固态发酵技术-物质和热量

《固态发酵技术-物质和热量》由会员分享，可在线阅读，更多相关《固态发酵技术-物质和热量（119页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第四章 固态发酵物质和热量的 传递及平衡5.1 概述 固态发酵中液态、固态和气态三类物质共存于一个体系，并 发生物质的传递和转化。 固态发酵所涉及的物质，简化为： 微生物菌体 培养基质（碳源和氮源等） 代谢产物； 气体（氧气和二氧化碳） 水 培养基成分是逐渐分解、溶解和被利用，不能完全溶于水中 。 菌体也不完全被水包围 大型固态发酵罐设计及放大的最大难题是如何去 除代谢热。 物质传递与热量的传递相互关联。最为典型的是 固态发酵所产生的热量主要是通过水分的蒸发， 以汽化热的形式去除。 通过发酵罐壁的传热效率较差（固-气-固） 因此必须掌握热量传递方面的规律，建立合适的 传热及热量平衡的数学模型，

2、通过计算确定空气 的温度、湿度和通风量等工艺参数。5.2 固态发酵物料的特性 5.2.1 物料层和顶空层物料的宏观分析 5.2.2 物料层的微观分析 5.2.3 固态发酵物料的非均质性 5.2.4 固态发酵过程中的物质传递5.2.1 物料层和顶空层物料的 宏观分析 固态发酵反应器内的物料，由气体（气相）和培 养物料（固相，包括含结合水的固相）组成。 反应器内的物料层（fermentation bed），是微 生物接种后发酵培养物的俗称。 物料层由培养基质和微生物组成，主要是生物反 应的场所。微生物生长于物料层的颗粒表面，分 解并利用基质产生酶和代谢产物。 关于物料层的两种观点： “拟均质相”；

3、 “二相”体系。 “拟均质相”（pseudo-homogeneous phase） ： 即物料颗粒和颗粒间的气相到达到平衡状态时 ，将物料层视为一个相。相内物质的分布是均 匀的，其理化性质是完全相同的。此时，反应 器内的物质是顶空层和物料层之间的交换。 “顶空层” （headspace），是固态发酵反应 器（一般指转鼓式反应器）内物料层上方被气 体所占据的空间区域称为顶空层； 物层料的“二相”体系： 物料层由含菌体的物料颗粒（固相）和颗 粒间隙中的气体（气相）这二相组成。 物料层中的固态物料颗粒和气相间发生物 质交换和传递。 外部进入的空气和颗粒间的气体发生物质 和热量的交换。5.2.2 物料

4、层的微观分析 从微观上来，物料层的组成是： 物料基质、 微生物、 物料颗粒间隙的空间； 物料颗粒间隙或颗粒内的孔隙的空间中含 有气体，以空气和水蒸汽为主。反应器内物料及热量的宏观和微观分析9 外部进入水、氧、焓10 排出水、氧、焓11氧、水的对流13 氧、水的扩散12 搅拌引起的 物质和热量的混 合1 酶的释放2 酶解3 葡萄糖的扩散及被微 生物利用5 氧的传递和扩散6 氧被菌体利用4 易位7 废热释放并传导8 水的蒸发并扩散，焓被 带走15 强制对 流，夹套 水热交换上页图中文字解释5.2.3 固态发酵物料的非均质性 从微观上看，物料层的不同部位，微生物菌体浓 度、基质浓度和产物浓度的分布不

5、均匀。 生长于固态物料中的微生物，基本上是处于静止 状态，固态发酵物料含水量较低，不搅拌时，物 料几乎不存在对流，大分子物质（如多糖，蛋白 质），不能溶解于水，在一定时间内，待传递的 营养物质、产物、微生物及酶之间相对不动，这 都造成物质传递困难。 液态发酵，各种培养基成分均匀地分散（ 或溶解）在液相中；物质浓度的变化与时 间有关，与其所处的空间位置无关。 固态发酵基质的物质浓度不仅与时间有关 ，也与空间位置有关（径向距离和轴向距 离）。即存在浓度梯度。 物料层的不同位置存在浓度梯度，发酵物 料颗粒的不同部位也存在浓度梯度，这是 固态发酵物料的特征之一。 物料颗粒及菌体不同部位各种物质的浓度梯

6、度 5.2.4 固态发酵过程中的物质传递 气体类物质的传递 固态类物质的传递 液态类物质的传递 气体类物质的传递现象主要包括： 在静止的气相层，氧气和二氧化碳的扩散； 气生菌丝消耗氧并释放出二氧化碳； 在物料颗粒表面氧气和二氧化碳透过液膜传递； 在物料颗粒内氧和二氧化碳的扩散； 浸没在液相环境中的菌丝吸收氧气并释放出二氧 化碳； 氧气通过一系列的过程传递到微生物细胞。固态类物质的传递现象主要包括： 固体类物质包括：菌体、酶和分子量不等 的各种物质（淀粉、蛋白质、氨基酸、葡 萄糖等）。 物质的溶解：固态发酵过程中各类大分子 物质在水中不断地溶解。 物质的代谢：基质中各种分子物质在微生 物酶的作用

7、下，通过复杂的代谢网络和调 控机制进行分解代谢和合成代谢，各种物 质相互关联和作用，形成复杂的物质传递 链。 菌体的生长及酶的分泌：微生物摄取小分子的营 养物质生长；微生物菌丝体以延伸或分支的方式 生长；气相菌丝内的细胞器的移位；微生物分泌 水解酶；酶在基质中的扩散。 酶对大分子物质的水解作用，产生小分子水解产 物。 小分子水解产物在物料颗粒内的扩散。 营养物在基质内的扩散及被微生物吸收利用。 代谢产物的释放及扩散。固态类物质的传递现象主要包括：液态类物质的传递现象包括： 固态发酵过程中的水分发挥着极为特殊的桥梁 和介质的作用。 固态物质和气态物质都要溶解于水中才能进行 传递。 水分自身不断地

8、产生和被消耗，并在反应器内 的固相和气相之间进行传递。 水分传递的方式： 微生物的生长或维持等代谢活动释放代 谢水分； 新细胞吸收利用水； 在物料颗粒内水的扩散； 在颗粒表面水膜上水的蒸发； 在静态气相层中水汽的扩散； 气相中的水汽凝结成液态水（附着于罐 壁或固态基质中）。5.3 固态发酵过程氧的传递 固态发酵反应器通风方式有两种： 强制通风：即空气主体穿过物料层主体（从物料 层的下方通入，上方排出，或方向相反）；强制 通风时空气应具有一定的压力。 非强制通风：即空气主体与物料主体大致分属于 两个不同区域。 如浅盘式发酵，气体通过自然扩散与固相物料接 触；而卧式转鼓式反应器，空气从反应器的一端

9、 的顶空层进入，当物料层在转鼓内运动（运动方 式有多种）时，一部分物料与顶空层的部分气体 接触而发生气体物质的交换。5.3.1 液态和固态发酵氧传递的区别5.3.2 湿菌体层模型 Onstra等通过实验研究了葡萄糖和淀粉培 养基上固态培养根霉时，颗粒内的氧传递 及氧气扩散限制问题。提出了固态发酵湿 菌体层和基质的模型，见图5-3。 固态发酵湿菌体层和基质的模型 5.3.3 固态发酵氧传递过程 氧气向物料层内的扩散速率是由物料层的传质特 性决定的。 菌体在固体颗粒表面生长过程中改变了物料层的 多孔性，使物料层发生了收缩，影响氧气的扩散 速率； 同时CO2的反向扩散也使得氧气向内扩散变得更加 困难

10、，这就是固态发酵中氧气传质的一大难点。 由于氧气传质扩散阻力的存在，固体颗粒表面的 氧气很难传递到颗粒内部，使物料颗粒内部缺氧 。 微观角度考察氧气在物料层中的传递： 按物料层的二相理论，物料层由物料颗粒及颗粒 间隙的气体所组成。物料颗粒是含基质、菌体层 、水膜、气膜的复杂结构，氧气从气相主体到物 料颗粒内部的具体传递过程可用图5-6表示。 图5-6 固态发酵氧传递过程(当物料层被分为气相和 固体颗粒相时) O2固态态基质颗质颗 粒湿菌体层层（水膜）静止的空气层层CO2 （1）氧从气相主体中向物料颗粒空隙的传 递，即通风时，新鲜的空气穿过固态物料 层，和固态物料颗粒间隙的气体置换和交 换，传质

11、速度与物料堆积的紧密程度有关 ，与颗粒的大小及孔隙率有关； （2）氧在颗粒间隙空间内的扩散； （3）在某些情况下，暴露于空气中的菌丝 体可直接从空气中吸收氧气；但大多数情 况菌丝体需从液体中吸收氧 （4）氧从物料颗粒间隙的气相主体向物料表面气 膜的转移； （5）气体通过颗粒表面的气膜向气-液界面的扩 散；固态发酵物料的颗粒小，单位体积的物料的 表面积大，气-液界面积大，传氧速率较高； （6）氧气穿过气-液界面进入水膜，并在水膜中 的扩散，水膜也是菌丝体密集所在地； （7）水膜中的溶解氧被微生物利用； 5.3.4 固态发酵氧传递的限速步骤 一种观点：固态发酵过程中，氧的传递不受限制； 另一种观点

12、：氧传递限速步骤在于界面：界面有气 -液界面、和固-菌体界面；也有人将菌体层和水膜 视作一层生物膜，生物膜（湿菌体层），包括菌体 及菌体层内所含有的水。 目前较为普遍接受的观点：氧从气-液界面进入到 湿菌体层后在湿菌体中（水膜）的扩散步骤是限速 步骤；湿菌体层的厚度和气-液界面面积是固态发 酵传氧的关键参数。 5.3.5 工程变量对固态发酵传氧的影响 理论上，影响菌体层中氧浓度的四个因素： （1）湿菌体层的厚度L； （2）湿菌体层的密度x； （3）湿菌体层中菌丝体的比呼吸活力qo； （4）在湿菌体层的氧气扩散系数De。 有效扩散系数De（m2/s）除了和扩散系数有关外， 还与孔隙率及物料孔隙的

13、路径曲折因子有关。5.3.6 摄氧速率 只考虑微生物生长摄氧及微生物维持时的 摄氧需求时，摄氧速率（Oxygen uptake rate，有时也称为耗氧速率，Oxygen consumpotion rate）rO及比摄氧速率qo。 5.4 水的传递与物料平衡 水在固态发酵过程中的作用： 水为溶剂，溶于水中的营养物质，才能被微生物 利用； 水作为热熵值很高的介质，调节物料发酵温度。 水分的增加或减少： 菌体生长需要摄取一定的水分； 代谢过程中会产生或消耗水分； 淀粉的水解需要水分； 潮湿空气通过培养基时会带入水分。 蒸发散热是最主要的降温措施。但蒸发散热导致水 分的损失，为保证微生物的正常生长，

14、在培养过程 中必须在连续混匀物料时适时补水。 5.4.1固态发酵过程中水的存在形式 在固态发酵的过程中，水的存在形式有： 气相中的水汽、 液态自由水（物料颗粒表面的水膜或水 滴、毛细管内的水、颗粒间隙中的水分） 、 物料的结合水（bound water）。 气相中的水汽，包括： 在顶空层气相中的水汽； 颗粒间隙中气相中的水汽。结合水 固态物料中的水分，大多以结合水的形式存在。 自由水能被微生物利用，结合水则不能。结合水分为 （1）化学结合水，基质中化合物的结晶水以及与某 些化合物以氢键连结的水分； （2）物理结合水，被吸附在物料粒子外层的水分； （3）溶液状态的水分：包括构成液态物料的水分以

15、及构成固态物料的生物细胞内溶液、细胞破裂后排出 或渗透出细胞外的溶液。 还有一种与生物大分子结合的组成型的水 ，是非水组分物质的组成部分，这种类型 的水含量很少，处于折叠成团的大分子的 内部深处，基本上不参与化学反应。 从微生物利用水的角度来看，将水分为胞 内水分、胞外水分（即菌体之外的所有水 分，包括物料基质中的水分）。5.4.2 水活度和水分含量 5.4.2.1 水活度 在固态发酵过程中，水活度比水分含量意义更大，因为水 分活度反映了物料与水亲和能力的大小，表示物料中所含 的水分作为生物化学反应和微生物生长的可利用价值。微 生物在固态基质上的生长取决于水活度，固态物料水分的 蒸发的驱动力是固态物料的水活度与饱和水活度之差。水 活度aw被定义为： f溶剂的逸度（逸度是溶剂从溶液中逃脱的趋势）； f0纯溶剂的逸度。 纯水的 aw=1，完全无水时aw=0。 水活度方面的研究大多集中在食品微生物方面（ 重点是防腐保鲜）， 在固态发酵方面，值得研究的内容： 水活度对固态发酵中微生物生