1、第第2章章 固態(tài)發(fā)酵原料固態(tài)發(fā)酵原料預(yù)處理技術(shù)預(yù)處理技術(shù)固態(tài)物料，水分含量低的后果：固態(tài)物料，水分含量低的后果：流動性差，物質(zhì)傳遞及熱量傳遞性能差，流動性差，物質(zhì)傳遞及熱量傳遞性能差，2.1 發(fā)酵原料及預(yù)處理發(fā)酵原料及預(yù)處理 2.1.1 2.1.1 固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基的主要原料固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基的主要原料 食品類的固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)品，大多以谷物，豆食品類的固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)品，大多以谷物，豆類為原料。類為原料。 谷物類原料：小麥、稻米、小米、玉米、谷物類原料：小麥、稻米、小米、玉米、高粱等及其粉制品；高粱等及其粉制品； 蛋白質(zhì)為主的原料：大豆、豌豆、豆粕、蛋白質(zhì)為主的原料：大豆、豌豆、豆粕、麩皮、麩皮、 半纖維素或

2、纖維素為主的原料：如谷糠、各種秸半纖維素或纖維素為主的原料：如谷糠、各種秸桿、稻草、芒桿、木屑。可用于飼料、食用菌或桿、稻草、芒桿、木屑。可用于飼料、食用菌或燃料乙醇的生產(chǎn)，也可作為其它發(fā)酵物料中的填燃料乙醇的生產(chǎn)，也可作為其它發(fā)酵物料中的填充物。充物。 食品和發(fā)酵工業(yè)的副產(chǎn)物：啤酒糟、白酒糟、黃食品和發(fā)酵工業(yè)的副產(chǎn)物：啤酒糟、白酒糟、黃酒糟、醬油糟、檸檬酸等副產(chǎn)物。通過固態(tài)發(fā)酵，酒糟、醬油糟、檸檬酸等副產(chǎn)物。通過固態(tài)發(fā)酵，提高其營養(yǎng)價值或改善其適口性，主要用作飼料。提高其營養(yǎng)價值或改善其適口性，主要用作飼料。 廢棄物：城市餐余廢棄物、廢舊報紙、造紙廠纖廢棄物：城市餐余廢棄物、廢舊報紙、造紙廠

3、纖維廢渣、禽畜類排泄物、沼氣發(fā)酵殘渣等，含有維廢渣、禽畜類排泄物、沼氣發(fā)酵殘渣等，含有大量的有機物，對環(huán)境造成很大的危害，也可通大量的有機物，對環(huán)境造成很大的危害，也可通過固態(tài)發(fā)酵使之無害化或資源化。過固態(tài)發(fā)酵使之無害化或資源化。2.1.2 固態(tài)物料的物性參數(shù)固態(tài)物料的物性參數(shù) 物料顆粒的形狀和大小、物料顆粒的形狀和大小、 水分含量、水分含量、 密度和孔隙率、密度和孔隙率、 比熱容等。比熱容等。物料顆粒的形狀和大小、 由于物料顆粒內(nèi)氧的限制及營養(yǎng)物質(zhì)的擴散的限制，微生由于物料顆粒內(nèi)氧的限制及營養(yǎng)物質(zhì)的擴散的限制，微生物很難利用顆粒內(nèi)部的營養(yǎng)成分。物很難利用顆粒內(nèi)部的營養(yǎng)成分。 物料顆粒的物料顆

4、粒的大小及形狀大小及形狀影響到微生物對其營養(yǎng)成分的利用。影響到微生物對其營養(yǎng)成分的利用。 從顆粒表面到顆粒中心的距離來看，從顆粒表面到顆粒中心的距離來看，球形顆粒球形顆粒的距離最長，的距離最長，故對于微生物來說，可用于生長的表面積最小，可以利用故對于微生物來說，可用于生長的表面積最小，可以利用的營養(yǎng)物質(zhì)也最少。的營養(yǎng)物質(zhì)也最少。 偏平的或細長的物料顆粒則比較有利于微生物的生長。偏平的或細長的物料顆粒則比較有利于微生物的生長。 顆粒大小的不均勻性對發(fā)酵的影響很顯著。顆粒大小的不均勻性對發(fā)酵的影響很顯著。 因為小顆粒的物料可能會因為小顆粒的物料可能會“藏藏”于大顆粒之間的于大顆粒之間的空隙中。這對

5、于通風(fēng)及微生物的生長都會產(chǎn)生影空隙中。這對于通風(fēng)及微生物的生長都會產(chǎn)生影響。響。 在固態(tài)發(fā)酵過程中，物料顆粒體積會發(fā)生變化。在固態(tài)發(fā)酵過程中，物料顆粒體積會發(fā)生變化。變化過程一般是由小變大，再變小。由小變大，變化過程一般是由小變大，再變小。由小變大，是因為微生物生長于物料顆粒表面，使其表觀體是因為微生物生長于物料顆粒表面，使其表觀體積變大。隨著基質(zhì)的消耗，物料顆粒越來越小。積變大。隨著基質(zhì)的消耗，物料顆粒越來越小。物料的水分含量物料的水分含量 水分含量的基準：干基；水分含量的基準：干基； 濕基。濕基。 谷物類原料的水分含量在谷物類原料的水分含量在12.5-14.5%12.5-14.5%之間。之

6、間。 而固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基的水分一般在而固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)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計的。配料前掌握物料本中的水分是不可忽略不計的。配料前掌握物料本身的含水量對于決定加水量是至關(guān)重要的。身的含水量對于決定加水量是至關(guān)重要的。 物料的轉(zhuǎn)化率是以干物質(zhì)計算的。如果原料水分物料的轉(zhuǎn)化率是以干物質(zhì)計算的。如果原料水分過高，則降低生產(chǎn)轉(zhuǎn)化率。過高，則降低生產(chǎn)轉(zhuǎn)化率。密度和孔隙率密度和孔隙率 固態(tài)物料，傳統(tǒng)意義上的密度是指物體單位體積固態(tài)物料，傳統(tǒng)意義上的密度是指物體單位體積內(nèi)所具有的質(zhì)量。內(nèi)所具有的質(zhì)量。 表示固體密度的指標：表示固體密度的指標： 顆粒密度、容積密度、孔

7、隙率。顆粒密度、容積密度、孔隙率。 這些衡量顆粒狀固態(tài)物料的重要參數(shù)對于各種容這些衡量顆粒狀固態(tài)物料的重要參數(shù)對于各種容器的設(shè)備的設(shè)計、裝料量的確定、通風(fēng)量或通風(fēng)器的設(shè)備的設(shè)計、裝料量的確定、通風(fēng)量或通風(fēng)速度等的計算都非常有用。比如，確定反應(yīng)器容速度等的計算都非常有用。比如，確定反應(yīng)器容積時，應(yīng)以容積密度為依據(jù)。積時，應(yīng)以容積密度為依據(jù)。物料的顆粒密度 物料的顆粒密度（物料的顆粒密度（kg/mkg/m3 3）是根據(jù)物料的實）是根據(jù)物料的實際體積（包括物料內(nèi)部空洞的體積，但不際體積（包括物料內(nèi)部空洞的體積，但不包括顆粒間隙的空間體積）和質(zhì)量求出的包括顆粒間隙的空間體積）和質(zhì)量求出的密度。密度。

8、顆粒密度實驗測定方法：顆粒密度實驗測定方法： 在一個已知容積的量器內(nèi)，加入物料顆粒，然后加在一個已知容積的量器內(nèi)，加入物料顆粒，然后加入水，使水的位置正在與物料顆粒的位置持平。分入水，使水的位置正在與物料顆粒的位置持平。分別測定總的質(zhì)量、容器的質(zhì)量和水的質(zhì)量，量取總別測定總的質(zhì)量、容器的質(zhì)量和水的質(zhì)量，量取總的體積（即物料顆粒的體積與水的體積之和）。根的體積（即物料顆粒的體積與水的體積之和）。根據(jù)下式計算物料顆粒密度。據(jù)下式計算物料顆粒密度。(mmmmmVVrr=總?cè)萜魉w粒顆粒水顆粒總水-)-物料的容積密度物料的容積密度 容積密度是將物料裝入已知容積的容器內(nèi)，容積密度是將物料裝入已知容積的容

9、器內(nèi)，測量裝入容器內(nèi)的物料質(zhì)量，然后根據(jù)容測量裝入容器內(nèi)的物料質(zhì)量，然后根據(jù)容器的容積和物質(zhì)質(zhì)量求出的密度。固態(tài)發(fā)器的容積和物質(zhì)質(zhì)量求出的密度。固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)的物料層的密度即屬于容積密酵反應(yīng)器內(nèi)的物料層的密度即屬于容積密度的概念。度的概念。 物料層密度的計算公式是：物料層密度的計算公式是：mVr=物 料 層物 料 層物 料 層 物料都含有一定的水分，而物料與水的密物料都含有一定的水分，而物料與水的密度不同，故容積密度與物料的水分含量有度不同，故容積密度與物料的水分含量有一定的關(guān)系。一定的關(guān)系。 陳坤杰陳坤杰11等得出了大麥顆粒密度隨含水率等得出了大麥顆粒密度隨含水率變化的數(shù)學(xué)模型為：這表明大

10、麥顆粒密度變化的數(shù)學(xué)模型為：這表明大麥顆粒密度和含水率呈線性變化關(guān)系。含水率越大，和含水率呈線性變化關(guān)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大麥濕基含水率，大麥濕基含水率，% % 孔隙率孔隙率：顆粒間空隙的體積與物料層體：顆粒間空隙的體積與物料層體積之比，即：積之比，即：1VVVVe=-顆粒空隙物料層物料層2.1.3 原料預(yù)處理的方式原料預(yù)處理的方式 固態(tài)發(fā)酵的原料大多是農(nóng)、副產(chǎn)品及其加工制品。固態(tài)發(fā)酵的原料大多是農(nóng)、副產(chǎn)品及其加工制品。 原料的形態(tài)多種多樣，有顆粒狀（如谷物類）、原料的形態(tài)多種多

11、樣，有顆粒狀（如谷物類）、塊狀、粉狀。秸桿或稻草等原料更無法直接被微塊狀、粉狀。秸桿或稻草等原料更無法直接被微生物利用。生物利用。 在蒸煮或發(fā)酵前，原料都需要進行必要的預(yù)處理。在蒸煮或發(fā)酵前，原料都需要進行必要的預(yù)處理。 原料預(yù)處理的主要單元操作：原料預(yù)處理的主要單元操作： 篩選除雜、精白、清洗、浸泡、磨粉、制壞、切篩選除雜、精白、清洗、浸泡、磨粉、制壞、切塊、潤濕等。塊、潤濕等。 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 原料熟化處理的目的：原料熟化處理的目的： （1 1）使原料在高溫下蒸熟或炒熟，使蛋白）使原料在高溫下蒸熟或

12、炒熟，使蛋白質(zhì)變性，淀粉糊化，纖維素軟化并破壞其質(zhì)變性，淀粉糊化，纖維素軟化并破壞其晶體結(jié)構(gòu)；晶體結(jié)構(gòu)； （2 2）對原料進行殺菌處理）對原料進行殺菌處理 （滅菌溫度高和時間長，往往不徹底）（滅菌溫度高和時間長，往往不徹底） 在固態(tài)發(fā)酵行業(yè)原料熟化方式：在固態(tài)發(fā)酵行業(yè)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，分為：在操作上，分為： 間歇式一次、間歇式多次和連續(xù)式。間歇式一次、間歇式多次和連續(xù)式。 根據(jù)蒸煮鍋的壓力的大小，分為：根據(jù)蒸煮鍋的壓力的大小，分為： 常壓蒸煮、高壓蒸煮。常壓蒸煮、高壓蒸煮。 傳統(tǒng)甑桶 蒸飯機蒸飯機 蒸餾和蒸煮鍋 NK式蒸煮鍋系統(tǒng) 高溫流

13、化裝置示意圖高溫流化裝置示意圖 高壓蒸汽滅菌鍋（柜）高壓蒸汽滅菌鍋（柜） 連續(xù)蒸煮機連續(xù)蒸煮機 2.2.6 原料的物理及化學(xué)處理法原料的物理及化學(xué)處理法 纖維素類的物質(zhì)，如玉米秸稈，其中纖維素和半纖維素類的物質(zhì)，如玉米秸稈，其中纖維素和半纖維素被木質(zhì)素包裹，而且半纖維素部分和木質(zhì)纖維素被木質(zhì)素包裹，而且半纖維素部分和木質(zhì)素結(jié)合，纖維素本身具有結(jié)晶體結(jié)構(gòu)，生物酶處素結(jié)合，纖維素本身具有結(jié)晶體結(jié)構(gòu)，生物酶處理十分困難，必須經(jīng)過預(yù)處理，使纖維素、半纖理十分困難，必須經(jīng)過預(yù)處理，使纖維素、半纖維素和木質(zhì)素分離。維素和木質(zhì)素分離。 含纖維素原料的處理法：含纖維素原料的處理法： 物理預(yù)處理法、化學(xué)預(yù)處理法

14、、氨化汽爆法、生物理預(yù)處理法、化學(xué)預(yù)處理法、氨化汽爆法、生物處理法、蒸汽爆破法。物處理法、蒸汽爆破法。 2.3 固態(tài)物料的輸送固態(tài)物料的輸送 2.3.1 2.3.1 固態(tài)物料輸送的特點固態(tài)物料輸送的特點 液態(tài)發(fā)酵液，幾乎都可采用管道用泵輸送。液態(tài)發(fā)酵液，幾乎都可采用管道用泵輸送。固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)的原料及半成品呈固態(tài)，物固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)的原料及半成品呈固態(tài)，物料的形態(tài)多種多樣，不同的物料得采用不料的形態(tài)多種多樣，不同的物料得采用不同的輸送方式和輸送設(shè)備。因此，固態(tài)物同的輸送方式和輸送設(shè)備。因此，固態(tài)物料的輸送比液態(tài)物料的輸送技術(shù)難度更大。料的輸送比液態(tài)物料的輸送技術(shù)難度更大。 待輸送物料的種類：從形態(tài)上來分有粉狀待輸送物料的種類：從形態(tài)上來分有粉狀物料、顆粒狀物料、團狀和塊狀物料，還物料、顆粒狀物料、團狀和塊狀物料，還有半固態(tài)物料。有半固態(tài)物料。 根據(jù)物料的加工狀態(tài)，分為生料、潤水料、根據(jù)物料的加工狀態(tài)，分為生料、潤水料、熟料、高溫狀態(tài)的物料；熟料、高溫狀態(tài)的物料； 在