固態(tài)發(fā)酵技術(shù)及過程控制-wenkub
2023-05-20 22:14:57 本頁面
【正文】 在滅菌的固態(tài)培養(yǎng)基中，在無菌條件下進(jìn)行的固態(tài)發(fā)酵過程。 2021/6/15 26 80 第二節(jié) 固態(tài)發(fā)酵過程的控制 一、固態(tài)發(fā)酵微生物及生長機(jī)制 適合固態(tài)發(fā)酵微生物特征 ①能夠利用多糖的混合物； ②有完整的酶系，可以迅速從對某一種多糖的代謝轉(zhuǎn)為對另一種多糖的代謝； ③能夠深入到料層中，也能穿入基質(zhì)細(xì)胞內(nèi)； ④在發(fā)酵過程中以菌絲形式生長，而不易孢子化； ⑤生長迅速，染菌概率??； ⑥可以在含水量低的基質(zhì)中生長； ⑦能夠耐受高濃度的營養(yǎng)鹽； ⑧可以耐受基質(zhì)預(yù)處理過程中產(chǎn)生的苯類等有毒物質(zhì)。 2021/6/15 29 80 固態(tài)基質(zhì)中細(xì)菌和酵母菌的生長 ? 自然漚肥 ：濕潤的有機(jī)物被一系列微生物所分解，其中，由于嗜熱芽孢桿菌的代謝活動(dòng)，在木質(zhì)纖維素類物質(zhì)的分解過程中，會產(chǎn)生大量的代謝熱，導(dǎo)致培養(yǎng)基內(nèi)溫度高達(dá) 60℃ 以上。 2021/6/15 31 80 ? 利用酵母菌的純種固態(tài)發(fā)酵果皮及其他廢棄物產(chǎn)酒精，也愈來愈引起人們的重視。 2021/6/15 33 80 固體發(fā)酵基質(zhì)原料 影響微生物生長的因素 （ 1）固體基質(zhì)的大分子結(jié)構(gòu) （ 2）顆粒大小影響微生物的生長 （ 3）顆粒形狀 （ 4）顆粒的多孔性 （ 5）顆粒均勻性及硬度 2021/6/15 34 80 固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)的差異性 （ 1）復(fù)雜的，非均一的基質(zhì)結(jié)構(gòu)。 2021/6/15 35 80 三、影響固態(tài)發(fā)酵過程的主要參數(shù) 濕度與水活度 溫度與熱量傳遞 通氣與傳質(zhì)過程 pH值 2021/6/15 36 80 第三節(jié) 固態(tài)發(fā)酵技術(shù) 一、混合固態(tài)發(fā)酵技術(shù) （一）混合固態(tài)發(fā)酵概念 ? 混合發(fā)酵 (mixed fermentation) ： 許多發(fā)酵過程是純菌株無法完成或只能微弱地進(jìn)行的，必須依靠兩種或多種微生物共同培養(yǎng)來完成的過程 如傳統(tǒng)酒曲和醬曲、腌菜、煙草發(fā)酵、茶葉發(fā)酵、青貯、堆肥等。 混合的多種菌種，增加了發(fā)酵中許多基因的功能，通過不同代謝能力的組合，完成單個(gè)菌種難以完成的復(fù)雜代謝作用，可以代替某些基因重組工程菌來進(jìn)行復(fù)雜的多種代謝反應(yīng)，或促進(jìn)生長代謝，提高生產(chǎn)效率。如果普通變形菌（ Proteus vulgaris）和少根根霉（ R． arrhizus）混合發(fā)酵，則可將延胡索酸轉(zhuǎn)化為天冬氨酸。 2021/6/15 42 80 二、靜態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵技術(shù) ? 靜態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵，主要是指發(fā)酵過程中的固體基質(zhì)保持相對靜止?fàn)顟B(tài)，通常所說傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)酵即指此種發(fā)酵方式。 2021/6/15 44 80 托盤式發(fā)酵設(shè)備 2021/6/15 45 80 填充床式發(fā)酵 2021/6/15 46 80 靜態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵工藝控制 溫度控制 水分控制 2021/6/15 47 80 三、動(dòng)態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵技術(shù) 轉(zhuǎn)鼓式發(fā)酵 2021/6/15 48 80 轉(zhuǎn)鼓式發(fā)酵 ? 轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器的主要特色是空氣不是從基質(zhì)的底部吹人而是從基質(zhì)的頂部吹過，空氣和基質(zhì)的熱量和物質(zhì)交換是通過反應(yīng)器的轉(zhuǎn)動(dòng)來促進(jìn)。 2021/6/15 49 80 攪拌式發(fā)酵 2021/6/15 50 80 攪拌式發(fā)酵 ? 攪拌式固態(tài)發(fā)酵兩種主要類型：水平攪拌式的和轉(zhuǎn)鼓式。 2021/6/15 51 80 氣固流化床發(fā)酵 2021/6/15 52 80 流化床發(fā)酵的特色和優(yōu)點(diǎn) ① 由于通氣良好，因此有助于好氧微生物的生長，在流化床上生長的微生物呼吸率可以達(dá)到靜態(tài)培養(yǎng)的 10倍； ②代謝熱的去除十分完全，不會發(fā)生培養(yǎng)基溫度過高 的問題； ③氣體和揮發(fā)性的代謝產(chǎn)物可以很快消失，減小抑制； ④混合效果很好，消除了發(fā)酵基質(zhì)中的溫度和濕度梯 度，有利于過程中的工藝參數(shù)的控制； ⑤某些產(chǎn)物（如單細(xì)胞蛋白）可以直接在反應(yīng)器中進(jìn) 行干燥； ⑥相對于傳統(tǒng)的固態(tài)培養(yǎng)，生產(chǎn)效率大大提高，因此 可以減少生產(chǎn)所占用的空間和生產(chǎn)操作費(fèi)用。 ? 由于發(fā)酵物料是在密閉條件下進(jìn)行發(fā)酵，而且進(jìn)入發(fā)酵罐內(nèi)的空氣和水都經(jīng)過滅菌處理，完全消除了雜菌污染的可能性，最終產(chǎn)品的質(zhì)量有了確切的保證。 ? 目前，國內(nèi)已有 — 10m3規(guī)格的立式多層圓桶形固態(tài)發(fā)酵罐出售，可以用于菌體蛋白、纖維素酶、淀粉酶、四環(huán)素、赤霉酸、紅曲、醋曲、醬曲的生產(chǎn)，生物制藥（包括生物農(nóng)藥），飼料和菜籽餅固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)酶等許多領(lǐng)域。典型的有 Bt發(fā)酵、纖維素酶發(fā)酵、果膠酶發(fā)酵、固氮菌發(fā)酵、赤霉素發(fā)酵、核黃素發(fā)酵等。更重要的是，木質(zhì)纖維素的生物轉(zhuǎn)化與生物量全利用是人類可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中的重大課題，現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)將是該課題最終克服技術(shù)經(jīng)濟(jì)關(guān)的突破口。因此對傳統(tǒng)制酒，及風(fēng)味食品制造方面提供技術(shù)改進(jìn)的新途徑，甚至創(chuàng)制新的風(fēng)味發(fā)酵食品、保健食品等，例如用紅曲霉固態(tài)發(fā)酵制紅曲霉素及保健食品等。但風(fēng)速太大，填料層表面基質(zhì)將被吹起。 2021/6/15 68 80 五、吸附載體固態(tài)發(fā)酵技術(shù) ? 傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)酵不足之處： ①固體培養(yǎng)基既是碳源，又是它們的結(jié)構(gòu)組成部分，在微生物發(fā)酵生長過程中，培養(yǎng)基被分解了，底物容易結(jié)塊，孔隙率也降低。 2021/6/15 69 80 （一）吸附載體固態(tài)發(fā)酵的特點(diǎn) ? 吸附載體固態(tài)發(fā)酵的特點(diǎn)特征是以天然或人工合成的多孔材料代替麩皮之類的固態(tài)基質(zhì)作為微生物的載體，營養(yǎng)成分可以嚴(yán)格控制，發(fā)酵結(jié)束，只需將菌體和培養(yǎng)液擠壓出來進(jìn)行抽提，載體又可以重新使用。為了確定微生物適合的載體，應(yīng) 了解微生物發(fā)酵周期、載
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