1、第四章 固态发酵 与酿造工艺设备,发酵工业,菌种选育,自然界筛选、诱变育种、基因工程、细胞工程,培养基配制,根据培养基的配制原则制备，实践中需多次试验配方,灭菌,杀灭杂菌,扩大培养和接种,发酵过程（中心阶段）,检测进程，满足营养需要；严格控制温度、pH、溶氧、转速等,分离纯化,菌 体：过滤、沉淀 代谢产物：蒸馏、萃取、离子交换,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,一、固态发酵概述,听完课后请回答下列问题： 1. 固态发酵与液态发酵有什么不同？各有何优缺点？ 2. 当前发酵工业主要使用的是液体发酵还是固体发酵？食品酿造业主要使用的是液体发酵还是固体发酵？,反应器,
2、酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,1、固态发酵的内涵,一般发酵工艺过程按照培养基物理性状不同，将发酵方式分为两大类：固态发酵和液态发酵。,反应器,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,固体基质发酵和固态发酵一切使用不溶性固体基质来培养微生物的工艺过程，称之为固体基质发酵(solid substrates fermentation)。固体基质发酵，既包括将固体悬浮在液体中的深层发酵，也包括在没有(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。,反应器,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,固态发
3、酵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。,反应器,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,问题固体基质发酵和固态发酵有何区别？,反应器,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,从生物反应过程的本质考虑，固态发酵是以气相为连续相的生物反应过程，与此相反，液态发酵是以液相为连续相的生物反应过程。从这个定义中可以充分认识固态发酵的特点，以及与液态发酵本质的区别。,反应器,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,
4、特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,固态发酵与液态发酵比较分析,固态发酵中微生物生长在缺乏或几乎缺乏可见液体水的颗粒之间，在固态发酵系统中，微生物可以从湿的基质颗粒中获得所需的水分。 固体发酵基质的含水量可以有效控制在1280之间，大多含水量在60左右。而典型的深层液体发酵的发酵液中只有5左右的溶质，至少有95的水。当前发酵工业所使用的主要是深层液态发酵。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,2、固
5、态发酵的特点,基质：可被微生物降解或不被降解的多孔固体基质，气固表面积大（103-106m/cm2），有利于微生物生长。 微生物是在接近自然状态的情况下生长，可产生一些在液体培养基中不产生的酶或其它代谢产物，特别是对于许多丝状真菌来说。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,固态发酵是以气体作为生物反应过程中的O2、CO2、热量、营养和产物的传递介质，表现为O2、CO2扩散比较容易，热量传递困难，存在明显的营养梯度。 由于是非均相反应，发酵参数的测定和控制比较困难，大多发酵过程依赖经验。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,
6、反应器,3、固态发酵的分类,3.1 传统固态发酵与现代固态发酵固态发酵与液态发酵相比存在着许多不足，所以传统固态发酵曾经是古老而又落后工艺的代名词。甚至，在有的发酵工程或生化工程的教科书中，也很少提到固态发酵。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,现代发酵技术的关键条件是纯种大规模集约化培养。因此，依据固态发酵过程中是否能实现限定微生物纯种培养，分为传统固态发酵与现代固态发酵。现代固态发酵是为了充分发挥固态发酵的优势，针对传统固态发酵存在的问题，使之适应现代生物技术的发展而进行的，可以实现限定微生物的纯种大规模培养。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特
7、 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,3.2 固态发酵的形式,固态发酵可以以许多不同的形式进行，按照使用的微生物的情况和形成的产品条件不同，固态发酵可分为自然富集固态发酵、强化微生物混合固态发酵、限定微生物混合固态发酵和单菌固态纯种发酵。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,自然富集固态发酵,自然富集固态发酵是指利用自然界中的微生物，由不断演替的微生物进行的富集混合发酵过程。典型的例子是传统酒曲和酱油、腌莱、烟草发酵、茶叶发酵、青贮、堆肥等。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,
8、特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,自然富集固态发酵不需要人工接种微生物，其所需发酵的微生物主要依赖于当地空气和物料中的自然微生物区系，多种微生物演替成最适于生长代谢或共生协作的小生态环境。其微生物富集区系不仅与当地空气和物料中的自然微生物区系有关，而且与小生态环境自然变化密切相关。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,强化微生物混合固态发酵,强化微生物混合固态发酵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，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所进行的混合发酵过程，如沼气发酵、白酒发酵。,酿造学,固态发酵
9、 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,因为人们在长期的科学研究和生产实践中不断发现，不少生命活动及其效应是借助于两种以上的生物在同一环境中的共同作用下进行的，甚至是单独不能或只能微弱进行的，例如纤维素和本质素的降解。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,限定微生物混合固态发酵,限定微生物混合固态发酵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，同时或先后接种同一灭过茵的培养基中，在无污染条件下进行的固态发酵过程。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,
10、分 类,固态发酵 设 备,反应器,局限：虽然微生物混合培养在很多领域中的作用已得到充分肯定，部分成果己成功应用于实践，但对大多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。因此，目前对于具有协同作用关系的菌株筛选和组合还是一个随机过程的，缺乏有效的理论指导，而且对于已经应用的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。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,单菌固态纯种发酵,单菌固态纯种发酵是在纯培养基础上建立起来的，对于选育良种、保持生理活性和代谢过程中的稳定起很大作用。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分
11、类,固态发酵 设 备,反应器,4、固态发酵反应器 （反应器图片见p.79-83）,迄今为止已有许多类型的固态发酵反应器问世(包括实验室、中试、工业生产规模)。目前大约有九种不同形式的工业规模的固态发酵反应器：转鼓式、木盒式、加盖盘式、垂直培养盒式、倾斜接种盒式、浅盘式、传送带式、圆柱式、混合式等。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,以基质的运动情况则可以分为两类： 静态固态发酵反应器 包括浅盘式和塔柱式反应器； 动态固态发酵反应器 包括机械搅拌的筒柱式、转鼓式反应器等。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,静态固
12、态发酵反应器中的发酵基质在发酵过程中基本处于静止状态。 其优点是结构简单，操作方便，放大问题小； 其明显的缺点是，由于发酵基质的相对静止，热量、氧气和其它营养物质的传递困难，从而导致基质内部温度、湿度、酸碱度和菌体生长状态的严重不均匀。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,动态固态发酵反应器中的基质处于间断或连续的运动状态，从而强化了传热和传质，设备结构紧凑，自动化程度相对较高，但由于机械部件多，结构复杂，灭菌消毒比较困难，固态基质的搅拌能耗过大，发酵物料的持续运动有可能会破坏菌丝体，从而影响菌体的生长与代谢。 对于实验室规模的发酵过程，搅拌所起的作用(
13、如促进物质传递，使发酵基质内部参数均匀)不一定十分显著，因而这种设备的放大是一个突出的问题。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,固态发酵反应器主要由两部分组成，即反应器主体和供气、控温、保温系统，后者的主要目的是保持发酵系统的需氧状态和调节发酵基质的温度和湿度。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,目前静态固态发酵反应器在实验室研究中应用较为普遍，尤其是圆柱式的固态发酵反应器。,4.1 静态固态发酵反应器,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵
14、,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,4.2 动态固态发酵反应器,(1)转鼓式 其基本形式是将一个圆柱形(鼓形)容器支架在一个转动系统中，转动系统主要起支撑及提供动力这两种作用。这类反应器都有进、出气体设备，空气入口管装在容器底部，或者以多个支管分布于容器内各处，支管上有许多喷气口。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,(2)带机械搅拌的筒柱式 其特点是发酵器主体静止不动，而容器内的搅拌器使发酵过程中的物料处于连续的运动状态，在反应器的一端有取样、加料和通气口。灭菌方式为直接通气灭菌。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设
15、 备,反应器,转鼓式和带机械搅拌的筒柱式发酵器内微生物生长较快并且均一，放大过程中所遇到的困难是由于物料运动导致在生长过程中菌丝被伤害，这个问题的严重性随着发酵器容积的增大而增加。 此外，在放大过程中还会存在发酵体系温度控制、保持不染菌、发酵基质聚集成球状而影响传质传热等诸多方面的问题。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,(3)带机械搅拌的盘式固态发酵反应器 通常盘式反应器长2m，宽0.8m，深2.2m。三个并排的螺旋式搅拌器在以65cm/min的速度水平运动的同时，还以22r/min的转速自转。在搅拌器载车上还有两个喷口，用于补料加水。,酿造学,固态
16、发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,盘式反应器底部由两层金属网制成，过滤空气由底部均匀进入1m厚的发酵基质。 其缺点是：不能用于无菌操作过程，只能用于自然发酵和混合发酵过程。 本系统易于放大。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,4.3 实验室固态发酵反应器、中试固态发酵反应器与工业级固态发酵反应器 按照固态发酵反应器所承载的固体物料多少不同，可将固态发酵反应器分为三大类： 第一类是实验室固态发酵反应器 可进行克级规模固体物料的固态发酵实验； 第二类是
17、中试固态发酵反应器 一般进行千克级固体物料的固态发酵试验； 第三类是工业级固态发酵反应器 可应用于工业生产，承载吨级固体物料。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,5、固态发酵研究取得的 主要进展,1) 由敞开式发酵到封闭式发酵敞开式发酵虽然投资少、操作方便，但大规模生产有散热困难、易污染等问题。封闭式发酵罐可以彻底灭菌，便于控制发酵罐中的温度。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,2) 从经验发酵到控制发酵 液体发酵可实现电子汁算机控制，对发酵过程中的参数实现预测。目前在固态发酵中也可测定基质含水量。基质含水量是
18、决定固态发酵成功与否的关键因素之一。 如在固态流化床反应器中，培养基的水分依据流化层内的电极和塔壁间静电容量值，从喷嘴喷出无菌水雾加以控制； 在厚层通风池中固态发酵，其培养温度可通过继电器控制池内温度保持在30左右。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,在固态发酵中，真菌的菌丝穿插于基质之间，吸附性强，多数常规测定方法都无法使用。 现常用间接测定方法，如测定菌体蛋白质，测定氧摄入、二氧化碳的排出、ATP含量和葡萄糖胺含量，测定某些酶的活性(同菌体量成正比的酶)等方法。虽然pH值也是影响菌体生长代谢的关键因素之一，但固态发酵的某些基质的优良缓冲性能帮助减少
19、对pH控制的需要。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,问题：固态发酵中监测pH的变化重要吗？为什么?,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,3）从浅盘式发酵到机械化发酵 中国现在酿造业的固体曲制备常采用厚层通风池发酵，这些发酵设备占地面积大、劳动强度大。国外已研制出密闭的柱形固态发酵罐，完全机械化操作，日发酵1000Kg物料。中国己研制出可装料800kg的圆片制曲机，能半机械化连续操作。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,4）从固态单菌发酵到固态混合发酵 由于纯种培养技术的
20、迅速发展而一度受到冷落的混合培养技术，现又逐步受到重视。在这些天然混合物和非均质的基质中，几种微生物能找到最适于发育和共生协作的小生态环境。 由于同时利用不同菌株进行共同培养，增加了培养物的基因库容量, 完成单菌难以完成的复杂的转化过程，达到提高基质产率和生产效率等目的。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,5）从堆积发酵到流化态发酵 固态生化反应器由简单浅盘发酵到机械化发酵罐，它们还都是堆积发酵。现日本已兴起流化床培养，活力可提高到5-10倍。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,6）从上下游过程分别操作到组合操
21、作 发酵工业过程主要由发酵过程（也称上游过程）和产物分离过程(下游过程)两部分组成。现大多数工业是把发酵过程和产物分离纯化过程分别放在不同操作单元中完成，并前后连接成一个整体。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,二、固态发酵主要设备（省略）,原料处理设备 固体发酵设备 机械搅拌通风发酵罐 空气净化系统 培养基灭菌系统 产物分离与提取设备,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,（一）原料处理设备,在发酵与酿造过程中，为了加速蒸煮、糖化、发酵的反应速度，对于使用的固体原料，常需将其粉碎。使大块固体物料破碎成小块物料的操
22、作，通常称为粉碎，而使小块物料进一步粉碎为粉末状物料，则称为磨碎或研磨。,1.原料粉碎设备,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,在生产过程中，粉碎的效果好坏，不仅直接反映出粉碎操作的合理性和经济性，而且会间接影响到蒸煮、糖化、发酵的效果。工厂中，均采用某种形式的机械方法，达到固体物料粉碎的目的。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,粉碎的方法，根据操作作用力的不同可区分为四种：挤压；冲击；磨碎；劈碎。 无论是哪一种作用力，假如所施加的外力没有超过物料的弹性强度，则物料产生弹性变形，外力除掉后，物料恢复到原来情况。假
23、如施加的外力稍超过物料的破碎强度，则物料即被粉碎。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,物料表面通常具有不规则的形状，因此外力首先作用在突出点上，产生局部的应力，破碎后应力分散，作用点发生变化。粉碎过程是在极短的时间里进行的非常复杂的过程，揭开全部真正的粉碎机理是以后进一步开展的工作。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,选择粉碎物料的方法，必须根据物料的物理性质、大小、粉碎的程度等，应特别注意物料的硬度和破裂性。对坚硬和脆性的物料，挤压和冲击很有效；对韧性物料剪切力作用较好；对方向性物料则以劈碎为宜。但不论哪一种
24、粉碎，很少单独使用其中的一种方法，而是几种方法的组合，使粉碎更加有效。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,锤式粉碎机 利用快速旋转的锤刀对物料进行冲击粉碎，广泛用于各种中等硬度物料的中碎与细碎作业。由于各种脆性物料的抗冲击性较差。因此，这种粉碎机特别适用于脆性物料。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,锤式粉碎机 1.筛网 2.轴 3.锤刀 4.冲击板 5.机壳,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,锤式粉碎机主轴上有钢质圆盘或方盘转子，盘上装有可拆换的锤刀。锤刀可以自由摆动
25、。当主轴以800-2500r/min在密封的机壳内旋转时，刀片在各个不同的位置上，能够以很大的冲击力将物料粉碎。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,加入到粉碎机中的物料，首先与锯齿形的冲击板撞击，已经被粉碎的物料，通过机壳上的格栅网孔排出。未被粉碎的物料，被筛网阻截，再次受锤力冲击粉碎。如遇有坚硬不能粉碎的物料，由于锤刀是活动地悬挂在盘上，可以摇动而让开，可避免损伤机器，当然锤刀要受到较大的磨损，甚至损坏筛网。如遇有坚硬的物料，可再次或多次冲击粉碎。粉碎的物料，连续穿过机内的筛网排出。为了避免堵塞，除将筛网孔做成上小下大的锥形孔外，被粉碎的物料含水量不
26、应超过10%-15%。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,锤式粉碎机可作粗碎或细碎，这是它的优点。此外，还具有单位产品的能量消耗低、体积紧凑、结构简单、生产能力高等特点。它的主要缺点是，当粉碎较坚硬的物料时，锤刀磨损得较快。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,锤刀是锤式粉碎机的主要零件，它的型式尺寸，决定于物料尺寸性质。机壳中的筛网有不同的规格，视被碎物料的性质、种类和粉碎的要求而异。筛网的尺寸对产品的颗粒大小及粉碎机生产能力有很大的影响，视不同的要求选用适宜的筛网。锤刀与筛网间的径向间隙是可以调节的，一般为5
27、-10mm。粗筛一般用钢丝构成，或在金属板上钻圆孔、方孔或长方孔。细筛除用钢丝外，还可用钢板。酒精厂锤式粉碎机筛孔直径一般为1.5mm，中心距离为2.5-3.5mm。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,辊式粉碎机 广泛应用于粉碎颗状物料的中碎或细碎的作业，主要工作机件是两个直径相同的圆柱状辊筒。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,图3-2 二辊式粉碎机 1.弹簧 2.物料 3.滚筒 4.机座,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,两个辊筒以相反的方向旋转，产生挤压力和剪力将
28、物料粉碎。辊筒表面有光面和带波纹的两种，物料从辊筒间的空隙加入。两辊筒间的距离称为开度。凡物料颗粒小于开度的，可经空隙漏出。当要求产品较细时，可提高辊筒表面的圆周速度，达8-10r/min，也可使两辊筒间有15%-20%的转速差，这样可增加粉碎度。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,两个辊筒中，有一个辊筒的轴承是固定的，另一个辊筒是可以移动的，这样可调节辊筒的开度。另外在可移动的轴承上，还装有弹簧。因此，当物料中混有较大块或硬的物料时，弹簧能稍微移动一点，使大块或硬的物料得以通过，以免使辊筒表面受到损伤。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分
29、类,固态发酵 设 备,反应器,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,气流输送 利用强烈的空气流沿管道流动，把悬浮在气流中的物料输送至目的地。气流输送可用于输送大麦、大米、麦芽等松散物料。气流输送的优点是设备简单，占地面积小，输送能力和输送距离可调性大，易于实现自动化。它的主要缺点是能耗较大，不适于输送潮湿黏稠的物料。,2.原料输送设备,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,根据设备组合情况，气流输送装置可分为真空式和压力式。一般来说，当从几个不同的地方向一个卸料点送料时，真空输送系统最适合；而当从一个加料点向几个不同的
30、目的地送料时，压力输送系统较适合。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,机械输送 靠机械装置来输送物料，其优点在于能耗小，而且可以输送不适于气流输送的大块物料和潮湿物料。输送机械主要有带式输送机、斗式提升机、螺旋输送机等。其中具体分类及输送能力和功率计算可参考发酵设备等资料，带式输送结构比较简单，下面是常用的斗式提升机进料和卸料图。,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,酿造学,固态发酵 概 述,内 涵,特 点,分 类,固态发酵 设 备,反应器,固体发酵历史悠久，长期以来，白酒的酿造一直采用固体发酵，主要设备有曲盘、帘子、厚层通风制曲设备等。厚层通风制曲设备是20世纪50年代发展起来的，它是在保持固体发酵优点的基础上加以改进，以适应大规模工业生产需要的一种固体培养方法。,(二)固体发酵设备,
