固态发酵技术原料预处理

1、第第2章章 固态发酵原料固态发酵原料预处理技术预处理技术固态物料，水分含量低的后果：固态物料，水分含量低的后果：流动性差，物质传递及热量传递性能差，流动性差，物质传递及热量传递性能差，2.1 发酵原料及预处理发酵原料及预处理 2.1.1 2.1.1 固态发酵培养基的主要原料固态发酵培养基的主要原料 食品类的固态发酵产品，大多以谷物，豆食品类的固态发酵产品，大多以谷物，豆类为原料。类为原料。 谷物类原料：小麦、稻米、小米、玉米、谷物类原料：小麦、稻米、小米、玉米、高粱等及其粉制品；高粱等及其粉制品； 蛋白质为主的原料：大豆、豌豆、豆粕、蛋白质为主的原料：大豆、豌豆、豆粕、麩皮、麩皮、 半纤维素或

2、纤维素为主的原料：如谷糠、各种秸半纤维素或纤维素为主的原料：如谷糠、各种秸杆、稻草、芒杆、木屑。可用于饲料、食用菌或杆、稻草、芒杆、木屑。可用于饲料、食用菌或燃料乙醇的生产，也可作为其它发酵物料中的填燃料乙醇的生产，也可作为其它发酵物料中的填充物。充物。 食品和发酵工业的副产物：啤酒糟、白酒糟、黄食品和发酵工业的副产物：啤酒糟、白酒糟、黄酒糟、酱油糟、柠檬酸等副产物。通过固态发酵，酒糟、酱油糟、柠檬酸等副产物。通过固态发酵，提高其营养价值或改善其适口性，主要用作饲料。提高其营养价值或改善其适口性，主要用作饲料。 废弃物：城市餐余废弃物、废旧报纸、造纸厂纤废弃物：城市餐余废弃物、废旧报纸、造纸厂

3、纤维废渣、禽畜类排泄物、沼气发酵残渣等，含有维废渣、禽畜类排泄物、沼气发酵残渣等，含有大量的有机物，对环境造成很大的危害，也可通大量的有机物，对环境造成很大的危害，也可通过固态发酵使之无害化或资源化。过固态发酵使之无害化或资源化。2.1.2 固态物料的物性参数固态物料的物性参数 物料颗粒的形状和大小、物料颗粒的形状和大小、 水分含量、水分含量、 密度和孔隙率、密度和孔隙率、 比热容等。比热容等。物料颗粒的形状和大小、 由于物料颗粒内氧的限制及营养物质的扩散的限制，微生由于物料颗粒内氧的限制及营养物质的扩散的限制，微生物很难利用颗粒内部的营养成分。物很难利用颗粒内部的营养成分。 物料颗粒的物料颗

4、粒的大小及形状大小及形状影响到微生物对其营养成分的利用。影响到微生物对其营养成分的利用。 从颗粒表面到颗粒中心的距离来看，从颗粒表面到颗粒中心的距离来看，球形颗粒球形颗粒的距离最长，的距离最长，故对于微生物来说，可用于生长的表面积最小，可以利用故对于微生物来说，可用于生长的表面积最小，可以利用的营养物质也最少。的营养物质也最少。 偏平的或细长的物料颗粒则比较有利于微生物的生长。偏平的或细长的物料颗粒则比较有利于微生物的生长。 颗粒大小的不均匀性对发酵的影响很显著。颗粒大小的不均匀性对发酵的影响很显著。 因为小颗粒的物料可能会因为小颗粒的物料可能会“藏藏”于大颗粒之间的于大颗粒之间的空隙中。这对

5、于通风及微生物的生长都会产生影空隙中。这对于通风及微生物的生长都会产生影响。响。 在固态发酵过程中，物料颗粒体积会发生变化。在固态发酵过程中，物料颗粒体积会发生变化。变化过程一般是由小变大，再变小。由小变大，变化过程一般是由小变大，再变小。由小变大，是因为微生物生长于物料颗粒表面，使其表观体是因为微生物生长于物料颗粒表面，使其表观体积变大。随着基质的消耗，物料颗粒越来越小。积变大。随着基质的消耗，物料颗粒越来越小。物料的水分含量物料的水分含量 水分含量的基准：干基；水分含量的基准：干基； 湿基。湿基。 谷物类原料的水分含量在谷物类原料的水分含量在12.5-14.5%12.5-14.5%之间。之

6、间。 而固态发酵培养基的水分一般在而固态发酵培养基的水分一般在50%50%左右，故原料左右，故原料中的水分是不可忽略不计的。配料前掌握物料本中的水分是不可忽略不计的。配料前掌握物料本身的含水量对于决定加水量是至关重要的。身的含水量对于决定加水量是至关重要的。 物料的转化率是以干物质计算的。如果原料水分物料的转化率是以干物质计算的。如果原料水分过高，则降低生产转化率。过高，则降低生产转化率。密度和孔隙率密度和孔隙率 固态物料，传统意义上的密度是指物体单位体积固态物料，传统意义上的密度是指物体单位体积内所具有的质量。内所具有的质量。 表示固体密度的指标：表示固体密度的指标： 颗粒密度、容积密度、孔

7、隙率。颗粒密度、容积密度、孔隙率。 这些衡量颗粒状固态物料的重要参数对于各种容这些衡量颗粒状固态物料的重要参数对于各种容器的设备的设计、装料量的确定、通风量或通风器的设备的设计、装料量的确定、通风量或通风速度等的计算都非常有用。比如，确定反应器容速度等的计算都非常有用。比如，确定反应器容积时，应以容积密度为依据。积时，应以容积密度为依据。物料的颗粒密度 物料的颗粒密度（物料的颗粒密度（kg/mkg/m3 3）是根据物料的实）是根据物料的实际体积（包括物料内部空洞的体积，但不际体积（包括物料内部空洞的体积，但不包括颗粒间隙的空间体积）和质量求出的包括颗粒间隙的空间体积）和质量求出的密度。密度。

8、颗粒密度实验测定方法：颗粒密度实验测定方法： 在一个已知容积的量器内，加入物料颗粒，然后加在一个已知容积的量器内，加入物料颗粒，然后加入水，使水的位置正在与物料颗粒的位置持平。分入水，使水的位置正在与物料颗粒的位置持平。分别测定总的质量、容器的质量和水的质量，量取总别测定总的质量、容器的质量和水的质量，量取总的体积（即物料颗粒的体积与水的体积之和）。根的体积（即物料颗粒的体积与水的体积之和）。根据下式计算物料颗粒密度。据下式计算物料颗粒密度。(mmmmmVVrr=总容器水颗粒颗粒水颗粒总水-)-物料的容积密度物料的容积密度 容积密度是将物料装入已知容积的容器内，容积密度是将物料装入已知容积的容

9、器内，测量装入容器内的物料质量，然后根据容测量装入容器内的物料质量，然后根据容器的容积和物质质量求出的密度。固态发器的容积和物质质量求出的密度。固态发酵反应器内的物料层的密度即属于容积密酵反应器内的物料层的密度即属于容积密度的概念。度的概念。 物料层密度的计算公式是：物料层密度的计算公式是：mVr=物 料 层物 料 层物 料 层 物料都含有一定的水分，而物料与水的密物料都含有一定的水分，而物料与水的密度不同，故容积密度与物料的水分含量有度不同，故容积密度与物料的水分含量有一定的关系。一定的关系。 陈坤杰陈坤杰11等得出了大麦颗粒密度随含水率等得出了大麦颗粒密度随含水率变化的数学模型为：这表明大

10、麦颗粒密度变化的数学模型为：这表明大麦颗粒密度和含水率呈线性变化关系。含水率越大，和含水率呈线性变化关系。含水率越大，密度越小。密度越小。s s= -7.296= -7.296M Md d + 1395.1 + 1395.1 M Md d大麦湿基含水率，大麦湿基含水率，% % 孔隙率孔隙率：颗粒间空隙的体积与物料层体：颗粒间空隙的体积与物料层体积之比，即：积之比，即：1VVVVe=-颗粒空隙物料层物料层2.1.3 原料预处理的方式原料预处理的方式 固态发酵的原料大多是农、副产品及其加工制品。固态发酵的原料大多是农、副产品及其加工制品。 原料的形态多种多样，有颗粒状（如谷物类）、原料的形态多种多

11、样，有颗粒状（如谷物类）、块状、粉状。秸杆或稻草等原料更无法直接被微块状、粉状。秸杆或稻草等原料更无法直接被微生物利用。生物利用。 在蒸煮或发酵前，原料都需要进行必要的预处理。在蒸煮或发酵前，原料都需要进行必要的预处理。 原料预处理的主要单元操作：原料预处理的主要单元操作： 筛选除杂、精白、清洗、浸泡、磨粉、制坏、切筛选除杂、精白、清洗、浸泡、磨粉、制坏、切块、润湿等。块、润湿等。 2.2 原料蒸煮、膨化、及焙炒原料蒸煮、膨化、及焙炒 2.2.1 2.2.1 原料的熟化方式原料的熟化方式 原料熟化处理的目的：原料熟化处理的目的： （1 1）使原料在高温下蒸熟或炒熟，使蛋白）使原料在高温下蒸熟或

12、炒熟，使蛋白质变性，淀粉糊化，纤维素软化并破坏其质变性，淀粉糊化，纤维素软化并破坏其晶体结构；晶体结构； （2 2）对原料进行杀菌处理）对原料进行杀菌处理 （灭菌温度高和时间长，往往不彻底）（灭菌温度高和时间长，往往不彻底） 在固态发酵行业原料熟化方式：在固态发酵行业原料熟化方式： 蒸煮法、膨化法、焙炒法。蒸煮法、膨化法、焙炒法。 在操作上，分为：在操作上，分为： 间歇式一次、间歇式多次和连续式。间歇式一次、间歇式多次和连续式。 根据蒸煮锅的压力的大小，分为：根据蒸煮锅的压力的大小，分为： 常压蒸煮、高压蒸煮。常压蒸煮、高压蒸煮。 传统甑桶 蒸饭机蒸饭机 蒸馏和蒸煮锅 NK式蒸煮锅系统 高温流

13、化装置示意图高温流化装置示意图 高压蒸汽灭菌锅（柜）高压蒸汽灭菌锅（柜） 连续蒸煮机连续蒸煮机 2.2.6 原料的物理及化学处理法原料的物理及化学处理法 纤维素类的物质，如玉米秸秆，其中纤维素和半纤维素类的物质，如玉米秸秆，其中纤维素和半纤维素被木质素包裹，而且半纤维素部分和木质纤维素被木质素包裹，而且半纤维素部分和木质素结合，纤维素本身具有结晶体结构，生物酶处素结合，纤维素本身具有结晶体结构，生物酶处理十分困难，必须经过预处理，使纤维素、半纤理十分困难，必须经过预处理，使纤维素、半纤维素和木质素分离。维素和木质素分离。 含纤维素原料的处理法：含纤维素原料的处理法： 物理预处理法、化学预处理法

14、、氨化汽爆法、生物理预处理法、化学预处理法、氨化汽爆法、生物处理法、蒸汽爆破法。物处理法、蒸汽爆破法。 2.3 固态物料的输送固态物料的输送 2.3.1 2.3.1 固态物料输送的特点固态物料输送的特点 液态发酵液，几乎都可采用管道用泵输送。液态发酵液，几乎都可采用管道用泵输送。固态发酵生产的原料及半成品呈固态，物固态发酵生产的原料及半成品呈固态，物料的形态多种多样，不同的物料得采用不料的形态多种多样，不同的物料得采用不同的输送方式和输送设备。因此，固态物同的输送方式和输送设备。因此，固态物料的输送比液态物料的输送技术难度更大。料的输送比液态物料的输送技术难度更大。 待输送物料的种类：从形态上来分有粉状待输送物料的种类：从形态上来分有粉状物料、颗粒状物料、团状和块状物料，还物料、颗粒状物料、团状和块状物料，还有半固态物料。有半固态物料。 根据物料的加工状态，分为生料、润水料、根据物料的加工状态，分为生料、润水料、熟料、高温状态的物料；熟料、高温状态的物料； 在