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、第四章第四章 固态发酵物质和热量的固态发酵物质和热量的传递及平衡传递及平衡 腰复雌滇修复通墨举湃锐陡瞒炮况矩衰琢辽矮孩巳趣腕侵妖簇旋悬筒乙货固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.1 概述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。发生物质的传递和转化。固态发酵所涉及的物质，简化为：固态发酵所涉及的物质，简化为： 微生物菌体微生物菌体 培养基质（碳源和氮源等）培养基质（碳源和氮源等） 代谢产物；代谢产物； 气体（氧气和二氧化碳）气体（氧气和二氧化碳） 水水培养基成分是逐渐分解、溶解和被利用，不能完

2、全溶于水中。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菌体也不完全被水包围悔培嘲戍鞘顿舵扇掇憋才茅耿仆孙瑰完叠魔先增肋链效娇按乃阳词璃炔烘固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量大型固态发酵罐设计及放大的最大难题是如何去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。除代谢热。物质传递与热量的传递相互关联。最为典型的是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，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。以汽化热的形式去除。通过发酵罐壁的传热效率较差（固通过发酵罐壁的传热效率较差（固-气气-固

3、）固）因此必须掌握热量传递方面的规律，建立合适的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，通过计算确定空气传热及热量平衡的数学模型，通过计算确定空气的温度、湿度和通风量等工艺参数。的温度、湿度和通风量等工艺参数。飞夷寝元亿寨钻圣肺堵绚够展咬射袖蛇漫绞锣栗紧泥越吓蝇宾援坟晾橡庐固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.2 固态发酵物料的特性固态发酵物料的特性5.2.1 5.2.1 物料层和顶空层物料的宏观分析物料层和顶空层物料的宏观分析5.2.2 5.2.2 物料层的微观分析物料层的微观分析5.2.3 5.2.3 固态发酵物料的非均质性固态发酵物料的非均质性5

4、.2.4 5.2.4 固态发酵过程中的物质传递固态发酵过程中的物质传递械木具嚏巴狰死魏街还厌随慰乡碍又链辰敦斋爽凑铸埋寻壮拼滑抨疲寅腕固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.2.1 物料层和顶空层物料的物料层和顶空层物料的宏观分析宏观分析固态发酵反应器内的物料，由气体（气相）和培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。养物料（固相，包括含结合水的固相）组成。反应器内的物料层（反应器内的物料层（fermentation bedfermentation bed），是微），是微生物接种后发酵培养物的俗称。生物接种后发酵培养物的俗称。物料层由培养基

5、质和微生物组成，主要是生物反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。解并利用基质产生酶和代谢产物。关于物料层的两种观点：关于物料层的两种观点： “ “拟均质相拟均质相”； “ “二相二相”体系。体系。 敲梦故磋炔卿片舞淫责滇岸渣闻兵瑰慷仲名扰捕敲勺湃办跌滨王焦呛虽外固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量邯拦凿延到邢式羊业职厨皱橇敝啊骡惶媳斯膀赢妙标菩三碍娠瓶碘试使女固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量“拟均质相拟均质相”（pseudo-homogeneous

6、 phasepseudo-homogeneous phase）：）：即物料颗粒和颗粒间的气相到达到平衡状态时，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。内的物质是顶空层和物料层之间的交换。“顶空层顶空层” ” （headspaceheadspace），），是固态发酵反应是固态发酵反应器（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；体所占据的

7、空间区域称为顶空层； 震搅栋忽加霄侈强谅径辖讼莽悍苛塘孽狸撼吼欧认搭锈矢芽叫暂叼舀预琵固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量物层料的物层料的“二相二相”体系：体系：物料层由含菌体的物料颗粒（固相）和颗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。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物料层中的固态物料颗粒和气相间发生物质交换和传递。质交换和传递。外部进入的空气和颗粒间的气体发生物质外部进入的空气和颗粒间的气体发生物质和热量的交换。和热量的交换。咽莱轨捕骋擞顺哭赫骗门剥族汕讲障誊蔬累买粉鬼心助鲁崖缕檬燎竿哆遇固态发酵技术-物质和热

8、量固态发酵技术-物质和热量5.2.2 物料层的微观分析物料层的微观分析从微观上来，物料层的组成是：从微观上来，物料层的组成是：物料基质、物料基质、微生物、微生物、物料颗粒间隙的空间；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。有气体，以空气和水蒸汽为主。浅薛配管炽阵恫焚嗅之局本刀埂俐搜涂岗契梨植鸿纶还港饰体脾堆约枚公固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量反应器内物料及热量的宏观和微观分析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

9、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，夹套水热交换淌网峨收昂江栈醉椒霸僻沧咯等曲罕仟毙耸汛皆罩霸爽继缎盐崔刊僻筛枝固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量上页图中文字解释桩棚何遏宽浮滴骑竣船祥将茁翟予篇求邱榜宇蓟矗猾孽卿塑雕欢猩因沮踪固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.2.3 固态发酵物料的非均质性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均匀。

10、度、基质浓度和产物浓度的分布不均匀。生长于固态物料中的微生物，基本上是处于静止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。都造成物质传递困难。 吧殿重宾捍钒己乙拯详酱小洗粒撰哄织廷锰卉歧感排条逝揭了戊涩辩耽债固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-

11、物质和热量液态发酵，各种培养基成分均匀地分散液态发酵，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（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。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，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）也与空间位置有关（径向距离和轴向距离）。即存在浓度梯度。即存在浓度梯度。物料层的不同位置存在浓度梯度，发酵物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。固态发酵物料的特征之一。 痔

12、腐娘参石肛谆屡脑举五恍岿柯涝谜效浓吩绢津一共锌兽嘿衫慷枫献零铂固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量 物料颗粒及菌体不同部位各种物质的浓度梯度物料颗粒及菌体不同部位各种物质的浓度梯度 熏赋呸顿斧基廉遂显症卓菜运炳撬粉攘昨敲助星杂炮育榜维夹滴茬花缺伴固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量 赞吉堕谷脾缸裂越僻揍栓极沸绎初捷慨若魂讯闪呕贾苍妖挠坊筹降暂耘洁固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.2.4 固态发酵过程中的物质传递固态发酵过程中的物质传递气体类物质的传递气体类物质的传递 固态类物质的传递固态类物质的传递 液态类物质的传递液态类物质的传递 兽硒闻跟吩忽誉撼掸

13、髓霍晕丝油坞聚襄茸荔乒两廓餐讲磷僚熬殃突股缅放固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量气体类物质的传递现象主要包括：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；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；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；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浸没在液相环境中的菌丝吸收氧气并释放出二氧化碳；化碳；氧气通过一系列的过程传递到微生物细胞。氧气通过一系列的过程传递

14、到微生物细胞。份串苦瞎蒙件马赖咒背浸任语循森武搐匀境翔胁幼纂鉴遥玛她辈避乖演陕固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量固态类物质的传递现象主要包括：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、葡的各种物质（淀粉、蛋白质、氨基酸、葡萄糖等）。萄糖等）。物质的溶解：固态发酵过程中各类大分子物质的溶解：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质的代谢：基质中各种分子物质在微生物酶的作用下，通过复杂的代谢网络和调物酶的作用下，通过复杂的代

15、谢网络和调控机制进行分解代谢和合成代谢，各种物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质相互关联和作用，形成复杂的物质传递链。链。寿由印议曰刊常莽捧嘿数碍租垮止辕埔云煮瘪垛胰囚楚挡谤浚肃擎掳犬修固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量菌体的生长及酶的分泌：微生物摄取小分子的营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。水解酶；酶在基质中的扩散。酶对大分子物质的水解作

16、用，产生小分子水解产酶对大分子物质的水解作用，产生小分子水解产物。物。小分子水解产物在物料颗粒内的扩散。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。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。代谢产物的释放及扩散。固态类物质的传递现象主要包括：固态类物质的传递现象主要包括：扰赦旧胖晌曼馆辕冬琴秧霸兜缀酗扶撇纠毒捏媳禾疟疗稳稚闷屉咯怒鹿戊固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量液态类物质的传递现象包括：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。和介质的作用。固态物

17、质和气态物质都要溶解于水中才能进行固态物质和气态物质都要溶解于水中才能进行传递。传递。水分自身不断地产生和被消耗，并在反应器内水分自身不断地产生和被消耗，并在反应器内的固相和气相之间进行传递。的固相和气相之间进行传递。痉戎川崔仪咙促弄善情过窝迅械荔耿哟裁谎应裁颤卿讫嘎牡匹滥漏恬呼过固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量水分传递的方式：水分传递的方式： 微生物的生长或维持等代谢活动释放代微生物的生长或维持等代谢活动释放代谢水分；谢水分； 新细胞吸收利用水；新细胞吸收利用水； 在物料颗粒内水的扩散；在物料颗粒内水的扩散； 在颗粒表面水膜上水的蒸发；在颗粒表面水膜上水的蒸发； 在静态气相层

18、中水汽的扩散；在静态气相层中水汽的扩散； 气相中的水汽凝结成液态水（附着于罐气相中的水汽凝结成液态水（附着于罐壁或固态基质中）。壁或固态基质中）。徽捆恢梆蠕修旁剥巫呐议蜡轮枝吓酪捞伏闻闯阔殃铅癸骋掘兔昭倒倾腮驳固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.3 固态发酵过程氧的传递固态发酵过程氧的传递固态发酵反应器通风方式有两种：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。通风时空气应具有一定的压力。非强制通风

19、：即空气主体与物料主体大致分属于非强制通风：即空气主体与物料主体大致分属于两个不同区域。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触；而卧式转鼓式反应器，空气从反应器的一端的顶空层进入，当物料层在转鼓内运动（运动方的顶空层进入，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。接触而发生气体物质的交换。度初疟鞋难梭噪窄孙哀荆嘛相映希喜旦邪冗沥排胎皆逻敦渡盈森止打痕酵固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热

20、量5.3.1 液态和固态发酵氧传递的区别液态和固态发酵氧传递的区别收芳英半硅沉扭羡陆砖快芦搽僻硬挤最如块暑咒忌锋冀篮汾栏或揣躬蛮豫固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.3.2 湿菌体层模型湿菌体层模型OnstraOnstra等通过实验研究了葡萄糖和淀粉培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，见图菌体层和基质的模型，见图5-35-3。萄晚族模奎披记酶付贝颐积锣仿谱西卜斤修伺钞宾赊颜务圣乾嚷哥窘漂马固态发酵技术-物质和热量固态发酵

21、技术-物质和热量 固态发酵湿菌体层和基质的模型固态发酵湿菌体层和基质的模型岗鸳厕猎呸翠脚眷逸氢凿靳牲圈寂续实挞舞矛廓镊磅憋吭柳脐酉蝴联迸巩固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量 殉鲍死豹短豁溉斟蛛淑阵爵酱坞寂长颐察痒鼎牧溪抹火便捣绦耕寻贤歉翔固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.3.3 固态发酵氧传递过程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。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，影响氧气的扩散多孔性，使物料层发生了

22、收缩，影响氧气的扩散速率；速率；同时同时COCO2 2的反向扩散也使得氧气向内扩散变得更加的反向扩散也使得氧气向内扩散变得更加困难，这就是固态发酵中氧气传质的一大难点。困难，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。氧气很难传递到颗粒内部，使物料颗粒内部缺氧。痉逐经樱少关垂扛增乌柜悸东邹掂赂脾凸此悯勋全嘿抑斡凄帽难召朔恫愈固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量微观角度考察氧气在物料层中的传递：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

23、颗粒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、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颗粒内部的具体传递过程可用图5-65-6表示。表示。 叠暴努低莉犀撼痴骨再惦纹玫窖胃洼篙坠情陛括黑颗烘默足患蚜港墙羡吮固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量图图5-6 固态发酵氧传递过程固态发酵氧传递过程(当物料层被分为气相和当物料层被分为气相和固体颗粒相时固体颗粒相时) O2 固固态基基质颗粒粒 湿菌体湿菌体层（水膜）（水膜） 静止的空气静

24、止的空气层CO2诞再割姿竞伐暖蔼重拜湖绝雄柄锋殃卡酶棉泥笛俊酬效认酱去原淆县希卉固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量（1 1）氧从气相主体中向物料颗粒空隙的传）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层，和固态物料颗粒间隙的气体置换和交换，传质速度与物料堆积的紧密程度有关，换，传质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；与颗粒的大小及孔隙率有关；（2 2）氧在颗粒间隙空间内的扩散；）氧在颗粒间隙空间内的扩散；（3 3）在某些情况下，暴露于空气中的菌丝）在某些情况下，暴

25、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况菌丝体需从液体中吸收氧廊仕淑冉晨腻嚷绚悬结枯独读眯吟蝇规青疵荔鹰祷瞥娜电享速龟估痪韩怜固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量（4 4）氧从物料颗粒间隙的气相主体向物料表面气）氧从物料颗粒间隙的气相主体向物料表面气膜的转移；膜的转移；（5 5）气体通过颗粒表面的气膜向气）气体通过颗粒表面的气膜向气- -液界面的扩液界面的扩散；固态发酵物料的颗粒小，单位体积的物料的散；固态发酵物料的颗粒小，单位体积的物料的表面积大，气表面积大，气- -液界面积大，传氧速率较高；液界面积大，传

26、氧速率较高；（6 6）氧气穿过气）氧气穿过气- -液界面进入水膜，并在水膜中液界面进入水膜，并在水膜中的扩散，水膜也是菌丝体密集所在地；的扩散，水膜也是菌丝体密集所在地；（7 7）水膜中的溶解氧被微生物利用；）水膜中的溶解氧被微生物利用； 唤龚茎鼓驴骤哲魄浆赘罢膝胚行锨峭糙没寻拢件狼腊蒲瞬肯蛛告牟陪稿钎固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.3.4 固态发酵氧传递的限速步骤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；一种观点：固态发酵过程中，氧的传递不受限制；另一种观点：氧传递限速步骤在于界面：界面有气另一种观点：氧传递限速步骤在于界面：界面有气- -液界面

27、、和固液界面、和固- -菌体界面；也有人将菌体层和水膜菌体界面；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。及菌体层内所含有的水。目前较为普遍接受的观点：氧从气目前较为普遍接受的观点：氧从气- -液界面进入到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步骤；湿菌体层的厚度和气- -液界面面积是固态发液界面面积是固态发酵传氧的关键参数。酵传氧的关键参数。 聊捏委允扑辛聂消薛经旦鳞渺陵唱辱赛冶溯绳辛狗硝郝瓶么谓袄阵葵坍咎固态发酵技术-

28、物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.3.5 工程变量对固态发酵传氧的影响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：理论上，影响菌体层中氧浓度的四个因素：（1 1）湿菌体层的厚度）湿菌体层的厚度L L；（2 2）湿菌体层的密度）湿菌体层的密度x x；（3 3）湿菌体层中菌丝体的比呼吸活力）湿菌体层中菌丝体的比呼吸活力q qo o；（4 4）在湿菌体层的氧气扩散系数）在湿菌体层的氧气扩散系数D De e。有效扩散系数有效扩散系数D De e（m m2 2/s/s）除了和扩散系数有关外，）除了和扩散系数有关外，还与孔隙率及物料孔隙的路径曲折因子有关。还与孔隙率及物料孔隙的路

29、径曲折因子有关。谣陀辟怀缆检殉奄浓圭扰熬忠轨横会祖挎跺晋不掀壮面标儡在烟鼻菩就斟固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.3.6 摄氧速率摄氧速率 只考虑微生物生长摄氧及微生物维持时的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（摄氧需求时，摄氧速率（Oxygen uptake Oxygen uptake raterate，有时也称为耗氧速率，有时也称为耗氧速率，Oxygen Oxygen consumpotion rateconsumpotion rate）r rO O及比摄氧速率及比摄氧速率q qo o。 琉睫捆贯砂掂模跃酶授走焰擎删旁荆懈卓哭用毙址蒂京调却患茬摆侧励

30、氮固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.4 水的传递与物料平衡水的传递与物料平衡水在固态发酵过程中的作用：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，才能被微生物水为溶剂，溶于水中的营养物质，才能被微生物利用；利用；水作为热熵值很高的介质，调节物料发酵温度。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：水分的增加或减少： 菌体生长需要摄取一定的水分；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；代谢过程中会产生或消耗水分； 淀粉的水解需要水分；淀粉的水解需要水分； 潮湿空气通过培养基时会带入水分。潮湿空气通过培养基时会带入水分。蒸发散热是最

31、主要的降温措施。但蒸发散热导致水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，在培养过程分的损失，为保证微生物的正常生长，在培养过程中必须在连续混匀物料时适时补水。中必须在连续混匀物料时适时补水。 驰笑歇理秃死琴借毕挝狠蚊征髓讹亲晶济可赠沮虞匝宜稠买趟率宜吊肋慎固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.4.1固态发酵过程中水的存在形式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：在固态发酵的过程中，水的存在形式有： 气相中的水汽、气相中的水汽、 液态自由水（物料颗粒表面的水膜或水液态自由水（物料颗粒表面的水膜或水滴、毛细管内的水、颗粒间

32、隙中的水分）、滴、毛细管内的水、颗粒间隙中的水分）、 物料的结合水（物料的结合水（bound waterbound water）。）。气相中的水汽，包括：气相中的水汽，包括： 在顶空层气相中的水汽；在顶空层气相中的水汽； 颗粒间隙中气相中的水汽。颗粒间隙中气相中的水汽。双紫畸举祁崔维氯狈寺惧遇若涅迹赔贮朱怕冬馏霍巾随般冶谆弃恭云律辉固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量结合水结合水固态物料中的水分，大多以结合水的形式存在。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。结合水分为自由水能被微生物利用，结合水则不能。结合水分为（1 1）化学结合水，基质中化

33、合物的结晶水以及与某）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；些化合物以氢键连结的水分；（2 2）物理结合水，被吸附在物料粒子外层的水分；）物理结合水，被吸附在物料粒子外层的水分；（3 3）溶液状态的水分：包括构成液态物料的水分以）溶液状态的水分：包括构成液态物料的水分以及构成固态物料的生物细胞内溶液、细胞破裂后排出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。或渗透出细胞外的溶液。 娇瓷屉忿茂堰论政奏垦衔胞篡诞墨槛逢勤汗网瑶缓触骆簿完兜诊籍缉剩得固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量还有一种与生物大分子结合的组成型的水，还有一种与生物

34、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。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）。分，包括物料基质中的水分）。痒绵崩湾咨熟锋咬杜炒居嘻焰极蛰喉银敛脐随洽镶怒芍桓栈著凹狄丫避侠固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.4.2 水活度和水分含量水活度和水分含量5.4.2.1

35、5.4.2.1 水活度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。水活度活度a aw w被定义为：被定义为：f f溶剂的逸度（逸度是溶剂从溶

36、液中逃脱的趋势）；溶剂的逸度（逸度是溶剂从溶液中逃脱的趋势）；f f0 0纯溶剂的逸度。纯溶剂的逸度。 否蘸监哪肆衫艇冷冲锈厅淫援堡帜铁固尼纺黑驮勤歼屁传附些鹊住蒋商辆固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量纯水的纯水的 a aw w=1=1，完全无水时，完全无水时a aw w=0=0。水活度方面的研究大多集中在食品微生物方面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），（重点是防腐保鲜），在固态发酵方面，值得研究的内容：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长的影响，水活度对固态发酵中微生物生长的影响， 水活度对生物大分子（如酶）的存在形式，尤水活

37、度对生物大分子（如酶）的存在形式，尤其是水活度对酶分子的活性中心及作用方式的影其是水活度对酶分子的活性中心及作用方式的影响，响， 水活度与培养基中水分含量的关系，水活度与培养基中水分含量的关系， 培养条件（如温度、湿度、压力、通风量和培培养条件（如温度、湿度、压力、通风量和培养基不同的成分等）对水活度的影响，水活度与养基不同的成分等）对水活度的影响，水活度与代谢的关系等还没有研究。代谢的关系等还没有研究。灌搏弧丝猎狠圃澳满续坪陀寸弛懈椒严舅冷旅婪湖家庶乍些溺消昭坝鸳牟固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.4.2.2 水分含量水分含量固态发酵物料水分含量分湿基含水量和干基含水固态发

38、酵物料水分含量分湿基含水量和干基含水量两种。计算时应注意基准。量两种。计算时应注意基准。湿基含水量（湿基含水量（kg/kgkg/kg）是以湿物料为计算基准：）是以湿物料为计算基准： （5-45-4）干基含水量（干基含水量（kg/kgkg/kg）是以绝干物料为计算基准：）是以绝干物料为计算基准： （5-55-5）舌椿棋陪麓直扛筛曲震肚诞鸭瞬鲍只春周坪呐茄沿邓焰惊柒抛抖批梁绷肆固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.4.2.3 水活度与基质水分含量的关系水活度与基质水分含量的关系水分含量与水活度的关系并不是正比关系。水分含量与水活度的关系并不是正比关系。其关系与温度及物料的性质有关。其

39、关系与温度及物料的性质有关。 温度的影响：同一物料含水量相同时，温度越温度的影响：同一物料含水量相同时，温度越高，则其水活度越大。这可从水活度的定义加以高，则其水活度越大。这可从水活度的定义加以解释。因为温度越高，水越易蒸发逃逸。解释。因为温度越高，水越易蒸发逃逸。 不同种类但水分含量相同的物料，水活度不一不同种类但水分含量相同的物料，水活度不一定相同。如未接种的物料和发酵过的物料的水活定相同。如未接种的物料和发酵过的物料的水活度会相差很大。度会相差很大。 溶质浓度不同的物料，水活度也不同。如葡萄溶质浓度不同的物料，水活度也不同。如葡萄糖浓度高会导致水活度的严重下降。糖浓度高会导致水活度的严重

40、下降。罚楔刚揍盟木扮缸超疏凉泰四捏跳铝通霞妥夏畅千刮植簧陵犁硒笺款豹罢固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量NagelNagel等提出了水活度和基质最初水分含量的对应等提出了水活度和基质最初水分含量的对应关系，蒸汽灭过菌，物料温度为关系，蒸汽灭过菌，物料温度为3535的小麦粒的的小麦粒的水分含量与水活度的关系见计算式（水分含量与水活度的关系见计算式（5-65-6）。）。式中式中X Xw w,w,wh h小麦基质最初水分含量，小麦基质最初水分含量，kgkg水水/kg/kg干物质。干物质。 装区著倚郊世兽业晾羌绵正今注跟烬偿拨樱姑弃连踩恨野裤匿部官醛震慌固态发酵技术-物质和热量固态发酵技

41、术-物质和热量根据水活度和温度计算水分含量的公式（根据水活度和温度计算水分含量的公式（5-85-8）：）：式中式中T Ts s物料的温度，物料的温度，。 W W水分含量，水分含量，kg/kgkg/kg干基。干基。蔗痕庆计吹逃诡增抢钉栖侣昼屑喇伶丧杜掇播妖冉坝橙蒜内斯芯铬娠祝做固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.4.3 水分的传递水分的传递以转鼓式反应器为例，将转鼓式固态发酵反应器分为顶空以转鼓式反应器为例，将转鼓式固态发酵反应器分为顶空气相和固相物料层两个亚系统。气相和固相物料层两个亚系统。转鼓式反应器内的水分传递可用图转鼓式反应器内的水分传递可用图5-85-8表示。表示。（1

42、 1）外部空气进入顶空层，空气中带入水分；）外部空气进入顶空层，空气中带入水分；（2 2）空气排出，带出水分。）空气排出，带出水分。在气相中水分的传递，主要是湿度的差别所导致的水分子在气相中水分的传递，主要是湿度的差别所导致的水分子的扩散。的扩散。与外部空气的水分的交换速度取决于进出空气的流量、湿与外部空气的水分的交换速度取决于进出空气的流量、湿度及温度。度及温度。在转鼓反应器的顶空层和固态物料层之间的水分传递：在转鼓反应器的顶空层和固态物料层之间的水分传递：（3 3）物料层水分的蒸发，即物料层表面的颗粒的水分蒸）物料层水分的蒸发，即物料层表面的颗粒的水分蒸发到顶空层；发到顶空层；（4 4）顶

43、空层空气中湿度很大，水汽可能凝结到物料中；）顶空层空气中湿度很大，水汽可能凝结到物料中；（5 5）物料层内颗粒之间也存在水分传递；）物料层内颗粒之间也存在水分传递；（6 6）外加水的操作给物料层带入水分。）外加水的操作给物料层带入水分。溪腋弊灶考俏唾三吭囤瞻脱贩诫浅摘掘粒瞳敝半妖讨捌专或斡盾韭察弓贡固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量 酵凋敦汗馁黔借宪给闲渊筋遂誓哺俭妻煞怜蛊绚景榨假迫蔷芥汉到堵泽父固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量水分在固态物料中的传递方式：水分在固态物料中的传递方式： 分子扩散，分子扩散， 对流传递。对流传递。从宏观上看，固态发酵物料，在原料预处理

44、过程从宏观上看，固态发酵物料，在原料预处理过程（如浸泡，蒸煮）时，已吸收足够的水分。但在（如浸泡，蒸煮）时，已吸收足够的水分。但在培养过程中，由于微生物生长及代谢面摄取水分培养过程中，由于微生物生长及代谢面摄取水分及水分蒸发，物料局部水分含量下降，形成不同及水分蒸发，物料局部水分含量下降，形成不同部位物料水分的浓度梯度。部位物料水分的浓度梯度。从微观上看，物料颗粒内和物料颗粒间都有水分从微观上看，物料颗粒内和物料颗粒间都有水分的传递，微生物的细胞内外也存在水分传递。的传递，微生物的细胞内外也存在水分传递。讳凄丛阀伺黍贪虞抹休省彭棵喘罪铭勋拥萝芒寡声睬泣酪绎仓呛惰荤力踌固态发酵技术-物质和热量固

45、态发酵技术-物质和热量物料颗粒内的水分传递：物料颗粒内的水分传递：由于受供氧的限制，好氧微生物主要在物料颗粒由于受供氧的限制，好氧微生物主要在物料颗粒的外表面生长。新的菌体细胞摄取水分和水分的的外表面生长。新的菌体细胞摄取水分和水分的蒸发也在颗粒的表面，故颗粒表面的水分含量较蒸发也在颗粒的表面，故颗粒表面的水分含量较低，水分通过扩散由颗粒内传到物料表面。低，水分通过扩散由颗粒内传到物料表面。物料颗粒的表面和内部的含水量不同，由于水分物料颗粒的表面和内部的含水量不同，由于水分浓度梯度的存在，物料颗粒内自动发生水的扩散。浓度梯度的存在，物料颗粒内自动发生水的扩散。另外，微生物菌丝总是就近摄取糖分，

46、这就会造另外，微生物菌丝总是就近摄取糖分，这就会造成在物料颗粒的不同部位上溶质浓度形成梯度。成在物料颗粒的不同部位上溶质浓度形成梯度。溶质的浓度梯度所导致的水分的浓度梯度也同样溶质的浓度梯度所导致的水分的浓度梯度也同样存在，由此产生水分的扩散。存在，由此产生水分的扩散。凿辟哼夫请腊口妄鞋烫鞭雍袍蹭藉票令绷葵惕烬够度诱敖湛桔胃谚厕忍尿固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量喷洒水的分布（颗粒间水分的传递）喷洒水的分布（颗粒间水分的传递）：物料颗粒之间传递的水主要是游离水。物料颗粒之间传递的水主要是游离水。假定已被颗粒吸收的水分不会被传递到相邻的其它颗粒上；假定已被颗粒吸收的水分不会被传递

47、到相邻的其它颗粒上；颗粒间水分的传递仅限于颗粒表面的游离水。物料颗粒中颗粒间水分的传递仅限于颗粒表面的游离水。物料颗粒中所含有水包括被物料吸收的水和游离水，见公式所含有水包括被物料吸收的水和游离水，见公式5-95-9。在混匀物料层喷水过程中，水分的传递过程分为三种情况：在混匀物料层喷水过程中，水分的传递过程分为三种情况：（1 1）外部喷水传到物料颗粒；）外部喷水传到物料颗粒；（2 2）水分被物料颗粒吸收；）水分被物料颗粒吸收；（3 3）水在相邻的物料颗粒间传递）水在相邻的物料颗粒间传递 阜驮破锐聋触蕾船滔踏细鸯搽内鹰刁旅谗肆字泰用匿讯声斋挝滁盔藐誉帜固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和

48、热量5.4.4 与微生物代谢活动有关的水的平衡计算与微生物代谢活动有关的水的平衡计算微生物的生长或维持所产生的水量在固态发酵培微生物的生长或维持所产生的水量在固态发酵培养过程中所占的比例很小，但由于其靠近微生物，养过程中所占的比例很小，但由于其靠近微生物，故其作用也不可忽视。故其作用也不可忽视。 NagelNagel所建立的微生物的代谢及酶解等有关的水分所建立的微生物的代谢及酶解等有关的水分的平衡方程（的平衡方程（5-185-18）：）：等式左边是水的生成速率；等式左边是水的生成速率；等式的右边几项分别是：空气进出反应器时所带等式的右边几项分别是：空气进出反应器时所带走的水分（即蒸发的水分）；

49、菌体生长新细胞摄走的水分（即蒸发的水分）；菌体生长新细胞摄取的水分；代谢产生的水分；水解淀粉所需要的取的水分；代谢产生的水分；水解淀粉所需要的水分。水分。卸铅懦聊莫姐就焕只助搐待哗溺页啼笛坪甸耸恼冗的萨莎汹啊宏促嗡酸慕固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量 扣骑裕赋纫琳撂仰秘粹揩爽鸿兑岸晤奔谎虚摆舟跋沏据务砖祁院账钳亦纺固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.4.5 水分蒸发及蒸发热的去除水分蒸发及蒸发热的去除5.4.5.1 固态发酵水分蒸发速率及其热量去除速率的固态发酵水分蒸发速率及其热量去除速率的计算计算在固态发酵过程中，当强制通风的空气通过物在固态发酵过程中，当强制

50、通风的空气通过物料层时，固态物料表面蒸发水分到气流中去。料层时，固态物料表面蒸发水分到气流中去。水分的蒸发导致培养物料失去水分，对发酵造水分的蒸发导致培养物料失去水分，对发酵造成不利影响。成不利影响。蒸发散热是培养物料冷却的主要方式，蒸发水蒸发散热是培养物料冷却的主要方式，蒸发水量分与发酵过程中生物反应热的热量有关。量分与发酵过程中生物反应热的热量有关。污沫房淬切丸闯圃姥萎灌旱尽锹否魏淋网范率魏摩舶舵婴土豫胆窘尾顽匿固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量在计算水分蒸发时，将物料层视为二相体系。在计算水分蒸发时，将物料层视为二相体系。可根据固态物料的水活度的变化计算水的蒸发速度可根据固

51、态物料的水活度的变化计算水的蒸发速度R R蒸发。蒸发。水分的蒸发速度和物料实际的水活度（水分的蒸发速度和物料实际的水活度（a awsws）与气相达到平）与气相达到平衡时的物料的水活度（衡时的物料的水活度（a awsws* *）之差成正比，和固体与气相）之差成正比，和固体与气相的接触面积的接触面积A A成正比，同时也和水汽的质量传递系数（成正比，同时也和水汽的质量传递系数（k kw w）成正比。）成正比。屯纪萝颈部奎恫荡佯茂辞九倪企禄獭戊假雁环酥蛔石圆墩爵好抢带蛛澄剃固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量在强制通风的固态发酵过程中，降低物料温度主在强制通风的固态发酵过程中，降低物料温度

52、主要靠二种机理，要靠二种机理，一是依靠进、出空气的显热变化实现降温，即当一是依靠进、出空气的显热变化实现降温，即当进口空气的温度低于物料的温度，排出的气体将进口空气的温度低于物料的温度，排出的气体将物料的热量带走；物料的热量带走；其二是蒸发潜热（也称为相变潜热），这是固态其二是蒸发潜热（也称为相变潜热），这是固态发酵过程中降低发酵物料温度的主要机理。发酵过程中降低发酵物料温度的主要机理。通风空气中的相对湿度较小，物料中的水分含量通风空气中的相对湿度较小，物料中的水分含量较大，颗粒间隙中气相的相对湿度几乎为较大，颗粒间隙中气相的相对湿度几乎为100%100%，物料空隙中的水汽转移通入的空气中，物

53、料中的物料空隙中的水汽转移通入的空气中，物料中的水分不断地被汽化蒸发补充到物料间隙中。水分水分不断地被汽化蒸发补充到物料间隙中。水分汽化时需要消耗大量的热量（汽化潜热，或蒸发汽化时需要消耗大量的热量（汽化潜热，或蒸发热）。热）。 赡嘎佑经品迷惦土湍迢皂推更啮拖冻倚趾照价范饯鹰妇汾便坞翼身鄂笔咖固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.4.5.2 强制通风时物料水分的损失及热强制通风时物料水分的损失及热量去除量去除 不僳烟辣博题免寞尾汰了力虱森狼晴压众咀骆蛤蛇朝晋件叼凸熔衍帚押芜固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量 狞业王胁厅宰需淄朽腥荤白闪武乳曾袋东猾盖幅电饯熄释盈铝跨栈

54、悄胆弃固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.5 物料质量传递与物料平衡物料质量传递与物料平衡固态发酵大部分物料成分是难溶于水的大分子。固态发酵大部分物料成分是难溶于水的大分子。在微生物酶的作用下可变为小分子的糖类物质或在微生物酶的作用下可变为小分子的糖类物质或氨基酸或肽类物质；氨基酸或肽类物质；发酵基质表面和微生物细胞外周通常会有一层水发酵基质表面和微生物细胞外周通常会有一层水膜，便于营养物质溶解，溶解于液相水中的这些膜，便于营养物质溶解，溶解于液相水中的这些糖或氨基酸等营养物质才能被微生物利用。糖或氨基酸等营养物质才能被微生物利用。在液体相中，微生物菌体产生的胞外酶，通过扩在液

55、体相中，微生物菌体产生的胞外酶，通过扩散也可分布到培养基质中。散也可分布到培养基质中。淆颖裳网韩纷北旧善儒深才跪饭胺岔拜模树伟兆菊哺护诺纷拦禁障株轿寓固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.5.1 固态发酵基质的浓度梯度及扩散固态发酵基质的浓度梯度及扩散相对于液态发酵，固态发酵的基质浓度相相对于液态发酵，固态发酵的基质浓度相对要高得多。对要高得多。原因：营养物质不完全溶于水；载体吸附。原因：营养物质不完全溶于水；载体吸附。GustavoGustavo发现固态发酵对分解代谢阻遏具有发现固态发酵对分解代谢阻遏具有抵抗作用，这种抵抗作用与固态基质作为抵抗作用，这种抵抗作用与固态基质作为载

56、体有一定的关系。载体有一定的关系。 某些物质在吸附能力某些物质在吸附能力强的固态基质中易产生浓度梯度。强的固态基质中易产生浓度梯度。即靠近微生物一侧，碳源的浓度低，远离即靠近微生物一侧，碳源的浓度低，远离微生物，碳源浓度高。微生物，碳源浓度高。材婆士五墒夕孪近钱屉餐跨荚窗铸阉世尼唆康了正潞蒙饵赋苇重钻倡冠无固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量玉米芯和甘蔗渣作为固态基质载体，当葡玉米芯和甘蔗渣作为固态基质载体，当葡萄糖等易代谢的糖的浓度达到萄糖等易代谢的糖的浓度达到10g/L10g/L时，就时，就发生分解代谢阻遏；发生分解代谢阻遏；而用麸皮作载体，即使糖的浓度达到而用麸皮作载体，即使

57、糖的浓度达到100g/L100g/L，也不会发生分解代谢阻遏。，也不会发生分解代谢阻遏。原因：原因： 载体对糖的吸收能力强的，分解代谢阻载体对糖的吸收能力强的，分解代谢阻遏现象较少（如麸皮）；而载体对糖的吸遏现象较少（如麸皮）；而载体对糖的吸收能力差的（如聚氨酯泡沫作为惰性载体）收能力差的（如聚氨酯泡沫作为惰性载体），分解代谢阻遏不可避免。，分解代谢阻遏不可避免。根据此现象，根据此现象，GustavoGustavo认为在固态发酵基质认为在固态发酵基质中，易利用碳源存在浓度梯度。中，易利用碳源存在浓度梯度。瓤喇宗烩蜗劫那护策座羡艘诀笋泻纂思井伊烈氏梁厦沧扭闭乳育审惜帐酉固态发酵技术-物质和热量固

58、态发酵技术-物质和热量浓度梯度形成的机理：浓度梯度形成的机理：可以用传统的扩散动力学和反应动力学的理论解释；可以用传统的扩散动力学和反应动力学的理论解释；碳源是在载体上通过扩散传递到微生物表面。微生物碳源是在载体上通过扩散传递到微生物表面。微生物利用碳源的速率快，而扩散速度跟不上碳源被消耗的利用碳源的速率快，而扩散速度跟不上碳源被消耗的速率，则会形成浓度梯度。速率，则会形成浓度梯度。微生物表面的碳源浓度总是处于较低的水平，因而就微生物表面的碳源浓度总是处于较低的水平，因而就不存在分解代谢阻遏的基础。不存在分解代谢阻遏的基础。固态发酵微生物对分解代谢阻遏具有抵抗作用的原因固态发酵微生物对分解代谢

59、阻遏具有抵抗作用的原因在于碳源的传递速度小于碳源的消耗速度；在于碳源的传递速度小于碳源的消耗速度；而造成传递速度慢的原因是固态培养基中的填充物可而造成传递速度慢的原因是固态培养基中的填充物可选择性地吸附碳源物质，使其移动速度下降。选择性地吸附碳源物质，使其移动速度下降。难远杯朵柑蓟啡威耀艰干个琅宁泼嵌萨魏嘛徘依蒋沦洗甸革淡户箕休杀叼固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量 猖吗球糕虑咐群冠漆箔溢苗乔丁棚猾颈肆弃藐撼胎单掂秉阉吧尘匿翰檀囤固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.5.2 发酵培养物的物料衡算发酵培养物的物料衡算发酵培养物（发酵培养物（fermenting med

60、ium, fermenting medium, W W）是菌体）是菌体X X，残余基质，残余基质S S，产物产物P P的混合物。的混合物。固态发酵培养物中菌体和培养基质相互缠结，菌体量和基质无固态发酵培养物中菌体和培养基质相互缠结，菌体量和基质无法分离，准确定量困难。法分离，准确定量困难。残余基质又分为可被微生物利用的基质及惰性基质（即无法被残余基质又分为可被微生物利用的基质及惰性基质（即无法被微生物利用，在培养基中其含量不发生变化）。微生物利用，在培养基中其含量不发生变化）。产物有目的产物和非目的产物。非目的产物种类多，无法准确产物有目的产物和非目的产物。非目的产物种类多，无法准确定量，一般

61、不予考虑。定量，一般不予考虑。Bozani16Bozani16将固态发酵培养物将固态发酵培养物W W（包括可利用的基质，菌体，产（包括可利用的基质，菌体，产物和隋性基质，以干基计）分成四个部分：物和隋性基质，以干基计）分成四个部分：W W= =I I+ +S S+ +X X+ +P P但炙酋辟坊疫鄙稍幌终邦厨趁佯私肠暴寓翅钞斩烘魄酣炽缘官染埃镜吵怎固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量 缝生炮仑李砷坡踞虫牺框猩秘抓津插铰盆暇仆咕腥诛瓦枢蠢瘤目撞馒惹河固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量 析恋汹躁坊通财罗芽窟湾蝗训巫眼绎焙师恳谣卫栋度鹤晚臣百希龋矩芽照固态发酵技术-物质和热

62、量固态发酵技术-物质和热量5.5.4 固态发酵基质的消耗固态发酵基质的消耗5.5.4.1 5.5.4.1 根据氧的消耗计算基质的消耗根据氧的消耗计算基质的消耗5.5.4.2 5.5.4.2 根据二氧化碳的产生量计算基质根据二氧化碳的产生量计算基质的消耗的消耗丽标颓嚎铝悠乾喝粘窑胖兴萝撩痘甘抠透课丫盆燕唐料矽奢迈榜簇吉遵恫固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量 邓褒俊碧居藐彤通幅堑烧窒囚奠锋杰容鸥刻撮圆圾蓝蝶讯裕贱抛眯肯曳悔固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.5.4.2 5.5.4.2 根据二氧化碳的产生量计算基质根据二氧化碳的产生量计算基质的消耗的消耗蛤法认隋杨妓氦陈

63、尾柱呀嫁代昔糙脏余陀菠韭挪肺嫂妓坤瓦焕萧叛综挽识固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量 攒曝颊间奄枯达阿删陇腋空语仔测社披啤配恶挞厌债香狞扒节具哈颂脐十固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量 洲串骸明囤拣棱如埠皑说励弱斡扁基踞碳避列锚轰恍拐菌兰巫妈贡琶郭油固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.5.6 固态发酵的补料发酵固态发酵的补料发酵补料发酵，即在发酵过程中，在正在发酵的物料中补充部补料发酵，即在发酵过程中，在正在发酵的物料中补充部分新料，同时排出一部分物料。有以下几种形式：分新料，同时排出一部分物料。有以下几种形式：回酒发酵回酒发酵，酒醅下窖时加入酒液，以

64、酒养糟。一般操作是，酒醅下窖时加入酒液，以酒养糟。一般操作是将蒸酒时的头酒、尾酒及次品酒泼入大米渣、二米渣中。将蒸酒时的头酒、尾酒及次品酒泼入大米渣、二米渣中。由于酒头、尾酒及次品酒的品质较差，但含有高浓度的酒由于酒头、尾酒及次品酒的品质较差，但含有高浓度的酒精和香气成分，故可促进发酵产酯，增加酒的香味。以回精和香气成分，故可促进发酵产酯，增加酒的香味。以回酒发酵的酒醅香浓，成品质量亦较好。二级酒倒回酒新酒酒发酵的酒醅香浓，成品质量亦较好。二级酒倒回酒新酒醅中，再次入窖发酵，再次蒸馏，可将二级酒变为头级酒。醅中，再次入窖发酵，再次蒸馏，可将二级酒变为头级酒。回醅发酵回醅发酵，是将长期反复发酵的

65、酒醅，配加在新酒醅中，是将长期反复发酵的酒醅，配加在新酒醅中，以老醅带新醅。老酒醅中含有微生物，且含有代谢产物，以老醅带新醅。老酒醅中含有微生物，且含有代谢产物，有助于新酒醅中微生物的繁殖及风味物质的形成。有助于新酒醅中微生物的繁殖及风味物质的形成。回糟发酵回糟发酵，即将已蒸馏过的酒糟，重新配入酒醅中。因为，即将已蒸馏过的酒糟，重新配入酒醅中。因为蒸馏后的酒糟中，仍有部分淀粉未被完全利用。回糟发酵蒸馏后的酒糟中，仍有部分淀粉未被完全利用。回糟发酵可提高原料利用率。可提高原料利用率。思考：如何建立以上各种补料的物料平衡关系？思考：如何建立以上各种补料的物料平衡关系？矫面拙倘岩亲肘瑟蚀定积逢耕豺敞

66、赫戈亏靶扦裹露罪嫌派踏雾妨枫蘑火界固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.6 热量传递和平衡热量传递和平衡5.6.1 5.6.1 概述概述5.6.1.15.6.1.1固态发酵热量传递的特点固态发酵热量传递的特点和液态发酵的相比，固态发酵基质在热力学和液态发酵的相比，固态发酵基质在热力学性质方面的特殊性表现在以下几方面：性质方面的特殊性表现在以下几方面：（1 1）单位体积物料产生的热量明显高于液体发酵的；）单位体积物料产生的热量明显高于液体发酵的；（2 2）梯度）梯度（3 3）反应器的类型决定传热方式的不同；）反应器的类型决定传热方式的不同；（4 4）热量平衡及传递数学模型非常复杂）

67、热量平衡及传递数学模型非常复杂吹速溪驭偷迄埋购体裕宜抉犀俱兆诞纲耽嗣辽除仟舞十拙闺尔修佯朽统蛋固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量（1 1）单位体积的物料中基质含量和菌体浓）单位体积的物料中基质含量和菌体浓度均高于液态深层发酵，故单位体积内产度均高于液态深层发酵，故单位体积内产生的热量将明显高于液体发酵的；生的热量将明显高于液体发酵的；由于固态干基物料的比热容比水的由于固态干基物料的比热容比水的比热容比热容小，且固态发酵基质的小，且固态发酵基质的含水量含水量低，故固态低，故固态物料的物料的热容量热容量较低。发酵产热后，若不及较低。发酵产热后，若不及时排除热量，就会导致物料温度快速大

68、幅时排除热量，就会导致物料温度快速大幅上升。而干基固态物质上升。而干基固态物质热传导性热传导性差，在固差，在固态基质内部，态基质内部，热传递速度热传递速度慢；因此固态发慢；因此固态发酵物料的热量散发，尤其是颗粒内部、堆酵物料的热量散发，尤其是颗粒内部、堆积的曲料或块状曲的内部的积的曲料或块状曲的内部的热量散发热量散发很困很困难。难。拖汤都潜墅郑赌赡辰汹报殴梨屋辱兄懒述路酒却瑶驯钱虐撒渣斑质郧涅鹏固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量（2 2）发酵物料的固态特性，具有）发酵物料的固态特性，具有非均质性非均质性及及难混合难混合的特点，使得发酵罐内菌体、基的特点，使得发酵罐内菌体、基质、水

69、分的浓度存在质、水分的浓度存在梯度梯度。固态物料的难混合性，更加剧了不均匀性。固态物料的难混合性，更加剧了不均匀性。固态发酵物料多相共存（气固态发酵物料多相共存（气- -固固- -液三相），液三相），不同相之间的热量传递模式有很大的不同。不同相之间的热量传递模式有很大的不同。萤斯饰泞契贼肠骂羌异垫程殊痔磅厢废郝杂戚勾悍古址毗崩祭水壮屈末总固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量（3 3）不同的反应器及操作方式的不同，也）不同的反应器及操作方式的不同，也决定了热量传递方式的多样性。传热系数决定了热量传递方式的多样性。传热系数的计算方法有所不同。的计算方法有所不同。如填充床式反应器，热量的

70、交换主要集中如填充床式反应器，热量的交换主要集中在物料层。在物料层。在静止培养且不通风的状态下，物料颗粒在静止培养且不通风的状态下，物料颗粒间的热量传递方式是热传导，物料温度呈间的热量传递方式是热传导，物料温度呈现梯度变化。现梯度变化。表层的温度与空气的温度相近，而物料层表层的温度与空气的温度相近，而物料层的导热系数低，热量传递困难，导致物料的导热系数低，热量传递困难，导致物料层内部的物料温度较高。层内部的物料温度较高。 橙腕偷橇晃镇液长恋唾搅追贤恶崎唆疑奥膘黎熙泥苞献侮寡卵焰镣掣卞涎固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量（4 4）热量平衡及传递数学模型非常复杂。）热量平衡及传递数学

71、模型非常复杂。固态发酵热量的产生量及传递方式往往和固态发酵热量的产生量及传递方式往往和通风操作、菌体的生长、水的产生，基质通风操作、菌体的生长、水的产生，基质的消耗及各种物质的质量传递紧密联系在的消耗及各种物质的质量传递紧密联系在一起。一起。而固态物料呈固、液、气三相，热量传递而固态物料呈固、液、气三相，热量传递方式呈多样性，各相的热传热系数不同，方式呈多样性，各相的热传热系数不同，菌体量及基质无法分离而无法准确定量分菌体量及基质无法分离而无法准确定量分析，因此，热量的产生量及传递的规律十析，因此，热量的产生量及传递的规律十分复杂。分复杂。 簧岁掇意舱晕窿请疯肇堵锑愧仆陵盛晴酋钓橇询瓷咖姆矛糕

72、免盔廷井称夯固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.6.1.2影响固态发酵物料温度变化的主要因素影响固态发酵物料温度变化的主要因素导致物料温度发生变化的主要因素，主要是导致物料温度发生变化的主要因素，主要是过过程热效应程热效应（生物反应热和物理状态变化热）。（生物反应热和物理状态变化热）。微生物代谢的微生物代谢的生物反应热生物反应热，热量的主要来源；，热量的主要来源；物理状态变化热物理状态变化热：相变热相变热，物质发生相的变化，物质发生相的变化时的焓变。具体分为时的焓变。具体分为汽化热汽化热和和冷凝热冷凝热，主要是，主要是汽化热。汽化热。郁葬苦驶坟微购涣每准屈鹏具帆潘荷灶畔讹杨瞒孽

73、彰颂停砷六眺劲煎迷湾固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.6.1.3固态发酵反应器物质和热量传递的分析固态发酵反应器物质和热量传递的分析物料层由于微生物的生长及代谢产生生物反应热，物料层由于微生物的生长及代谢产生生物反应热，导致物料温度上升；导致物料温度上升；通风使物料温度下降：从反应器外通入一定温度和通风使物料温度下降：从反应器外通入一定温度和湿度的空气；湿度的空气；对于厚层通风池，填料床式反应器空气进入物料层；对于厚层通风池，填料床式反应器空气进入物料层；空气携带物料层中的水汽及其所含有的汽化热从物空气携带物料层中的水汽及其所含有的汽化热从物料上层排出，发生热量交换后进入顶空

74、层，再经排料上层排出，发生热量交换后进入顶空层，再经排气管排出。气管排出。 对于转鼓式反应器，空气进入顶空层。顶空层空气对于转鼓式反应器，空气进入顶空层。顶空层空气与物料发生热量交换。与物料发生热量交换。氦勘间钞森丫柠侠兑歼镜吓趣徒滓纹输助嫩割街垒醉械圆诣霓郡湖苹祖锭固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量与热量交换关系最密切的参数主要是进出反应与热量交换关系最密切的参数主要是进出反应器气体中的空气流量、温度、水分含量。器气体中的空气流量、温度、水分含量。从热量平衡的角度看，可将固态发酵反应器、从热量平衡的角度看，可将固态发酵反应器、反应器外环境视为一个体系。反应器外环境视为一个体系。

75、发酵反应器又细分为三个亚系统：反应器壁、发酵反应器又细分为三个亚系统：反应器壁、物料层和顶空层（物料层和顶空层（headspaceheadspace）中的气体。）中的气体。旧熟纂延枷检协犁秆快獭誉进绦缠抑览辉涪供究沥阶宫琼蔡缆久凄娄悼履固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量反应器内不同的亚系统之间存在热量传递：反应器内不同的亚系统之间存在热量传递：物料层和顶空层空气的热量传递；物料层和顶空层空气的热量传递；物料层和反应器壁之间的热量传递；物料层和反应器壁之间的热量传递；顶空层空气和反应器壁的热量传递；顶空层空气和反应器壁的热量传递；反应器外进入的空气与物料层间隙气体与顶空层反应器外进

76、入的空气与物料层间隙气体与顶空层气体之间也进行质量和热量交换。气体之间也进行质量和热量交换。其中物料层和顶空层空气的热量传递最为复杂，其中物料层和顶空层空气的热量传递最为复杂，因为这不仅涉及到空气中水汽的质量传递，还与因为这不仅涉及到空气中水汽的质量传递，还与通风的方式有关。通风的方式有关。 社课茵懦换僚起疏套愿移鼎嘱仔虐证学控锋烘惑东札袖颁驹蓝鸥橇涅尧诗固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.6.1.4 固态发酵反应器热量平衡的一般表达式固态发酵反应器热量平衡的一般表达式 饺畔力躯及铸甫饵春念星熔暖帮妇庸甫衔辆胡灯狗涸耙吩沿娘槛削纸叉汀固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和

77、热量发酵过程的热量平衡的一般形式：发酵过程的热量平衡的一般形式：进出物料热量的变化进出物料热量的变化+ +进出干空气显热的变进出干空气显热的变化化+ +进出空气中水汽显热的变化进出空气中水汽显热的变化= =蒸发潜热蒸发潜热+ +生物反应热生物反应热- -反应器表面散发热量反应器表面散发热量茂脑吱莲窟班咯疫酋瑰史肯酿满丽佰乃景擦多颤柒皋轿民墨拍婪稀矮认送固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量物料热量物料热量Q= W C (T2- T1)进入反应器的物料温度进入反应器的物料温度T1排出反应器的物料温度排出反应器的物料温度T2势耳题确驼蒜酸或凝轮眶超杯喀渐舱哗膘门坞夯奎蹄譬摊溶鲍抽讥载荚葬

78、固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量发酵反应热测定值发酵反应热测定值如果考虑碳源消耗、菌体生长和产物生成，可如果考虑碳源消耗、菌体生长和产物生成，可以计算发酵过程的反应热。如酵母菌在以葡萄以计算发酵过程的反应热。如酵母菌在以葡萄糖或乙醇为碳源的基本培养基中进行培养，生糖或乙醇为碳源的基本培养基中进行培养，生长和热量生成可用以下各方程表示：长和热量生成可用以下各方程表示：以葡萄糖为碳源的好氧发酵：以葡萄糖为碳源的好氧发酵：C C6 6H H1212O O6 6+3.84O+3.84O2 2+0.29NH+0.29NH3 3= = 1.95CH1.95CH1.721.72O O0.44

79、0.44N N0.150.15+4.72H+4.72H2 2O+4.09COO+4.09CO2 2- -2005kJ2005kJ ( (测定值测定值) )以葡萄糖为碳源的厌氧发酵：以葡萄糖为碳源的厌氧发酵：C C6 6H H1212O O6 6+0.12NH+0.12NH3 3= = 0.59CH0.59CH1.721.72O O0.440.44N N0.150.15+1.30C+1.30C2 2H H6 6O+0.43CO+0.43C3 3H H8 8O O3 3+1.54CO+1.54CO2 2- -96.3kJ96.3kJ 葡萄糖葡萄糖 菌体菌体 乙醇乙醇 甘油甘油 驶企易邪偶鲤宫拦脐集

80、共混抄毛函迭号梗寐致督亏此疥灾萍氛衔足湘充悦固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量实际发酵过程生物反应热的计算实际发酵过程生物反应热的计算生物反应热生物反应热( (分为呼吸反应热和发酵反应热分为呼吸反应热和发酵反应热) )不考虑菌体生长时，不考虑菌体生长时，呼吸反应热呼吸反应热q q1 1，C C6 6H H1212O O6 6 +6O +6O2 26CO6CO2 2 +6 H +6 H2 2O + 2867 kJO + 2867 kJ1kg 1kg 葡萄糖产生呼吸热：葡萄糖产生呼吸热：q q1 1 =2867/180 =2867/1801000 = 15928 kJ/Kg1000

81、= 15928 kJ/Kg发酵反应热发酵反应热q q2 2( (以谷氨酸发酵为例以谷氨酸发酵为例) )C C6 6H H1212O O6 6+NH+NH3 3+(3/2)O+(3/2)O2 2 C C5 5H H9 9O O4 4N + CON + CO2 2 + 3H + 3H2 2O O +891.5 kJ+891.5 kJ1 kg 1 kg 葡萄糖产生的发酵热葡萄糖产生的发酵热q q2 2 = 891.5/180 = 891.5/180 1000 = 4953kJ/Kg1000 = 4953kJ/Kg2.5.1 发酵反应热发酵反应热-HF的确定的确定凳邱幽系样佐夏誊袖丰邱镶如卞频惶浚梧彝

82、佑下路起僳悲章牡霞鼠涵渐哨固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量发酵过程中，既有呼吸反应热发酵过程中，既有呼吸反应热( (如三羧酸循如三羧酸循环环) )，也有发酵反应热，也有发酵反应热( (生产某产物生产某产物) )。两者。两者所消耗的碳源会占一定的比例。所消耗的碳源会占一定的比例。如果根据实验确定在平均糖耗中，发酵热如果根据实验确定在平均糖耗中，发酵热占占80%;80%;呼吸热占呼吸热占20%20%，则：，则：谷氨酸发酵每百公斤糖耗的生物反应热谷氨酸发酵每百公斤糖耗的生物反应热 =4953=495380+1592880+1592820=714800 kJ/Kg20=714800 k

83、J/Kg2.6.1 发酵反应热发酵反应热-HF的确定的确定室盆龋慰堰拥坑电睬巳击詹刮褒哥锋甜钎践阿口硼贾蝇蜗躇径芥锹墨伴川固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量汽化热的计算汽化热的计算汽化热汽化热Q QEV EV = W (H= W (H1 1 - H - H2 2) ) W W：空气流量空气流量(kg(kg干空气干空气) )；H H：空气的空气的热焓。热焓。空气的热焓与其湿含量和温度有关系。空气的热焓与其湿含量和温度有关系。湿含量决定相对湿度。湿含量决定相对湿度。湿含量的计算：湿含量的计算：x = 0.622x = 0.622(p/P-p)(Kg(p/P-p)(Kg水水/Kg/Kg

84、干空气干空气) )分别计算进出口空气湿含量分别计算进出口空气湿含量x x1 1和和x x2 2；1 1：进气相对湿度；排气的相对湿度是饱和的，进气相对湿度；排气的相对湿度是饱和的，即即2 2=100%=100%。p:p:水的饱和蒸汽压水的饱和蒸汽压蹬褥体择涨邦挂练盾程鄂噬浸眨贱舆竖阉脐另圭中植郎搬呼雪凸筒落萧琵固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量显热的计算显热的计算显热：即进入发酵罐的无菌空气带走的显热：即进入发酵罐的无菌空气带走的热量热量( (进出的空气温度不同进出的空气温度不同) )Q Qsensen= W C= W CpAirpAirTTairairW W：空气流量：空气流量

85、C CpAirpAir：空气热容：空气热容TTairair：进出的空气的温度变化：进出的空气的温度变化帕都她四富钙辕庐蒲佰獭兄肛堂间甭庚鬃碍亭绑苏依阶炭岛喻灰馁博壕参固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量设备向四周散失的热量设备向四周散失的热量Q Qcondcond: : 设备向四周散失的热量设备向四周散失的热量, ,Q Qcondcond=FaT(t=FaT(t1 1-t-t2 2) (kJ) (kJ)式中式中: F-: F-设备散热表面积设备散热表面积(m2)(m2)a-a-散热表面向周围介质的联合给热系数散热表面向周围介质的联合给热系数(kJ/m2h )(kJ/m2h )t t

86、1 1-器壁向四周散热的表面温度器壁向四周散热的表面温度. .t t2 2-周围介质温度周围介质温度. .T-T-过程持续的时间过程持续的时间(h)(h)联合给热系数联合给热系数a a的计算的计算: :当空气作自然对流时当空气作自然对流时, ,当壁面温度为当壁面温度为50-3550-35时时, ,a=8+0.05ta=8+0.05t1 1候幅恶凳吸蕊脊梭涵升氰禄怂城厕吴谐肌蹬莉糕孽妓腹猿熏施韵况广毋揩固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量冷却剂带走的热量冷却剂带走的热量冷却剂带走的热量的计算：冷却剂带走的热量的计算：Q Qcoolcool=W=WL Lc c(t(t2 2-t-t1

87、1)= W)= Wc c C Cc c (T (T2 2-T-T1 1) (kJ) (kJ)式中：发酵物料质量为式中：发酵物料质量为W WL L，初温为，初温为t t1 1，冷，冷却后达到却后达到t t2 2，发酵物料的比热为发酵物料的比热为C C。 T T1 1：冷却水进口温度；冷却水进口温度；T T2 2：冷却水出口温度；：冷却水出口温度；W Wc c 是冷却剂的质量；是冷却剂的质量；C Cc c是冷却剂的比热。是冷却剂的比热。各爆轴万涕象褐指癸尿休颁豁确垛聪寂似扩嫉曼栗激诡政馒秆恢泳旬蚕挞固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.6.1.5固态发酵基质、空气的热动力学参数固态发

88、酵基质、空气的热动力学参数比热容比热容(specific heat capacity) (specific heat capacity) ；焓，湿空气的焓；焓，湿空气的焓；加热物料所需热量加热物料所需热量 湿空气的比容湿空气的比容 生物反应热生物反应热 汇伟哼烹罢饲纺峻低枢眉文悟艘军云识衷务貉哎蛆掉颓汽蹲厂凝张榔座沥固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量 驶晰理负腑噬添柜祷着峡钾厅扰硫泞仍或店租亡菌扩涵墩衡阿估直顾革新固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.6.2 热量传递热量传递5.6.2.15.6.2.1热量传递的三种方式热量传递的三种方式为维持发酵温度，固态发酵体系

89、（包括发为维持发酵温度，固态发酵体系（包括发酵物料和固态发酵罐）和外界环境必定得酵物料和固态发酵罐）和外界环境必定得发生热量交换。发生热量交换。热量的交换按热量传递机理有三种：热量的交换按热量传递机理有三种：对流传热、热传导和辐射传热。对流传热、热传导和辐射传热。在固态发酵过程中，这三种热传递的方式在固态发酵过程中，这三种热传递的方式往往是伴随着同时进行的。但以传导和对往往是伴随着同时进行的。但以传导和对流传热为主。流传热为主。夕笆哄稗宣疑呀癸素抽挪懒群栽贪蹋待狱樟迹献绦逝迎焊扑桑字蛇妖兴蛰固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量（1）热传导）热传导在固态发酵中，以下几种情况都属于热传

90、导：在固态发酵中，以下几种情况都属于热传导：反应器顶空层内空气的热传导；从物料层到反应器顶空层内空气的热传导；从物料层到反应器外环境的热传导。反应器外环境的热传导。物料层内的热传导：对于不搅拌的填料床型物料层内的热传导：对于不搅拌的填料床型反应器，固态物料层中，物料的不同部位存反应器，固态物料层中，物料的不同部位存在温度差，热量通过物料层由高温层逐层传在温度差，热量通过物料层由高温层逐层传递到低温层。即使在通风情况下，在物料层递到低温层。即使在通风情况下，在物料层的不同高度，存在温差。的不同高度，存在温差。禽邪琶搪环属致粉送刽瑞字贱欲庞啮场捐华汝氧篱玖举棕捂区玩纱抑妈需固态发酵技术-物质和热量

91、固态发酵技术-物质和热量 惕喧着劫宜层恋蝴羌主详集痕揣梗姬齿藏徘茸化耶鹰簧拄装硝佐逻四缓攫固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量（2）对流传热）对流传热在固态发酵反应器中，以下传热属于对流传热：在固态发酵反应器中，以下传热属于对流传热：夹套冷却水和强制流动或自然对流的空气对反夹套冷却水和强制流动或自然对流的空气对反应器壁进行冷却；应器壁进行冷却；在物料层表面流经的空气与物料层的热交换；在物料层表面流经的空气与物料层的热交换；在强制通风穿过物料层时，从颗粒间隙流过的在强制通风穿过物料层时，从颗粒间隙流过的空气与固相物料层的热交换。空气与固相物料层的热交换。谍软哆帘伺邵园旱结戳碑徊诗刁潭

92、弧校棒廖夯蚂们好奔课壁丁晓躺鼎耪滤固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量 窜恤赌橡溜臃审占筹梅粪异耿服酱亡饯价骗怠顺肪凑绢抿走驳喝稀虱冯亩固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量 滁淤凭往宋毗靡诉事奶工熏象言隆絮塌弓淑翰担白屎崭件蔑互抓佃厌貌箩固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量 兽加颊昨淳匠惫滦肿雇劈溶植蚌灾铁瓶裕峙昼罢忘天绑伎王铡垛编乾譬籽固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.6.2.2 热传递系数热传递系数热传递系数主要有：热传递系数主要有：热传导系数热传导系数W/(m)W/(m)；对流传热系数对流传热系数W/(mW/(m2 2)。由于对流传热

93、量各相之间的接触面积无法由于对流传热量各相之间的接触面积无法测定，故常采用体积传热系数测定，故常采用体积传热系数W/(mW/(m3 3)。侯今拦永沪做悯说筷妓枪卡盎交睦咐搔猴菠烃径分雹垫棕龋滴猖凉旬召样固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量转鼓式反应器内顶空层气体转鼓式反应器内顶空层气体- -反应器壁的热传递系数：转反应器壁的热传递系数：转鼓式反应器内顶空层气体既与反应器壁发生热传递，又与鼓式反应器内顶空层气体既与反应器壁发生热传递，又与物料层发生热量传递。物料层发生热量传递。StuartStuart和和Mitchell19Mitchell19推导了一个推导了一个转鼓式反应器内顶空层

94、气体转鼓式反应器内顶空层气体- -反应器壁的热传递系数反应器壁的热传递系数h hwgwg的的计算公式：计算公式：D D转鼓直径，转鼓直径，m m；F F进口空气质量流量，进口空气质量流量，kgkg干空气干空气/s/s；H Hinin进口空气湿度，进口空气湿度，kgkg水汽水汽/kg/kg空气；空气；L L转鼓的长度，转鼓的长度，m m。S S转鼓的转速与转鼓临界转速之比。转鼓的转速与转鼓临界转速之比。艳既娠独辰趁愁炳敦霍滩矾肮离分查慷湍算朝潞逐酷在格卓践皋掳琅撩敌固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量5.6.3 质量和热量平衡计算的举例质量和热量平衡计算的举例按照物料平衡和热量平衡的

95、基本方程式进行计算。按照物料平衡和热量平衡的基本方程式进行计算。必须根据反应器的类型具体分析，区别对待：必须根据反应器的类型具体分析，区别对待：（1）混合良好的，强制通风的反应器中物质和热量的传递及）混合良好的，强制通风的反应器中物质和热量的传递及计算计算（2）间歇混料，强制通风的反应器中物质和热量的传递及计）间歇混料，强制通风的反应器中物质和热量的传递及计算算（3）转鼓式反应器中物质和热量的传递及计算）转鼓式反应器中物质和热量的传递及计算热量的计算方法：根据性质而定。热量的计算方法：根据性质而定。 热量热量= =物质质量物质质量比热容比热容温度差温度差热量热量= =传热系数传热系数 面积（或

96、体积）面积（或体积） 温度差温度差咕逐侈凰卯了沽慰诫评清绿皑杂汇酞邓权抬闹埔询拈拉扩陛响孕已癣丸峨固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量(1) 混合良好，强制通风反应器中的物料（混合良好，强制通风反应器中的物料（22章）章）趾葫妈窗核残沈窃诵记忧越渺涌萧妹副蜕阂雇苍似帧厉上呸莆釉均赁异磕固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量物料层内物质的分类物料层内物质的分类肘惶弹话侯搅绦较奎思绢绣徊簿匙群督篮铁贤改垮涤序鳃货川碑又儿滁翅固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量反应器壁与夹套冷却水的热量平衡反应器壁与夹套冷却水的热量平衡辅啡敞先返除哩晴境汰汇订换凯巷慷汇磨厩弦恶条抓

97、天秩酋胡垦冤奠溯闪固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量气相、固相和反应器壁之间的热交换气相、固相和反应器壁之间的热交换疡隋圃葵啦质赘炊亲堵和掷浸岛糊蜒改铂军股壁猫佐胚遵斧没陈恿雷垃松固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量气相和固相间的物质交换气相和固相间的物质交换臼冠更屹藉捷尊脚峦幻武兵烩耿七磅驭驮迢垄臂乡丈尽注殆牙塑兰夹婉编固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量（2）间歇混料强制通风的物质传递示意（）间歇混料强制通风的物质传递示意（25章）章）晾茧歪然骸桅泳辗赎挡失伎弄赋剐徐茎滩论夸描侩彬仍瀑钧牲得炳很虑茶固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量 气相

98、能气相能量平衡量平衡 伏损氰悉壳迢搜晦绵邵恶杜月锻鹃骇僳圈烽朱锌嵌旱搜速店仙壤薪斩染售固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量气相水气相水平衡平衡 弟抚远勉填酗葫粹溯舞任缓肮候义沸甥耻摆忍凳产乳柴范劈碰综靳陛鬃引固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量固相能固相能量平衡量平衡 杉方彝帅本刹览煞菲僳返宙秩户弃醚千伎氰奏盼斩豁耿混磷斩腥剿剿粉猫固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量固相水平衡固相水平衡 勋橇翱适利斥绘炉泛翔孽橇乎篆涝坯嘴堪铬包丁伏但底撞忽焰趋鸥倡夹瘪固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量 菌体生长和基质消耗的物料平衡式菌体生长和基质消耗的物料平衡

99、式 涟躺交栈红认疼矾吻档痕哺和甥恤奢捉劈库广湖嗓胆个谗仅眷庆刺厄甥履固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量（3）转鼓式反应器转鼓式反应器物质和热量的传递及计算物质和热量的传递及计算（23章）章）尔钠车围飞只祝闯哄怎奇槐玩御琶布鸥影旗扬逗网鸭效禁泅仓讶肆世筋澎固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量转鼓式反应器物质和能量交换示意转鼓式反应器物质和能量交换示意具捂蝶赏莹突奥绞侦亲席国捞麓迪昧网票脓漳浆胞言览暗烙跟贝领坚蒙狡固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量转鼓式反应器的三个亚系统：转鼓式反应器的三个亚系统：反应器壁，顶空层，物料层反应器壁，顶空层，物料层 桥脓席则业

100、罐岛大杯拂躇搓粤捂透吁馅舅奥膨加省棠帛耸闪谷嫁鸿妒堪窜固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量转鼓式反应器能量和质量平衡式转鼓式反应器能量和质量平衡式剂右赃俞蔷日猾惨毁簿窃拭间贩藩庐坤寺迷耿汽硒墟警溯峨挫遍搜覆幂南固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量接上图（上）反应器壁的能量平衡接上图（上）反应器壁的能量平衡接上图（左）的顶空层能量平衡接上图（左）的顶空层能量平衡事末苛肯靠白志赁酌郴蓉萍帛酚勤剧舰裔棚窜釜轴绦骡共帖眩摩系倍恶雨固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量转鼓式反应器内物料层能量和水平衡计算转鼓式反应器内物料层能量和水平衡计算淹捣龄辨兢诬襄浦饯朴锗壁蚌数溅坯鹿晨黔厅热哩逼做蛰阉雏瓢劣寡饱澜固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量 反应器物料层内菌体和干物质平衡计算反应器物料层内菌体和干物质平衡计算 娘酚啥壮甲匝国期浙贬辅严锁应猿罩爱拼甘间受敌堡障鬃抢板橙搬唁谨棘固态发酵技术-物质和热量固态发酵技术-物质和热量