固态发酵.pptx
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1、固态发酵固态发酵第一节第一节 概述概述第二节第二节 固态发酵的分类固态发酵的分类第三节第三节 固态发酵反应器固态发酵反应器第四节第四节 固态发酵的应用固态发酵的应用第五节第五节 固态发酵发展趋势和应用前景固态发酵发展趋势和应用前景第六节第六节 固态发酵的典型实例固态发酵的典型实例白酒白酒第一节第一节 概述概述一、固态发酵的内涵一、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。液态发酵主要有表面发酵和深层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固体基质发酵。固态发酵固态发酵是指没有或几乎没有自由水存在下,在有一定湿度的
2、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。固态发酵系统固态发酵系统液态发酵系统液态发酵系统二、固态发酵的特点二、固态发酵的特点固态发酵是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。O2、CO2扩散比较容易热量传递困难存在明显的营养梯度无大量有机废水产生三、固态发酵与液态发酵比较分析三、固态发酵与液态发酵比较分析固态发酵与液态发酵本质区别是以气相还是以液相为连续相的差异。具体表现是固体发酵基质中游离水的多少。固态发酵与液态发酵的比较固态发酵与液态发酵的比较序序号号项项 目目固态发酵固态发酵液态发酵液态发酵1水分水分培养基没有游离水,水是培养培养基没有游离水,
3、水是培养基中较低的组分基中较低的组分培养基中始终有游离水的流动,水培养基中始终有游离水的流动,水是主要组分是主要组分2营养物营养物微生物从湿的固态基质吸收营微生物从湿的固态基质吸收营养物,营养物浓度存在梯度养物,营养物浓度存在梯度微生物从溶解水中吸收营养物,营微生物从溶解水中吸收营养物,营养物浓度始终不存在梯度养物浓度始终不存在梯度3接种量接种量接种量比较大,大于接种量比较大,大于10%接种量比较小,小于接种量比较小,小于10%4产物浓产物浓度度发酵结束时,培养基是湿物料发酵结束时,培养基是湿物料状态,产物浓度高状态,产物浓度高发酵结束时,培养基是液体状态,发酵结束时,培养基是液体状态,产物浓
4、度低产物浓度低5产率产率使用浓缩的培养基和较小的固使用浓缩的培养基和较小的固体发酵生物反应器,产率高体发酵生物反应器,产率高使用稀释的培养基和较大体积的生使用稀释的培养基和较大体积的生物反应器,产率低物反应器,产率低6营养扩营养扩散散微生物生长受营养扩散的限制微生物生长受营养扩散的限制不受营养扩散问题的影响不受营养扩散问题的影响7散热散热有效去除代谢热困难,易出现有效去除代谢热困难,易出现过热的问题过热的问题高水含量使发酵温度控制容易,发高水含量使发酵温度控制容易,发酵设备庞大酵设备庞大序表序序号号项项 目目固态发酵固态发酵液态发酵液态发酵8过程过程控制控制缺乏有效的在线测量手段,过程缺乏有效
5、的在线测量手段,过程控制比较困难控制比较困难许多在线传感器的成熟,可以实现许多在线传感器的成熟,可以实现发酵过程控制发酵过程控制9产物产物提取提取由于产物浓度高,提取工艺简单,由于产物浓度高,提取工艺简单,没有大量的有机废水没有大量的有机废水要去除大量的有机废水,分离设备要去除大量的有机废水,分离设备的体积大,费用高的体积大,费用高10能量能量消耗消耗糖化和发酵同时进行,简化操作糖化和发酵同时进行,简化操作工序,节能工序,节能一般发酵原料需要复杂的加工,消一般发酵原料需要复杂的加工,消耗能量大耗能量大11发酵发酵范围范围固体培养基的水活度在固体培养基的水活度在0.990.99以下,以下,适宜于
6、在适宜于在0.930.980.930.98的微生物生的微生物生长,限制了应用范围,同时也限长,限制了应用范围,同时也限制杂菌生长制杂菌生长适用于大多数微生物生长适用于大多数微生物生长12热热驱除驱除代谢热驱除比较困难,主要依靠代谢热驱除比较困难,主要依靠通气蒸发冷却,易造成局部缺水通气蒸发冷却,易造成局部缺水通过冷却水控制,不存在通气造成通过冷却水控制,不存在通气造成水分缺乏水分缺乏13环境环境模拟自然生长环境,使微生物保模拟自然生长环境,使微生物保持与自然界相似的生长状态;微持与自然界相似的生长状态;微生物是在接近于自然状态下生长,生物是在接近于自然状态下生长,有可能产生一些通常液体发酵中有
7、可能产生一些通常液体发酵中不产生的酶和其他代谢产物不产生的酶和其他代谢产物在人工液体培养基中均匀生长在人工液体培养基中均匀生长第二节第二节 固态发酵的分类固态发酵的分类一、传统固态发酵与现代固态发酵一、传统固态发酵与现代固态发酵现代固态发酵现代固态发酵传统固态发酵传统固态发酵在密闭容器的固态发酵反应器中进行在极为简单的发酵容器中或敞口式容器中进行采用单一菌株纯种或限定菌株混合发酵基本是自然富集发酵或强化菌种发酵扩大了固态发酵的应用范围限于传统食品的生产增加了操作能耗,设备投资大操作能耗低,设备投资小,劳动强度大需要无菌处理发酵原料可直接利用粮食和纤维原料,价格低廉适宜于分离纯化高附加值产品一般
8、产品后处理简单,可直接烘干二、固态发酵的形式二、固态发酵的形式1.按微生物的情况和形成的产品条件分类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。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茵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。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
9、染条件下进行的固态发酵过程。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。2.按固态发酵固相的性质分类按固态发酵固相的性质分类(1)同体底物基质固态发酵利用的培养基是既充当固相,又为微生物生长提供营养的初级农作物产物。如麸皮、马铃薯、谷子、豆饼以及其他含淀粉和纤维素的农作物产品。(2)固态发酵采用的固体是惰性载体,载体可以是天然的,也可以是人工分成的。载体材料有大麻、珍珠岩、聚氨酯泡沫体、蔗糖渣和聚苯乙烯等。back第三节第三节 固态发酵反应器固态发酵反应器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
10、养盒式、倾斜接种盒式、浅盘式、传送带式、圆柱式、混合式 以基质的运动情况可分为两类: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。无论何种形式的固态发酵反应器,都必须考虑以下问题:接种技术 灭菌方式 发酵基质的特性 供气手段 参数的测量和控制 取样分析技术 结构简单,操作方便一、静态固态发酵反应器与动态固态发酵反应器一、静态固态发酵反应器与动态固态发酵反应器1.静态固态发酵反应器优点:系统简单,廉价,操作方便;克服固态发酵无法用摇瓶法作大量基础研究的缺点,同时可作多条件的平行实验并且温度、湿度等条件均一;系统易灭菌。缺点:无法准确控制气
11、体和物料的湿度,只能供饱和湿空气;无法取样分析;放大过程中难以消除床径扩大的影响。完善的固态发酵供气、保温、控温系统应有以下特点:测量并控制进气组成、湿度及温度;测量尾气组成并反馈调节进气组成、湿度和温度;在较大规模应用时采用循环供气;完善的气体过滤设备。静态固态发酵反应器静态固态发酵反应器 2.动态固态发酵反应器(1)转鼓式 基本形式是将一个圆柱形(鼓形)容器支架在一个转动系统上,转动系统主要起支撑及提供动力这两种作用。(2)带机械搅拌的筒柱式 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(3)搅拌
12、运动的盘式固态发酵反应器 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。本系统易于放大动态固态发酵反应器类型及优缺点动态固态发酵反应器类型及优缺点二、实验室固态发酵反应器、中试固态发酵反应器与二、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工业级固态发酵反应器第一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。三、固态发酵研究取得的主要进展三、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2.从经验发酵到控制
13、发酵3.从浅盘式发酵到机械化发酵4.从固态单菌发酵到固态混合发酵5.从堆积发酵到流化态发酵6.从上游过程和下游过程分别操作到组合操作back第四节第四节 固态发酵的应用固态发酵的应用一、固态发酵的产品一、固态发酵的产品1.有机酸有机酸是羧酸(RCOOH)、磺酸(RSO2OH)、亚磺酸(RSOOH)、硫代羧酸(RCOSH)等的总称。乳酸、柠檬酸 2.生物活性物质生物活性物质所谓生物活性物质就是微生物在代谢活动过程中所产生的次级代谢产物。抗生素、霉菌素、细菌内毒素、植物生长素、免疫类药物、生物碱等 3.风味化合物风味化合物风味化合物是指具有芳香味的物质。吡嗪是杂环化合物、拥有坚果、烧烤风味,可作食
14、品添加剂,烷基吡嗪经常在食品中见到。4.其他生物产品生物表面活性剂、麸酸胺、色素、维生素、类胡萝卜素、黄原胶等 二、固态发酵技术在资源环境中的应用研究二、固态发酵技术在资源环境中的应用研究1.生物燃料用工农业残渣固态发酵生产生物燃料主要为乙醇,即酒精。淀粉底物有:高粱、土豆、麦粉、玉米粉、可溶性淀粉等 2.生物农药 苏云金芽抱杆菌(简称Bt)3.生物转化 利用微生物转化农作物及其废渣 生物转化利用的菌株常为白腐菌 4.生物解毒5.生物修复 生物修复是利用微生物及其代谢过程(其产物消除或在体内富集有毒物质)来修复被人类长期生活和生产所污染和破坏的局部环境,使之重现生机的过程。back第五节第五节
15、 固态发酵发展趋势和应用前景固态发酵发展趋势和应用前景固态发酵近几年在有机酸、酒精、生物活性物质、风味物质及其他类化合物领域的研究得到迅速发展及应用,但均处在实验室研究阶段。固态发酵是解决当前人类所面临的“三大”危机的一个有效手段。现代固态发酵技术可以将许多工农业残渣、城市生活垃圾进行降解、修复、转化为对人们有益或无害的物质。固态发酵难以实现工业化大规模生产的原因有:通风散热困难;易染茵;基质利用率低;缺少固态发酵反应器设计和放大的统一标准;缺少完善的传质、传热数学模型;检测手段不完备等。back第六节第六节 固态发酵的典型实例固态发酵的典型实例白酒白酒一、白酒的发酵机理一、白酒的发酵机理其主
16、要产物是乙醇,还含有占总量其主要产物是乙醇,还含有占总量2%2%左右的其他香味左右的其他香味物质。物质。白酒中的香味物质主要是醇类、酯类、醛类、酮类、白酒中的香味物质主要是醇类、酯类、醛类、酮类、芳香族化合物等物质。芳香族化合物等物质。白酒物质的产生过程:白酒物质的产生过程:淀粉淀粉糖糖乙醇乙醇 蛋白质蛋白质氨基酸氨基酸醇、醛、酮等物质醇、醛、酮等物质二、浓香型大曲酒的生产工艺的特点二、浓香型大曲酒的生产工艺的特点 我国白酒采用固态发酵和固态蒸馏的传统操作我国白酒采用固态发酵和固态蒸馏的传统操作主要特点如下:主要特点如下:(1 1)双边发酵)双边发酵 白酒发酵过程中糖化和发酵同时进行。酿酒生产
17、中采白酒发酵过程中糖化和发酵同时进行。酿酒生产中采用用“低温入窖、缓慢发酵低温入窖、缓慢发酵”的操作工艺。的操作工艺。(2 2)续糟发酵)续糟发酵 采用续糟发酵的优点:采用续糟发酵的优点:第一、调整入窖淀粉和酸度,利于发酵;第一、调整入窖淀粉和酸度,利于发酵;第二、酒糟经过长期反复发酵,积累了大量可供微第二、酒糟经过长期反复发酵,积累了大量可供微生物营养和产生香味物质的前提物质,利于白酒品生物营养和产生香味物质的前提物质,利于白酒品质的改善;质的改善;第三、反复发酵过程中淀粉被充分利用,有利于提第三、反复发酵过程中淀粉被充分利用,有利于提高出酒率。高出酒率。(3 3)甑桶蒸馏)甑桶蒸馏 蒸馏是
18、将发酵后的酒糟装入传统的甑桶中,蒸出的蒸馏是将发酵后的酒糟装入传统的甑桶中,蒸出的白酒品质较好,这种蒸馏方式,不仅是白酒品质较好,这种蒸馏方式,不仅是浓缩分离酒浓缩分离酒精精的过程,而且是香味的的过程,而且是香味的提取和重新组合提取和重新组合的过程。的过程。(4 4)多菌种发酵)多菌种发酵 固态发酵白酒的生产,在整个生产过程中都是开放固态发酵白酒的生产,在整个生产过程中都是开放式操作,除原料蒸煮过程中起到灭菌作用外,空气、式操作,除原料蒸煮过程中起到灭菌作用外,空气、水、窖池和场地等各种渠道多能把大量的、多种多水、窖池和场地等各种渠道多能把大量的、多种多样的微生物带入到料醅中,与曲中的有益微生
19、物协样的微生物带入到料醅中,与曲中的有益微生物协同作用,产生出丰富的香味物质。同作用,产生出丰富的香味物质。因此,固态发酵是因此,固态发酵是多菌种混合发酵多菌种混合发酵。(5 5)界面复杂)界面复杂 白酒发酵时,窖内的气相、也想、固相三种状态同白酒发酵时,窖内的气相、也想、固相三种状态同时存在(气相比例极少),界面关系复杂且不稳定,时存在(气相比例极少),界面关系复杂且不稳定,这个条件有利支配着微生物的繁殖与新陈代谢,形这个条件有利支配着微生物的繁殖与新陈代谢,形成白酒特有的芳香。成白酒特有的芳香。三、浓香型大曲酒的酿酒工艺三、浓香型大曲酒的酿酒工艺浓香型曲酒各名酒厂的生产原理相同,采用泥窖、
20、固浓香型曲酒各名酒厂的生产原理相同,采用泥窖、固体发酵、续糟混蒸等工艺。体发酵、续糟混蒸等工艺。但在粮糟配比、续糟方法上有不同之处,大致可分为:但在粮糟配比、续糟方法上有不同之处,大致可分为:跑窖工艺法跑窖工艺法、本窖工艺本窖工艺和和老五甑工艺法老五甑工艺法。四、五粮液酿酒工艺四、五粮液酿酒工艺(一)(一)酿酒工艺流程酿酒工艺流程(二)原料配比(二)原料配比酿制五粮液的原料配比为:酿制五粮液的原料配比为:品名品名高粱高粱大米大米糯米糯米小麦小麦玉米玉米配方配方36%36%22%22%18%18%16%16%8%8%(三)粉碎(三)粉碎 要求:要求:高粱、大米、糯米、小麦的粉碎度为高粱、大米、糯
21、米、小麦的粉碎度为4 4、6 6、8 8瓣,无瓣,无整粒混入。整粒混入。玉米的粉碎颗粒相当于前四种,五大于玉米的粉碎颗粒相当于前四种,五大于1/41/4厘的混入。厘的混入。(四)蒸糠(四)蒸糠糠壳是酿酒中采用的优良填充剂,也是调整酸度、糠壳是酿酒中采用的优良填充剂,也是调整酸度、水分和淀粉含量的最佳材料,但康克中含有果胶质水分和淀粉含量的最佳材料,但康克中含有果胶质(0.4%0.4%)和多缩戊糖()和多缩戊糖(16.9%16.9%)等,在发酵和蒸煮过)等,在发酵和蒸煮过程中能生成甲醇和糠醛等物质。程中能生成甲醇和糠醛等物质。所以,在酿酒工艺上规定蒸糠的时间不得低于所以,在酿酒工艺上规定蒸糠的时
22、间不得低于3030分分钟,并且提前蒸糠,拌料时必须使用熟糠。钟,并且提前蒸糠,拌料时必须使用熟糠。(五)开窖(五)开窖发酵期满的窖应去掉封泥,取糟蒸酒。发酵期满的窖应去掉封泥,取糟蒸酒。粮糟窖的发酵期为粮糟窖的发酵期为7070天天(六)配料、拌和、润粮(六)配料、拌和、润粮 配料前,必须根据母糟、黄水鉴定情况准确配料。如配料前,必须根据母糟、黄水鉴定情况准确配料。如上层母糟干要打入润粮水;上层母糟干要打入润粮水;金黄色母糟是由于糠大水大造成的,就要减糠减水;金黄色母糟是由于糠大水大造成的,就要减糠减水;母糟残存淀粉过高就要减少投粮;母糟残糖高就要注母糟残存淀粉过高就要减少投粮;母糟残糖高就要注
23、意打量水操作等等。意打量水操作等等。操作要点:三准确、两均匀操作要点:三准确、两均匀 配粮要准确:根据冷热季投粮标准和母糟含残淀粉量配粮要准确:根据冷热季投粮标准和母糟含残淀粉量配粮,冷季:配粮,冷季:20-22%20-22%,热季,热季18-22%18-22%。配糟要准确:根据甑的大小、起母糟量每甑应基本一配糟要准确:根据甑的大小、起母糟量每甑应基本一致,出入控制在致,出入控制在3%3%以内。以内。配糠要准确:按工艺标准:粮糠比为配糠要准确:按工艺标准:粮糠比为23-27%23-27%,假如熟,假如熟(冷)糠,使粮糟疏松不糙。(冷)糠,使粮糟疏松不糙。拌粮要均匀:拌和粮粉时,必须做到无拌粮要
24、均匀:拌和粮粉时,必须做到无“灰包、疙瘩、灰包、疙瘩、白杆白杆”出现,充分拌和均匀。出现,充分拌和均匀。拌糠要均匀:(同拌粮标准)不能使用生糠、热糠拌拌糠要均匀:(同拌粮标准)不能使用生糠、热糠拌料。红糟、面糟用糠量视糟醅情况确定,尽量少用。料。红糟、面糟用糠量视糟醅情况确定,尽量少用。粮粉与糠不能同时倒入。拌和时要快翻快拌,次数粮粉与糠不能同时倒入。拌和时要快翻快拌,次数不可过多,时间不可过长。不可过多,时间不可过长。(七)上甑(七)上甑上甑操作要点:上甑操作要点:上甑要平,穿汽要匀,探汽上甑,不准跑汽,轻撒匀上甑要平,穿汽要匀,探汽上甑,不准跑汽,轻撒匀铺,切忌重倒,甑内穿汽一致,严禁起堆
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