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1、第2章 固态发酵原料 预处理技术固态物料，水分含量低的后果： 流动性差，物质传递及热量传递性能差，2.1 发酵原料及预处理 2.1.1 固态发酵培养基的主要原料 食品类的固态发酵产品，大多以谷物，豆 类为原料。 谷物类原料：小麦、稻米、小米、玉米、 高粱等及其粉制品； 蛋白质为主的原料：大豆、豌豆、豆粕、 麩皮、 半纤维素或纤维素为主的原料：如谷糠、各种秸 杆、稻草、芒杆、木屑。可用于饲料、食用菌或 燃料乙醇的生产，也可作为其它发酵物料中的填 充物。 食品和发酵工业的副产物：啤酒糟、白酒糟、黄 酒糟、酱油糟、柠檬酸等副产物。通过固态发酵 ，提高其营养价值或改善其适口性，主要用作饲 料。 废弃物
2、：城市餐余废弃物、废旧报纸、造纸厂纤 维废渣、禽畜类排泄物、沼气发酵残渣等，含有 大量的有机物，对环境造成很大的危害，也可通 过固态发酵使之无害化或资源化。2.1.2 固态物料的物性参数 物料颗粒的形状和大小、 水分含量、 密度和孔隙率、 比热容等。物料颗粒的形状和大小、 由于物料颗粒内氧的限制及营养物质的扩散的限制，微生 物很难利用颗粒内部的营养成分。 物料颗粒的大小及形状影响到微生物对其营养成分的利用 。 从颗粒表面到颗粒中心的距离来看，球形颗粒的距离最长 ，故对于微生物来说，可用于生长的表面积最小，可以利 用的营养物质也最少。 偏平的或细长的物料颗粒则比较有利于微生物的生长。 颗粒大小的
3、不均匀性对发酵的影响很显著。 因为小颗粒的物料可能会“藏”于大颗粒之间的空 隙中。这对于通风及微生物的生长都会产生影响 。 在固态发酵过程中，物料颗粒体积会发生变化。 变化过程一般是由小变大，再变小。由小变大， 是因为微生物生长于物料颗粒表面，使其表观体 积变大。随着基质的消耗，物料颗粒越来越小。物料的水分含量 水分含量的基准：干基； 湿基。 谷物类原料的水分含量在12.5-14.5%之间。 而固态发酵培养基的水分一般在50%左右，故原料 中的水分是不可忽略不计的。配料前掌握物料本 身的含水量对于决定加水量是至关重要的。 物料的转化率是以干物质计算的。如果原料水分 过高，则降低生产转化率。密度
4、和孔隙率 固态物料，传统意义上的密度是指物体单位体积 内所具有的质量。 表示固体密度的指标： 颗粒密度、容积密度、孔隙率。 这些衡量颗粒状固态物料的重要参数对于各种容 器的设备的设计、装料量的确定、通风量或通风 速度等的计算都非常有用。比如，确定反应器容 积时，应以容积密度为依据。物料的颗粒密度 物料的颗粒密度（kg/m3）是根据物料的实 际体积（包括物料内部空洞的体积，但不 包括颗粒间隙的空间体积）和质量求出的 密度。 颗粒密度实验测定方法： 在一个已知容积的量器内，加入物料颗粒，然后加 入水，使水的位置正在与物料颗粒的位置持平。分 别测定总的质量、容器的质量和水的质量，量取总 的体积（即物
5、料颗粒的体积与水的体积之和）。根 据下式计算物料颗粒密度。物料的容积密度 容积密度是将物料装入已知容积的容器内 ，测量装入容器内的物料质量，然后根据 容器的容积和物质质量求出的密度。固态 发酵反应器内的物料层的密度即属于容积 密度的概念。 物料层密度的计算公式是： 物料都含有一定的水分，而物料与水的密 度不同，故容积密度与物料的水分含量有 一定的关系。 陈坤杰1等得出了大麦颗粒密度随含水率 变化的数学模型为：这表明大麦颗粒密度 和含水率呈线性变化关系。含水率越大， 密度越小。 s= -7.296Md + 1395.1 Md大麦湿基含水率，% 孔隙率：颗粒间空隙的体积与物料层体 积之比，即：2.
6、1.3 原料预处理的方式 固态发酵的原料大多是农、副产品及其加工制品 。 原料的形态多种多样，有颗粒状（如谷物类）、 块状、粉状。秸杆或稻草等原料更无法直接被微 生物利用。 在蒸煮或发酵前，原料都需要进行必要的预处理 。 原料预处理的主要单元操作： 筛选除杂、精白、清洗、浸泡、磨粉、制坏、切 块、润湿等。 2.2 原料蒸煮、膨化、及焙炒 2.2.1 原料的熟化方式 原料熟化处理的目的： （1）使原料在高温下蒸熟或炒熟，使蛋白 质变性，淀粉糊化，纤维素软化并破坏其 晶体结构； （2）对原料进行杀菌处理 （灭菌温度高和时间长，往往不彻底） 在固态发酵行业原料熟化方式： 蒸煮法、膨化法、焙炒法。 在
7、操作上，分为： 间歇式一次、间歇式多次和连续式。 根据蒸煮锅的压力的大小，分为： 常压蒸煮、高压蒸煮。 传统甑桶 蒸饭机 蒸馏和蒸煮锅 NK式蒸煮锅系统 高温流化装置示意图 高压蒸汽灭菌锅（柜） 连续蒸煮机 2.2.6 原料的物理及化学处理法 纤维素类的物质，如玉米秸秆，其中纤维素和半 纤维素被木质素包裹，而且半纤维素部分和木质 素结合，纤维素本身具有结晶体结构，生物酶处 理十分困难，必须经过预处理，使纤维素、半纤 维素和木质素分离。 含纤维素原料的处理法： 物理预处理法、化学预处理法、氨化汽爆法、生 物处理法、蒸汽爆破法。 2.3 固态物料的输送 2.3.1 固态物料输送的特点 液态发酵液，几乎都可采用管道用泵输送 。固态发酵生产的原料及半成品呈固态， 物料的形态多种多样，不同的物料得采用 不同的输送方式和输送设备。因此，固态 物料的输送比液态物料的输送技术难度更 大。 待输送物料的种类：从形态上来分有粉状 物料、颗粒状物料、团状和块状物料，还 有半固态物料。 根据物料的加工状态，分为生料、润水料 、熟料、高温状态的物料； 在输送过程中，有的物料无需考虑无菌措 施，有的则必须考虑其在输送过程中不得 染菌或尽可能减少染菌的机会。2.3.2固态物料的输送相关的设备及 设施 人工输送 货梯提升人工倒入 流槽输送 螺旋机输送 气力输送 周转箱输送 抓斗输送 机械传送带装置输送
