(tài)發(fā)酵熱量的產(chǎn)生量及傳遞方式往往和通風(fēng)操作、菌體的生長、水的產(chǎn)生，基質(zhì)的消耗及各種物質(zhì)的質(zhì)量傳遞緊密聯(lián)系在一起。而固態(tài)物料呈固、液、氣三相，熱量傳遞方式呈多樣性，各相的熱傳熱系數(shù)不同，菌體量及基質(zhì)無法分離而無法準確定量分析，因此，熱量的產(chǎn)生量及傳遞的規(guī)律十分復(fù)雜。第75頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.6.1.2影響固態(tài)發(fā)酵物料溫度變化的主要因素導(dǎo)致物料溫度發(fā)生變化的主要因素，主要是過程熱效應(yīng)（生物反應(yīng)熱和物理狀態(tài)變化熱）。微生物代謝的生物反應(yīng)熱，熱量的主要來源；物理狀態(tài)變化熱：相變熱，物質(zhì)發(fā)生相的變化時的焓變。具體分為汽化熱和冷凝熱，主要是汽化熱。第76頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.6.1.3固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器物質(zhì)和熱量傳遞的分析物料層由于微生物的生長及代謝產(chǎn)生生物反應(yīng)熱，導(dǎo)致物料溫度上升；通風(fēng)使物料溫度下降：從反應(yīng)器外通入一定溫度和濕度的空氣；對于厚層通風(fēng)池，填料床式反應(yīng)器空氣進入物料層；空氣攜帶物料層中的水汽及其所含有的汽化熱從物料上層排出，發(fā)生熱量交換后進入頂空層，再經(jīng)排氣管排出。對于轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器，空氣進入頂空層。頂空層空氣與物料發(fā)生熱量交換。第77頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月與熱量交換關(guān)系最密切的參數(shù)主要是進出反應(yīng)器氣體中的空氣流量、溫度、水分含量。從熱量平衡的角度看，可將固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器、反應(yīng)器外環(huán)境視為一個體系。發(fā)酵反應(yīng)器又細分為三個亞系統(tǒng)：反應(yīng)器壁、物料層和頂空層（headspace）中的氣體。第78頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月反應(yīng)器內(nèi)不同的亞系統(tǒng)之間存在熱量傳遞：物料層和頂空層空氣的熱量傳遞；物料層和反應(yīng)器壁之間的熱量傳遞；頂空層空氣和反應(yīng)器壁的熱量傳遞；反應(yīng)器外進入的空氣與物料層間隙氣體與頂空層氣體之間也進行質(zhì)量和熱量交換。其中物料層和頂空層空氣的熱量傳遞最為復(fù)雜，因為這不僅涉及到空氣中水汽的質(zhì)量傳遞，還與通風(fēng)的方式有關(guān)。第79頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.6.1.4固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器熱量平衡的一般表達式

第80頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)酵過程的熱量平衡的一般形式：進出物料熱量的變化+進出干空氣顯熱的變化+進出空氣中水汽顯熱的變化=蒸發(fā)潛熱+生物反應(yīng)熱-反應(yīng)器表面散發(fā)熱量第81頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月物料熱量ΔQ=WC(T2-T1)進入反應(yīng)器的物料溫度T1排出反應(yīng)器的物料溫度T2第82頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)酵反應(yīng)熱測定值如果考慮碳源消耗、菌體生長和產(chǎn)物生成，可以計算發(fā)酵過程的反應(yīng)熱。如酵母菌在以葡萄糖或乙醇為碳源的基本培養(yǎng)基中進行培養(yǎng)，生長和熱量生成可用以下各方程表示：以葡萄糖為碳源的好氧發(fā)酵：C6H12O6+3.84O2+0.29NH3=1.95CH1.72O0.44N0.15+4.72H2O+4.09CO2-2005kJ(測定值)以葡萄糖為碳源的厭氧發(fā)酵：C6H12O6+0.12NH3=0.59CH1.72O0.44N0.15+1.30C2H6O+0.43C3H8O3+1.54CO2-96.3kJ

葡萄糖菌體乙醇甘油第83頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月實際發(fā)酵過程生物反應(yīng)熱的計算生物反應(yīng)熱(分為呼吸反應(yīng)熱和發(fā)酵反應(yīng)熱)不考慮菌體生長時，呼吸反應(yīng)熱q1，C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+2867kJ1kg葡萄糖產(chǎn)生呼吸熱：q1=2867/180×1000=15928kJ/Kg發(fā)酵反應(yīng)熱q2(以谷氨酸發(fā)酵為例)C6H12O6+NH3+(3/2)O2→C5H9O4N+CO2+3H2O+891.5kJ1kg葡萄糖產(chǎn)生的發(fā)酵熱q2=891.5/180×1000=4953kJ/Kg2.5.1發(fā)酵反應(yīng)熱-ΔHF的確定第84頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)酵過程中，既有呼吸反應(yīng)熱(如三羧酸循環(huán))，也有發(fā)酵反應(yīng)熱(生產(chǎn)某產(chǎn)物)。兩者所消耗的碳源會占一定的比例。如果根據(jù)實驗確定在平均糖耗中，發(fā)酵熱占80%;呼吸熱占20%，則：谷氨酸發(fā)酵每百公斤糖耗的生物反應(yīng)熱=4953×80+15928×20=714800kJ/Kg2.6.1發(fā)酵反應(yīng)熱-ΔHF的確定第85頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月汽化熱的計算汽化熱QEV=W(H1-H2)

W：空氣流量(kg干空氣)；H：空氣的熱焓?？諝獾臒犰逝c其濕含量和溫度有關(guān)系。濕含量決定相對濕度。濕含量的計算：x=0.622×(Φp/P-Φp)(Kg水/Kg干空氣)分別計算進出口空氣濕含量x1和x2；Φ1：進氣相對濕度；排氣的相對濕度是飽和的，即Φ2=100%。p:水的飽和蒸汽壓第86頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月顯熱的計算顯熱：即進入發(fā)酵罐的無菌空氣帶走的熱量(進出的空氣溫度不同)Qsen=WCpAirΔTairW：空氣流量CpAir：空氣熱容ΔTair：進出的空氣的溫度變化第87頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)備向四周散失的熱量Qcond:設(shè)備向四周散失的熱量,Qcond=FaT(t1-t2)(kJ)式中:F--設(shè)備散熱表面積(m2)a--散熱表面向周圍介質(zhì)的聯(lián)合給熱系數(shù)(kJ/m2h℃)t1--器壁向四周散熱的表面溫度.t2--周圍介質(zhì)溫度.T--過程持續(xù)的時間(h)聯(lián)合給熱系數(shù)a的計算:當空氣作自然對流時,當壁面溫度為50-35℃時,a=8+0.05t1第88頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月冷卻劑帶走的熱量冷卻劑帶走的熱量的計算：Qcool=WLc(t2-t1)=WcCc(T2-T1)(kJ)式中：發(fā)酵物料質(zhì)量為WL，初溫為t1，冷卻后達到t2，發(fā)酵物料的比熱為C。T1：冷卻水進口溫度；T2：冷卻水出口溫度；Wc是冷卻劑的質(zhì)量；Cc是冷卻劑的比熱。第89頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.6.1.5固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)、空氣的熱動力學(xué)參數(shù)比熱容(specificheatcapacity)；焓，濕空氣的焓；加熱物料所需熱量濕空氣的比容生物反應(yīng)熱第90頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

第91頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月5.6.2熱量傳遞5.6.2.1熱量傳遞的三種方式為維持發(fā)酵溫度，固態(tài)發(fā)酵體系（包括發(fā)酵物料和固態(tài)發(fā)酵罐）和外界環(huán)境必定得發(fā)生熱量交換。熱量的交換按熱量傳遞機理有三種：對流傳熱、熱傳導(dǎo)和輻射傳熱。在固態(tài)發(fā)酵過程中，這三種熱傳遞的方式往往是伴隨著同時進行的。但以傳導(dǎo)和對流傳熱為主。第92頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）熱傳導(dǎo)在固態(tài)發(fā)酵中，以下幾種情況都屬于熱傳導(dǎo)：反應(yīng)器頂空層內(nèi)空氣的熱傳導(dǎo)；從物料層到反應(yīng)器外環(huán)境的熱傳導(dǎo)。物料層內(nèi)的熱傳導(dǎo)：對于不攪拌的填料床型反應(yīng)器，固態(tài)物料層中，物料的不同部位存在溫度差，熱量通過物料層由高溫層逐層傳遞到低溫層。即使在通風(fēng)情況下，在物料層的不同高度，存在溫差。第93頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月