固态发酵技术-物质和热量

《固态发酵技术-物质和热量》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

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，通过计算确定空气的

2、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（fermentationbed），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”；“二相”体系。“拟均质相”（pseu

3、do-homogeneousphase）：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物料层的微观分析从微观上来，物料层的组成是：物料基质、微

4、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

5、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

6、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

7、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