固态发酵技术物质和热量课件.ppt

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1、5.1 概述概述 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。发生物质的传递和转化。 固态发酵所涉及的物质，简化为：固态发酵所涉及的物质，简化为： 微生物菌体微生物菌体 培养基质（碳源和氮源等）培养基质（碳源和氮源等） 代谢产物；代谢产物； 气体（氧气和二氧化碳）气体（氧气和二氧化碳） 水水 培养基成分是逐渐分解、溶解和被利用，不能完全溶于水中。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大型固态发酵罐设计及放大的最大

2、难题是如何去除代谢热。除代谢热。 物质传递与热量的传递相互关联。最为典型的是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，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。以汽化热的形式去除。 通过发酵罐壁的传热效率较差（固通过发酵罐壁的传热效率较差（固-气气-固）固） 因此必须掌握热量传递方面的规律，建立合适的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。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固态发酵物料的特性

3、5.2.1 5.2.1 物料层和顶空层物料的宏观分析物料层和顶空层物料的宏观分析 5.2.2 5.2.2 物料层的微观分析物料层的微观分析 5.2.3 5.2.3 固态发酵物料的非均质性固态发酵物料的非均质性 5.2.4 5.2.4 固态发酵过程中的物质传递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物料层和顶空层物料的宏观分析宏观分析 固态发酵反应器内的物料，由气体（气相）和培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。养物料（固相，包括含结合水的固相）组成。 反应器内的物料层（反应器内的物料层（fermentation bedferment

4、ation bed），是微），是微生物接种后发酵培养物的俗称。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。解并利用基质产生酶和代谢产物。 关于物料层的两种观点：关于物料层的两种观点： “ “拟均质相拟均质相”； “ “二相二相”体系。体系。 “拟均质相拟均质相”（pseudo-homogeneous pseudo-homogeneous phasephase）：）： 即物料颗粒和颗粒间的气相到达到平衡状态时，即物

5、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。内的物质是顶空层和物料层之间的交换。 “顶空层顶空层” ” （headspaceheadspace），），是固态发酵反应是固态发酵反应器（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；体所占据的空间区域称为顶空层； 物层料的物层料的“二相二相”体系：体系： 物料层由含菌体的物料颗粒（固相）和颗物料层由含菌

6、体的物料颗粒（固相）和颗粒间隙中的气体（气相）这二相组成。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物料层中的固态物料颗粒和气相间发生物质交换和传递。质交换和传递。 外部进入的空气和颗粒间的气体发生物质外部进入的空气和颗粒间的气体发生物质和热量的交换。和热量的交换。5.2.2 物料层的微观分析物料层的微观分析 从微观上来，物料层的组成是：从微观上来，物料层的组成是： 物料基质、物料基质、 微生物、微生物、 物料颗粒间隙的空间；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。有气体，以空气和水

7、蒸汽为主。反应器内物料及热量的宏观和微观分析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。度、基质浓度和产物浓度的分布不均匀。 生长于固态物料中

8、的微生物，基本上是处于静止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。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（或溶解）在液相中；物质浓度的变化与时间有关，与其

9、所处的空间位置无关。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，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（径向距离和轴向距也与空间位置有关（径向距离和轴向距离）。即存在浓度梯度。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。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固态发酵过程中的物质传递 气体类物质的传递

10、气体类物质的传递 固态类物质的传递固态类物质的传递 液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：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；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；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；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浸没在液相环境中的菌丝吸收氧气并释放出二氧化碳；化碳； 氧气通过一系列的过程传递到微生物细胞。氧气通过一系列的过程

11、传递到微生物细胞。固态类物质的传递现象主要包括：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、葡的各种物质（淀粉、蛋白质、氨基酸、葡萄糖等）。萄糖等）。 物质的溶解：固态发酵过程中各类大分子物质的溶解：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

12、成复杂的物质传递质相互关联和作用，形成复杂的物质传递链。链。 菌体的生长及酶的分泌：微生物摄取小分子的营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。水解酶；酶在基质中的扩散。 酶对大分子物质的水解作用，产生小分子水解产酶对大分子物质的水解作用，产生小分子水解产物。物。 小分子水解产物在物料颗粒内的扩散。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。营养物在基质内的扩散及被微生

13、物吸收利用。 代谢产物的释放及扩散。代谢产物的释放及扩散。固态类物质的传递现象主要包括：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：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。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固态物质和气态物质都要溶解于水中才能进行传递。行传递。 水分自身不断地产生和被消耗，并在反应器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。内的固相和气相之间进行传递。 水分传递的方式：水分传递的方式： 微生物的生长或维持等代谢活动释放代微生物的生长或维持等代

14、谢活动释放代谢水分；谢水分； 新细胞吸收利用水；新细胞吸收利用水； 在物料颗粒内水的扩散；在物料颗粒内水的扩散； 在颗粒表面水膜上水的蒸发；在颗粒表面水膜上水的蒸发； 在静态气相层中水汽的扩散；在静态气相层中水汽的扩散； 气相中的水汽凝结成液态水（附着于罐气相中的水汽凝结成液态水（附着于罐壁或固态基质中）。壁或固态基质中）。5.3 固态发酵过程氧的传递固态发酵过程氧的传递 固态发酵反应器通风方式有两种：固态发酵反应器通风方式有两种： 强制通风：即空气主体穿过物料层主体（从物料强制通风：即空气主体穿过物料层主体（从物料层的下方通入，上方排出，或方向相反）；强制层的下方通入，上方排出，或方向相反）

15、；强制通风时空气应具有一定的压力。通风时空气应具有一定的压力。 非强制通风：即空气主体与物料主体大致分属于非强制通风：即空气主体与物料主体大致分属于两个不同区域。两个不同区域。 如浅盘式发酵，气体通过自然扩散与固相物料接如浅盘式发酵，气体通过自然扩散与固相物料接触；而卧式转鼓式反应器，空气从反应器的一端触；而卧式转鼓式反应器，空气从反应器的一端的顶空层进入，当物料层在转鼓内运动（运动方的顶空层进入，当物料层在转鼓内运动（运动方式有多种）时，一部分物料与顶空层的部分气体式有多种）时，一部分物料与顶空层的部分气体接触而发生气体物质的交换。接触而发生气体物质的交换。5.3.1 液态和固态发酵氧传递的

16、区别液态和固态发酵氧传递的区别5.3.2 湿菌体层模型湿菌体层模型 OnstraOnstra等通过实验研究了葡萄糖和淀粉培等通过实验研究了葡萄糖和淀粉培养基上固态培养根霉时，颗粒内的氧传递养基上固态培养根霉时，颗粒内的氧传递及氧气扩散限制问题。提出了固态发酵湿及氧气扩散限制问题。提出了固态发酵湿菌体层和基质的模型，见图菌体层和基质的模型，见图5-35-3。 固态发酵湿菌体层和基质的模型固态发酵湿菌体层和基质的模型 5.3.3 固态发酵氧传递过程固态发酵氧传递过程 氧气向物料层内的扩散速率是由物料层的传质特氧气向物料层内的扩散速率是由物料层的传质特性决定的。性决定的。 菌体在固体颗粒表面生长过程

17、中改变了物料层的菌体在固体颗粒表面生长过程中改变了物料层的多孔性，使物料层发生了收缩，影响氧气的扩散多孔性，使物料层发生了收缩，影响氧气的扩散速率；速率； 同时同时COCO2 2的反向扩散也使得氧气向内扩散变得更加的反向扩散也使得氧气向内扩散变得更加困难，这就是固态发酵中氧气传质的一大难点。困难，这就是固态发酵中氧气传质的一大难点。 由于氧气传质扩散阻力的存在，固体颗粒表面的由于氧气传质扩散阻力的存在，固体颗粒表面的氧气很难传递到颗粒内部，使物料颗粒内部缺氧。氧气很难传递到颗粒内部，使物料颗粒内部缺氧。 微观角度考察氧气在物料层中的传递：微观角度考察氧气在物料层中的传递： 按物料层的二相理论，

18、物料层由物料颗粒及颗粒按物料层的二相理论，物料层由物料颗粒及颗粒间隙的气体所组成。物料颗粒是含基质、菌体层、间隙的气体所组成。物料颗粒是含基质、菌体层、水膜、气膜的复杂结构，氧气从气相主体到物料水膜、气膜的复杂结构，氧气从气相主体到物料颗粒内部的具体传递过程可用图颗粒内部的具体传递过程可用图5-65-6表示。表示。 图图5-6 固态发酵氧传递过程固态发酵氧传递过程(当物料层被分为气相和当物料层被分为气相和固体颗粒相时固体颗粒相时) O2 固态基质颗粒固态基质颗粒 湿菌体层（水膜）湿菌体层（水膜） 静止的空气层静止的空气层CO2 （1 1）氧从气相主体中向物料颗粒空隙的传）氧从气相主体中向物料颗

19、粒空隙的传递，即通风时，新鲜的空气穿过固态物料递，即通风时，新鲜的空气穿过固态物料层，和固态物料颗粒间隙的气体置换和交层，和固态物料颗粒间隙的气体置换和交换，传质速度与物料堆积的紧密程度有关，换，传质速度与物料堆积的紧密程度有关，与颗粒的大小及孔隙率有关；与颗粒的大小及孔隙率有关； （2 2）氧在颗粒间隙空间内的扩散；）氧在颗粒间隙空间内的扩散； （3 3）在某些情况下，暴露于空气中的菌丝）在某些情况下，暴露于空气中的菌丝体可直接从空气中吸收氧气；但大多数情体可直接从空气中吸收氧气；但大多数情况菌丝体需从液体中吸收氧况菌丝体需从液体中吸收氧 （4 4）氧从物料颗粒间隙的气相主体向物料表面气）氧

20、从物料颗粒间隙的气相主体向物料表面气膜的转移；膜的转移； （5 5）气体通过颗粒表面的气膜向气）气体通过颗粒表面的气膜向气- -液界面的扩液界面的扩散；固态发酵物料的颗粒小，单位体积的物料的散；固态发酵物料的颗粒小，单位体积的物料的表面积大，气表面积大，气- -液界面积大，传氧速率较高；液界面积大，传氧速率较高； （6 6）氧气穿过气）氧气穿过气- -液界面进入水膜，并在水膜中液界面进入水膜，并在水膜中的扩散，水膜也是菌丝体密集所在地；的扩散，水膜也是菌丝体密集所在地； （7 7）水膜中的溶解氧被微生物利用；）水膜中的溶解氧被微生物利用； 5.3.4 固态发酵氧传递的限速步骤固态发酵氧传递的限

21、速步骤 一种观点：固态发酵过程中，氧的传递不受限制；一种观点：固态发酵过程中，氧的传递不受限制； 另一种观点：氧传递限速步骤在于界面：界面有气另一种观点：氧传递限速步骤在于界面：界面有气- -液界面、和固液界面、和固- -菌体界面；也有人将菌体层和水膜菌体界面；也有人将菌体层和水膜视作一层生物膜，生物膜（湿菌体层），包括菌体视作一层生物膜，生物膜（湿菌体层），包括菌体及菌体层内所含有的水。及菌体层内所含有的水。 目前较为普遍接受的观点：氧从气目前较为普遍接受的观点：氧从气- -液界面进入到液界面进入到湿菌体层后在湿菌体中（水膜）的扩散步骤是限速湿菌体层后在湿菌体中（水膜）的扩散步骤是限速步骤；

22、湿菌体层的厚度和气步骤；湿菌体层的厚度和气- -液界面面积是固态发液界面面积是固态发酵传氧的关键参数。酵传氧的关键参数。 5.3.5 工程变量对固态发酵传氧的影响工程变量对固态发酵传氧的影响 理论上，影响菌体层中氧浓度的四个因素：理论上，影响菌体层中氧浓度的四个因素： （1 1）湿菌体层的厚度）湿菌体层的厚度L L； （2 2）湿菌体层的密度）湿菌体层的密度x x； （3 3）湿菌体层中菌丝体的比呼吸活力）湿菌体层中菌丝体的比呼吸活力q qo o； （4 4）在湿菌体层的氧气扩散系数）在湿菌体层的氧气扩散系数D De e。 有效扩散系数有效扩散系数D De e（m m2 2/s/s）除了和扩散

23、系数有关外，）除了和扩散系数有关外，还与孔隙率及物料孔隙的路径曲折因子有关。还与孔隙率及物料孔隙的路径曲折因子有关。5.3.6 摄氧速率摄氧速率 只考虑微生物生长摄氧及微生物维持时的只考虑微生物生长摄氧及微生物维持时的摄氧需求时，摄氧速率（摄氧需求时，摄氧速率（Oxygen uptake Oxygen uptake raterate，有时也称为耗氧速率，有时也称为耗氧速率，Oxygen Oxygen consumpotion rateconsumpotion rate）r rO O及比摄氧速率及比摄氧速率q qo o。 1OOXOdXrOURm XYdt=+OOX OqmYm=+5.4 水的传

24、递与物料平衡水的传递与物料平衡 水在固态发酵过程中的作用：水在固态发酵过程中的作用： 水为溶剂，溶于水中的营养物质，才能被微生水为溶剂，溶于水中的营养物质，才能被微生物利用；物利用； 水作为热熵值很高的介质，调节物料发酵温度。水作为热熵值很高的介质，调节物料发酵温度。 水分的增加或减少：水分的增加或减少： 菌体生长需要摄取一定的水分；菌体生长需要摄取一定的水分； 代谢过程中会产生或消耗水分；代谢过程中会产生或消耗水分； 淀粉的水解需要水分；淀粉的水解需要水分； 潮湿空气通过培养基时会带入水分。潮湿空气通过培养基时会带入水分。 蒸发散热是最主要的降温措施。但蒸发散热导致蒸发散热是最主要的降温措施

25、。但蒸发散热导致水分的损失，为保证微生物的正常生长，在培养水分的损失，为保证微生物的正常生长，在培养过程中必须在连续混匀物料时适时补水。过程中必须在连续混匀物料时适时补水。 5.4.1固态发酵过程中水的存在形式固态发酵过程中水的存在形式 在固态发酵的过程中，水的存在形式有：在固态发酵的过程中，水的存在形式有： 气相中的水汽、气相中的水汽、 液态自由水（物料颗粒表面的水膜或水液态自由水（物料颗粒表面的水膜或水滴、毛细管内的水、颗粒间隙中的水分）、滴、毛细管内的水、颗粒间隙中的水分）、 物料的结合水（物料的结合水（bound waterbound water）。）。 气相中的水汽，包括：气相中的水

26、汽，包括： 在顶空层气相中的水汽；在顶空层气相中的水汽； 颗粒间隙中气相中的水汽。颗粒间隙中气相中的水汽。结合水结合水 固态物料中的水分，大多以结合水的形式存在。固态物料中的水分，大多以结合水的形式存在。 自由水能被微生物利用，结合水则不能。结合水分为自由水能被微生物利用，结合水则不能。结合水分为 （1 1）化学结合水，基质中化合物的结晶水以及与某）化学结合水，基质中化合物的结晶水以及与某些化合物以氢键连结的水分；些化合物以氢键连结的水分； （2 2）物理结合水，被吸附在物料粒子外层的水分；）物理结合水，被吸附在物料粒子外层的水分； （3 3）溶液状态的水分：包括构成液态物料的水分以）溶液状态

27、的水分：包括构成液态物料的水分以及构成固态物料的生物细胞内溶液、细胞破裂后排出及构成固态物料的生物细胞内溶液、细胞破裂后排出或渗透出细胞外的溶液。或渗透出细胞外的溶液。 还有一种与生物大分子结合的组成型的水，还有一种与生物大分子结合的组成型的水，是非水组分物质的组成部分，这种类型的是非水组分物质的组成部分，这种类型的水含量很少，处于折叠成团的大分子的内水含量很少，处于折叠成团的大分子的内部深处，基本上不参与化学反应。部深处，基本上不参与化学反应。 从微生物利用水的角度来看，将水分为胞从微生物利用水的角度来看，将水分为胞内水分、胞外水分（即菌体之外的所有水内水分、胞外水分（即菌体之外的所有水分，

28、包括物料基质中的水分）。分，包括物料基质中的水分）。5.4.2 水活度和水分含量水活度和水分含量 5.4.2.1 5.4.2.1 水活度水活度 在固态发酵过程中，水活度比水分含量意义更大，因为水在固态发酵过程中，水活度比水分含量意义更大，因为水分活度反映了物料与水亲和能力的大小，表示物料中所含分活度反映了物料与水亲和能力的大小，表示物料中所含的水分作为生物化学反应和微生物生长的可利用价值。微的水分作为生物化学反应和微生物生长的可利用价值。微生物在固态基质上的生长取决于水活度，固态物料水分的生物在固态基质上的生长取决于水活度，固态物料水分的蒸发的驱动力是固态物料的水活度与饱和水活度之差。水蒸发的

29、驱动力是固态物料的水活度与饱和水活度之差。水活度活度a aw w被定义为：被定义为：f f溶剂的逸度（逸度是溶剂从溶液中逃脱的趋势）；溶剂的逸度（逸度是溶剂从溶液中逃脱的趋势）；f f0 0纯溶剂的逸度。纯溶剂的逸度。 0wfaf= 纯水的纯水的 a aw w=1=1，完全无水时，完全无水时a aw w=0=0。 水活度方面的研究大多集中在食品微生物方面水活度方面的研究大多集中在食品微生物方面（重点是防腐保鲜），（重点是防腐保鲜）， 在固态发酵方面，值得研究的内容：在固态发酵方面，值得研究的内容： 水活度对固态发酵中微生物生长的影响，水活度对固态发酵中微生物生长的影响， 水活度对生物大分子（如

30、酶）的存在形式，尤水活度对生物大分子（如酶）的存在形式，尤其是水活度对酶分子的活性中心及作用方式的影其是水活度对酶分子的活性中心及作用方式的影响，响， 水活度与培养基中水分含量的关系，水活度与培养基中水分含量的关系， 培养条件（如温度、湿度、压力、通风量和培培养条件（如温度、湿度、压力、通风量和培养基不同的成分等）对水活度的影响，水活度与养基不同的成分等）对水活度的影响，水活度与代谢的关系等还没有研究。代谢的关系等还没有研究。5.4.2.2 水分含量水分含量 固态发酵物料水分含量分湿基含水量和干基含水固态发酵物料水分含量分湿基含水量和干基含水量两种。计算时应注意基准。量两种。计算时应注意基准。

31、 湿基含水量（湿基含水量（kg/kgkg/kg）是以湿物料为计算基准：）是以湿物料为计算基准： （5-45-4） 干基含水量（干基含水量（kg/kgkg/kg）是以绝干物料为计算基准：）是以绝干物料为计算基准： （5-55-5）W =湿物料中水的质量湿物料干基质量+湿物料中水的质量W =湿 物 料 中 水 的 质 量湿 物 料 干 基 质 量5.4.2.3 水活度与基质水分含量的关系水活度与基质水分含量的关系 水分含量与水活度的关系并不是正比关系。水分含量与水活度的关系并不是正比关系。 其关系与温度及物料的性质有关。其关系与温度及物料的性质有关。 温度的影响：同一物料含水量相同时，温度越温度的

32、影响：同一物料含水量相同时，温度越高，则其水活度越大。这可从水活度的定义加以高，则其水活度越大。这可从水活度的定义加以解释。因为温度越高，水越易蒸发逃逸。解释。因为温度越高，水越易蒸发逃逸。 不同种类但水分含量相同的物料，水活度不一不同种类但水分含量相同的物料，水活度不一定相同。如未接种的物料和发酵过的物料的水活定相同。如未接种的物料和发酵过的物料的水活度会相差很大。度会相差很大。 溶质浓度不同的物料，水活度也不同。如葡萄溶质浓度不同的物料，水活度也不同。如葡萄糖浓度高会导致水活度的严重下降。糖浓度高会导致水活度的严重下降。 NagelNagel等提出了水活度和基质最初水分含量的对应等提出了水

33、活度和基质最初水分含量的对应关系，蒸汽灭过菌，物料温度为关系，蒸汽灭过菌，物料温度为3535的小麦粒的的小麦粒的水分含量与水活度的关系见计算式（水分含量与水活度的关系见计算式（5-65-6）。）。 式中式中X Xw w,w,wh h小麦基质最初水分含量，小麦基质最初水分含量，kgkg水水/kg/kg干物质。干物质。 ,1.8613.9192.917(1()0.0344wWwhaX-= -+ 根据水活度和温度计算水分含量的公式（根据水活度和温度计算水分含量的公式（5-85-8）：）： 式中式中T Ts s物料的温度，物料的温度，。 W W水分含量，水分含量，kg/kgkg/kg干基。干基。()(

34、)()10.321.275 0.0029ln 1exp 2.9 0.004sTwssaWT-轾-= 犏-+犏臌5.4.3 水分的传递水分的传递 以转鼓式反应器为例，将转鼓式固态发酵反应器分为顶空以转鼓式反应器为例，将转鼓式固态发酵反应器分为顶空气相和固相物料层两个亚系统。气相和固相物料层两个亚系统。 转鼓式反应器内的水分传递可用图转鼓式反应器内的水分传递可用图5-85-8表示。表示。 （1 1）外部空气进入顶空层，空气中带入水分；）外部空气进入顶空层，空气中带入水分； （2 2）空气排出，带出水分。）空气排出，带出水分。 在气相中水分的传递，主要是湿度的差别所导致的水分子在气相中水分的传递，主

35、要是湿度的差别所导致的水分子的扩散。的扩散。 与外部空气的水分的交换速度取决于进出空气的流量、湿与外部空气的水分的交换速度取决于进出空气的流量、湿度及温度。度及温度。 在转鼓反应器的顶空层和固态物料层之间的水分传递：在转鼓反应器的顶空层和固态物料层之间的水分传递： （3 3）物料层水分的蒸发，即物料层表面的颗粒的水分蒸）物料层水分的蒸发，即物料层表面的颗粒的水分蒸发到顶空层；发到顶空层； （4 4）顶空层空气中湿度很大，水汽可能凝结到物料中；）顶空层空气中湿度很大，水汽可能凝结到物料中； （5 5）物料层内颗粒之间也存在水分传递；）物料层内颗粒之间也存在水分传递； （6 6）外加水的操作给物料

36、层带入水分。）外加水的操作给物料层带入水分。 水分在固态物料中的传递方式：水分在固态物料中的传递方式： 分子扩散，分子扩散， 对流传递。对流传递。 从宏观上看，固态发酵物料，在原料预处理过程从宏观上看，固态发酵物料，在原料预处理过程（如浸泡，蒸煮）时，已吸收足够的水分。但在（如浸泡，蒸煮）时，已吸收足够的水分。但在培养过程中，由于微生物生长及代谢面摄取水分培养过程中，由于微生物生长及代谢面摄取水分及水分蒸发，物料局部水分含量下降，形成不同及水分蒸发，物料局部水分含量下降，形成不同部位物料水分的浓度梯度。部位物料水分的浓度梯度。 从微观上看，物料颗粒内和物料颗粒间都有水分从微观上看，物料颗粒内和

37、物料颗粒间都有水分的传递，微生物的细胞内外也存在水分传递。的传递，微生物的细胞内外也存在水分传递。 物料颗粒内的水分传递：物料颗粒内的水分传递： 由于受供氧的限制，好氧微生物主要在物料颗粒由于受供氧的限制，好氧微生物主要在物料颗粒的外表面生长。新的菌体细胞摄取水分和水分的的外表面生长。新的菌体细胞摄取水分和水分的蒸发也在颗粒的表面，故颗粒表面的水分含量较蒸发也在颗粒的表面，故颗粒表面的水分含量较低，水分通过扩散由颗粒内传到物料表面。低，水分通过扩散由颗粒内传到物料表面。 物料颗粒的表面和内部的含水量不同，由于水分物料颗粒的表面和内部的含水量不同，由于水分浓度梯度的存在，物料颗粒内自动发生水的扩

38、散。浓度梯度的存在，物料颗粒内自动发生水的扩散。 另外，微生物菌丝总是就近摄取糖分，这就会造另外，微生物菌丝总是就近摄取糖分，这就会造成在物料颗粒的不同部位上溶质浓度形成梯度。成在物料颗粒的不同部位上溶质浓度形成梯度。溶质的浓度梯度所导致的水分的浓度梯度也同样溶质的浓度梯度所导致的水分的浓度梯度也同样存在，由此产生水分的扩散。存在，由此产生水分的扩散。 喷洒水的分布（颗粒间水分的传递）喷洒水的分布（颗粒间水分的传递）： 物料颗粒之间传递的水主要是游离水。物料颗粒之间传递的水主要是游离水。 假定已被颗粒吸收的水分不会被传递到相邻的其它颗粒上；假定已被颗粒吸收的水分不会被传递到相邻的其它颗粒上；颗

39、粒间水分的传递仅限于颗粒表面的游离水。物料颗粒中颗粒间水分的传递仅限于颗粒表面的游离水。物料颗粒中所含有水包括被物料吸收的水和游离水，见公式所含有水包括被物料吸收的水和游离水，见公式5-95-9。 在混匀物料层喷水过程中，水分的传递过程分为三种情况：在混匀物料层喷水过程中，水分的传递过程分为三种情况： （1 1）外部喷水传到物料颗粒；）外部喷水传到物料颗粒； （2 2）水分被物料颗粒吸收；）水分被物料颗粒吸收； （3 3）水在相邻的物料颗粒间传递）水在相邻的物料颗粒间传递 5.4.4 与微生物代谢活动有关的水的平衡计算与微生物代谢活动有关的水的平衡计算 微生物的生长或维持所产生的水量在固态发酵

40、培微生物的生长或维持所产生的水量在固态发酵培养过程中所占的比例很小，但由于其靠近微生物，养过程中所占的比例很小，但由于其靠近微生物，故其作用也不可忽视。故其作用也不可忽视。 NagelNagel所建立的微生物的代谢及酶解等有关的水分所建立的微生物的代谢及酶解等有关的水分的平衡方程（的平衡方程（5-185-18）：）： 等式左边是水的生成速率；等式左边是水的生成速率； 等式的右边几项分别是：空气进出反应器时所带等式的右边几项分别是：空气进出反应器时所带走的水分（即蒸发的水分）；菌体生长新细胞摄走的水分（即蒸发的水分）；菌体生长新细胞摄取的水分；代谢产生的水分；水解淀粉所需要的取的水分；代谢产生的

41、水分；水解淀粉所需要的水分。水分。 /22/22/22,()X OOWXW OOWWhydS OOwhairWinWoutW XdWFCCXYrMYrMYYrdt=+鬃-鬃+5.4.5 水分蒸发及蒸发热的去除水分蒸发及蒸发热的去除 5.4.5.1 固态发酵水分蒸发速率及其热量去除速率的固态发酵水分蒸发速率及其热量去除速率的计算计算 在固态发酵过程中，当强制通风的空气通过物在固态发酵过程中，当强制通风的空气通过物料层时，固态物料表面蒸发水分到气流中去。料层时，固态物料表面蒸发水分到气流中去。水分的蒸发导致培养物料失去水分，对发酵造水分的蒸发导致培养物料失去水分，对发酵造成不利影响。成不利影响。

42、蒸发散热是培养物料冷却的主要方式，蒸发水蒸发散热是培养物料冷却的主要方式，蒸发水量分与发酵过程中生物反应热的热量有关。量分与发酵过程中生物反应热的热量有关。 在计算水分蒸发时，将物料层视为二相体系。在计算水分蒸发时，将物料层视为二相体系。 可根据固态物料的水活度的变化计算水的蒸发速度可根据固态物料的水活度的变化计算水的蒸发速度R R蒸发。蒸发。水分的蒸发速度和物料实际的水活度（水分的蒸发速度和物料实际的水活度（a awsws）与气相达到平）与气相达到平衡时的物料的水活度（衡时的物料的水活度（a awsws* *）之差成正比，和固体与气相）之差成正比，和固体与气相的接触面积的接触面积A A成正比

43、，同时也和水汽的质量传递系数（成正比，同时也和水汽的质量传递系数（k kw w）成正比。成正比。 在强制通风的固态发酵过程中，降低物料温度主在强制通风的固态发酵过程中，降低物料温度主要靠二种机理，要靠二种机理， 一是依靠进、出空气的显热变化实现降温，即当一是依靠进、出空气的显热变化实现降温，即当进口空气的温度低于物料的温度，排出的气体将进口空气的温度低于物料的温度，排出的气体将物料的热量带走；物料的热量带走； 其二是蒸发潜热（也称为相变潜热），这是固态其二是蒸发潜热（也称为相变潜热），这是固态发酵过程中降低发酵物料温度的主要机理。发酵过程中降低发酵物料温度的主要机理。 通风空气中的相对湿度较小

44、，物料中的水分含量通风空气中的相对湿度较小，物料中的水分含量较大，颗粒间隙中气相的相对湿度几乎为较大，颗粒间隙中气相的相对湿度几乎为100%100%，物料空隙中的水汽转移通入的空气中，物料中的物料空隙中的水汽转移通入的空气中，物料中的水分不断地被汽化蒸发补充到物料间隙中。水分水分不断地被汽化蒸发补充到物料间隙中。水分汽化时需要消耗大量的热量（汽化潜热，或蒸发汽化时需要消耗大量的热量（汽化潜热，或蒸发热）。热）。 5.4.5.2 强制通风时物料水分的损失及热强制通风时物料水分的损失及热量去除量去除 5.5 物料质量传递与物料平衡物料质量传递与物料平衡 固态发酵大部分物料成分是难溶于水的大分子。固

45、态发酵大部分物料成分是难溶于水的大分子。 在微生物酶的作用下可变为小分子的糖类物质或在微生物酶的作用下可变为小分子的糖类物质或氨基酸或肽类物质；氨基酸或肽类物质； 发酵基质表面和微生物细胞外周通常会有一层水发酵基质表面和微生物细胞外周通常会有一层水膜，便于营养物质溶解，溶解于液相水中的这些膜，便于营养物质溶解，溶解于液相水中的这些糖或氨基酸等营养物质才能被微生物利用。糖或氨基酸等营养物质才能被微生物利用。 在液体相中，微生物菌体产生的胞外酶，通过扩在液体相中，微生物菌体产生的胞外酶，通过扩散也可分布到培养基质中。散也可分布到培养基质中。5.5.1 固态发酵基质的浓度梯度及扩散固态发酵基质的浓度

46、梯度及扩散 相对于液态发酵，固态发酵的基质浓度相相对于液态发酵，固态发酵的基质浓度相对要高得多。对要高得多。 原因：营养物质不完全溶于水；载体吸附。原因：营养物质不完全溶于水；载体吸附。 GustavoGustavo发现固态发酵对分解代谢阻遏具有发现固态发酵对分解代谢阻遏具有抵抗作用，这种抵抗作用与固态基质作为抵抗作用，这种抵抗作用与固态基质作为载体有一定的关系。载体有一定的关系。 某些物质在吸附能力某些物质在吸附能力强的固态基质中易产生浓度梯度。强的固态基质中易产生浓度梯度。 即靠近微生物一侧，碳源的浓度低，远离即靠近微生物一侧，碳源的浓度低，远离微生物，碳源浓度高。微生物，碳源浓度高。 玉

47、米芯和甘蔗渣作为固态基质载体，当葡玉米芯和甘蔗渣作为固态基质载体，当葡萄糖等易代谢的糖的浓度达到萄糖等易代谢的糖的浓度达到10g/L10g/L时，就时，就发生分解代谢阻遏；发生分解代谢阻遏； 而用麸皮作载体，即使糖的浓度达到而用麸皮作载体，即使糖的浓度达到100g/L100g/L，也不会发生分解代谢阻遏。，也不会发生分解代谢阻遏。 原因：原因： 载体对糖的吸收能力强的，分解代谢阻载体对糖的吸收能力强的，分解代谢阻遏现象较少（如麸皮）；而载体对糖的吸遏现象较少（如麸皮）；而载体对糖的吸收能力差的（如聚氨酯泡沫作为惰性载收能力差的（如聚氨酯泡沫作为惰性载体），分解代谢阻遏不可避免。体），分解代谢阻

48、遏不可避免。 根据此现象，根据此现象，GustavoGustavo认为在固态发酵基质认为在固态发酵基质中，易利用碳源存在浓度梯度。中，易利用碳源存在浓度梯度。 浓度梯度形成的机理：浓度梯度形成的机理： 可以用传统的扩散动力学和反应动力学的理论解释；可以用传统的扩散动力学和反应动力学的理论解释； 碳源是在载体上通过扩散传递到微生物表面。微生物碳源是在载体上通过扩散传递到微生物表面。微生物利用碳源的速率快，而扩散速度跟不上碳源被消耗的利用碳源的速率快，而扩散速度跟不上碳源被消耗的速率，则会形成浓度梯度。速率，则会形成浓度梯度。 微生物表面的碳源浓度总是处于较低的水平，因而就微生物表面的碳源浓度总是

49、处于较低的水平，因而就不存在分解代谢阻遏的基础。不存在分解代谢阻遏的基础。 固态发酵微生物对分解代谢阻遏具有抵抗作用的原因固态发酵微生物对分解代谢阻遏具有抵抗作用的原因在于碳源的传递速度小于碳源的消耗速度；在于碳源的传递速度小于碳源的消耗速度； 而造成传递速度慢的原因是固态培养基中的填充物可而造成传递速度慢的原因是固态培养基中的填充物可选择性地吸附碳源物质，使其移动速度下降。选择性地吸附碳源物质，使其移动速度下降。 5.5.2 发酵培养物的物料衡算发酵培养物的物料衡算 发酵培养物（发酵培养物（fermenting medium, fermenting medium, W W）是菌体）是菌体X

50、X，残余基质，残余基质S S，产物产物P P的混合物。的混合物。 固态发酵培养物中菌体和培养基质相互缠结，菌体量和基质无固态发酵培养物中菌体和培养基质相互缠结，菌体量和基质无法分离，准确定量困难。法分离，准确定量困难。 残余基质又分为可被微生物利用的基质及惰性基质（即无法被残余基质又分为可被微生物利用的基质及惰性基质（即无法被微生物利用，在培养基中其含量不发生变化）。微生物利用，在培养基中其含量不发生变化）。 产物有目的产物和非目的产物。非目的产物种类多，无法准确产物有目的产物和非目的产物。非目的产物种类多，无法准确定量，一般不予考虑。定量，一般不予考虑。 Bozani16Bozani16将固