固态发酵技术与过程控制.ppt

食品酿造机理食品酿造机理 与基本技术与基本技术酿造微生物酿造微生物 培养技术培养技术固态发酵技术固态发酵技术 与过程控制与过程控制食品酿造微生物食品酿造微生物 生化机制生化机制1固态发酵技术及过程控制固态发酵技术及过程控制2主要内容主要内容v一、一、固态发酵及其分类固态发酵及其分类v二、二、固态发酵技术固态发酵技术v三、三、固态发酵过程控制固态发酵过程控制3学习重点与要求：学习重点与要求：u了解：了解：食品发酵工业常用的固体发酵技食品发酵工业常用的固体发酵技术及设备。术及设备。u理解掌握：理解掌握：固态发酵定义及分类；典型固态发酵定义及分类；典型的固态发酵技术及其过程控制。的固态发酵技术及其过程控制。注意：注意：微生物学、酿造学、发酵工程等学科间知识的灵活应用。微生物学、酿造学、发酵工程等学科间知识的灵活应用。4一、一、固态发酵及其分类固态发酵及其分类1.固态发酵定义固态发酵定义固体基质发酵范围固体基质发酵范围:固态发酵和固体悬浮物的液固态发酵和固体悬浮物的液体深层发酵体深层发酵固态发酵固态发酵:在没有或几乎没有自由水的存在而具在没有或几乎没有自由水的存在而具有一定湿度的水不溶性固态基质中，利用一种或多有一定湿度的水不溶性固态基质中，利用一种或多种微生物的作用完成的一个生化反应过程。种微生物的作用完成的一个生化反应过程。5葡萄酒发酵葡萄酒发酵黄酒发酵黄酒发酵金针菇固态发酵金针菇固态发酵白酒固态发酵白酒固态发酵62.2.固态发酵分类固态发酵分类v自然富集固态发酵自然富集固态发酵v强化微生物混合固态发酵强化微生物混合固态发酵v限定微生物混合固态发酵限定微生物混合固态发酵v单菌固态纯种微生物发酵单菌固态纯种微生物发酵7酱豆发酵酱豆发酵生香曲用于粱醅发酵生香曲用于粱醅发酵8增香曲固态发酵增香曲固态发酵红曲米发酵红曲米发酵93.3.固态发酵的发展趋势和应用前景固态发酵的发展趋势和应用前景v现状现状:技术含量低技术含量低,发酵方式落后发酵方式落后,工业化大规模生产工业化大规模生产难以实现难以实现v应用前景应用前景:克服自身特点克服自身特点,应用具有巨大潜力。应用具有巨大潜力。固态发酵被认为是可再生性资源综合利用最有希望的途径。固态发酵被认为是可再生性资源综合利用最有希望的途径。10二、固态发酵技术二、固态发酵技术发酵技术可分为发酵技术可分为:v静态密闭式固态发酵技术静态密闭式固态发酵技术v动态密闭式固态发酵技术动态密闭式固态发酵技术v吸附载体固态发酵技术吸附载体固态发酵技术v气相双动态固态纯种发酵技术气相双动态固态纯种发酵技术111.1.混合固态发酵混合固态发酵(1)混合固态发酵混合固态发酵依靠两种或多种微生物的共同作用来完依靠两种或多种微生物的共同作用来完成的固态发酵。成的固态发酵。(2)分类分类v自然富集固态发酵自然富集固态发酵v强化微生物混合固态发酵强化微生物混合固态发酵v限定微生物混合固态发酵限定微生物混合固态发酵12(3)(3)工艺特点工艺特点v实现实现“三少一多三少一多”v获得获得“风味独特的产品风味独特的产品”v代替基因工程菌，完成多种代谢反应代替基因工程菌，完成多种代谢反应13（4 4）存在问题）存在问题v混菌体系相互关系、作用机制等研究不够深混菌体系相互关系、作用机制等研究不够深入：入：v生物工程技术引入：生物工程技术引入：固定化细胞技术固定混合菌固定化细胞技术固定混合菌构建工程菌构建工程菌142.静态密闭式固态发酵技术静态密闭式固态发酵技术v发酵方式发酵方式托盘式发酵托盘式发酵填充床式发酵填充床式发酵v工艺控制工艺控制温度控制温度控制水分控制水分控制15托盘式固态发酵反应器托盘式固态发酵反应器16富硒黑大蒜固态发酵富硒黑大蒜固态发酵17填充柱式固态反应器填充柱式固态反应器微生物和基质填充在一个微生物和基质填充在一个有玻璃夹套的罐内，底部不断有玻璃夹套的罐内，底部不断的通入湿空气。的通入湿空气。18193.动态密闭式固态发酵技术动态密闭式固态发酵技术培养基处于间歇或连续的搅拌状态培养基处于间歇或连续的搅拌状态（1）发酵方式）发酵方式v转鼓式转鼓式v搅拌式搅拌式v气固流化床式气固流化床式2021固态搅拌式发酵罐固态搅拌式发酵罐液态搅拌式发酵罐液态搅拌式发酵罐22流化床反应器流化床反应器23（2）搅拌的控制作用）搅拌的控制作用v方式方式间歇或连续间歇或连续v作用作用提供反应器内部环境的一致性。提供反应器内部环境的一致性。有助于发酵过程中添加物的均匀分配。有助于发酵过程中添加物的均匀分配。对固体基质有不同作用，可阻止或加速对固体基质有不同作用，可阻止或加速结块为颗粒空间提供新鲜空气。结块为颗粒空间提供新鲜空气。244.吸附载体固态发酵技术吸附载体固态发酵技术（1 1）定义）定义以天然或人工合成的多孔性材料为固体以天然或人工合成的多孔性材料为固体基质作为微生物的载体，营养成分可以严格基质作为微生物的载体，营养成分可以严格控制，发酵结束，只需将菌体和培养液挤压控制，发酵结束，只需将菌体和培养液挤压出来进行抽提，载体可重复使用。出来进行抽提，载体可重复使用。25（2 2）吸附载体固态发酵方式）吸附载体固态发酵方式26吸附载体固态发酵吸附载体固态发酵种子罐种子罐接种管接种管无菌空气雾化器无菌空气雾化器风机风机反应器反应器多孔吸附载体筒多孔吸附载体筒盖门盖门排气口排气口27吸附载体固态发酵的步骤吸附载体固态发酵的步骤v 将多孔吸附载体容置在发酵容器内，并在多孔吸将多孔吸附载体容置在发酵容器内，并在多孔吸附载体上按固液体积比为附载体上按固液体积比为.吸附可溶吸附可溶性培养基；性培养基；v 在多孔吸附载体中接种发酵菌，发酵菌的重量为在多孔吸附载体中接种发酵菌，发酵菌的重量为培养基的重量的；培养基的重量的；v 控制多孔载体内的温度控制多孔载体内的温度，湿度，湿度，进行发酵；，进行发酵；v 发酵结束后，进入分离纯化步骤。发酵结束后，进入分离纯化步骤。28v吸水性：吸水性：发酵过程中缓慢释放部分水，维发酵过程中缓慢释放部分水，维持水分活度。（最大吸水率）持水分活度。（最大吸水率）v耐受剪切力情况：耐受剪切力情况：承受搅拌过程的剪切力，承受搅拌过程的剪切力，保护菌丝体。保护菌丝体。v耐热性：耐热性：耐受灭菌时的蒸汽热。耐受灭菌时的蒸汽热。v多孔结构：多孔结构：足够大的表面积，保证空气流足够大的表面积，保证空气流通。通。（3 3）载体的选择）载体的选择29(4)(4)吸附载体固态发酵优点吸附载体固态发酵优点v提高了发酵环境的均匀性提高了发酵环境的均匀性v促进了氧的传递促进了氧的传递v提供了相对静止的发酵环境提供了相对静止的发酵环境30(5)(5)应用前景应用前景v优点优点:利于发酵过程中微生物生理及动力学研究；利于发酵过程中微生物生理及动力学研究；助于固态发酵的过程控制；提高固态发酵效助于固态发酵的过程控制；提高固态发酵效率。率。v缺点缺点自动化程度低，搅拌困难。自动化程度低，搅拌困难。31三、固态发酵过程的控制三、固态发酵过程的控制v发酵微生物的选择与培养发酵微生物的选择与培养v基质原料的影响基质原料的影响v主要影响参数控制主要影响参数控制321.1.发酵微生物的选择与培养发酵微生物的选择与培养（1 1）适合固态发酵微生物）适合固态发酵微生物细菌细菌酵母菌酵母菌丝状真菌丝状真菌可溶性营养基质生长良好可溶性营养基质生长良好霉菌霉菌放线菌放线菌固态营养基质中生长良好固态营养基质中生长良好固态碳源固态碳源不可溶，不可溶，故不宜固故不宜固态发酵态发酵丝状真菌丝状真菌具有穿透具有穿透作用作用固态发固态发酵最佳酵最佳微生物微生物33（2）界面作用）界面作用v营养物在界面上的富集营养物在界面上的富集v界面分布微生物界面分布微生物v丝状微生物的生长丝状微生物的生长v细菌和酵母菌的生长细菌和酵母菌的生长34固相固相气相气相界面界面-+蛋白质蛋白质多糖多糖营养物在界面上的富集营养物在界面上的富集被微生物生长利用被微生物生长利用霉菌和霉菌和酵母菌酵母菌研究界面反应、研究界面反应、生物反应机理生物反应机理是当今世界上是当今世界上研究固态发酵研究固态发酵的主要趋势的主要趋势35丝状微生物的生长丝状微生物的生长362.2.固态发酵基质原料固态发酵基质原料v种类种类农副产品、农副产品废弃物农副产品、农副产品废弃物v影响微生物生长的因素影响微生物生长的因素固态基质大分子结构：固态基质大分子结构：提供营养、惰性载体提供营养、惰性载体 颗粒大小：颗粒大小：小颗粒提供较大表面积，提供反应速率；大小颗粒提供较大表面积，提供反应速率；大颗粒提供较大空隙利于传热传质。颗粒提供较大空隙利于传热传质。颗粒形状：颗粒形状：影响比表面积和气体扩散。影响比表面积和气体扩散。颗粒多孔性：颗粒多孔性：空隙限制微生物的生长和酶的扩散。空隙限制微生物的生长和酶的扩散。373.3.主要影响参数控制主要影响参数控制（1）湿度与水活度）湿度与水活度W=（物料湿重（物料湿重-物料干重）物料干重）/物料物料湿重湿重aw=p/pa细菌细菌0.900.990.800.90多数酵母多数酵母0.600.70丝状真菌和少数酵母丝状真菌和少数酵母38（2 2）温度与热量）温度与热量v热量的传递热量的传递颗粒颗粒OOOOO颗粒颗粒OOOOOOOOOOOOO传热问题是固态发酵过程中的最大障碍！传热问题是固态发酵过程中的最大障碍！蒸发散热蒸发散热和和强制通风强制通风是固态发酵控温的主要措施！是固态发酵控温的主要措施！39（3 3）通气与传质）通气与传质氧的传递途径：氧的传递途径：v气体与固体颗粒间的传递气体与固体颗粒间的传递v颗粒内氧的传递颗粒内氧的传递v氧气从气相主体到微生物的传递氧气从气相主体到微生物的传递搅拌搅拌和和强制通风强制通风是固态发酵促进氧传递的主要手段！是固态发酵促进氧传递的主要手段！40（4 4）pHpH值值 固态发酵系统固态发酵系统pHpH值难以控制，常用物料加值难以控制，常用物料加水混匀，用水混匀，用pHpH探头之间测定。探头之间测定。41作业作业总结本节主要概念（总结本节主要概念（固态发酵、自然富集固态固态发酵、自然富集固态发酵发酵强化微生物混合固态发酵、限定微生物混合强化微生物混合固态发酵、限定微生物混合固态发酵、混合固态发酵、吸附载体固态发酵）固态发酵、混合固态发酵、吸附载体固态发酵）及固及固态发酵过程控制。态发酵过程控制。预习饮料酒生产工艺中的预习饮料酒生产工艺中的“黄酒生产黄酒生产”内容。内容。42