固态发酵技术-物质和热量.ppt

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”； “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 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。 固态类物质的传递现象主要包括： 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。 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。