• 孔隙率ε：颗粒间空隙的体积与物料层体 积之比，即：
V颗粒 V空隙 e= = 1V物料层 V物料层
2.1.3 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。 • 原料的形态多种多样，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 生物利用。 • 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： • 筛选除杂、精白、清洗、浸泡、磨粉、制坏、切 块、润湿等。
物料的水分含量
• 水分含量的基准：干基； 湿基。
• 谷物类原料的水分含量在12.5-14.5%之间。 • 而固态发酵培养基的水分一般在50%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 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 过高，则降低生产转化率。
2.1.2 固态物料的物性参数
• • • • 物料颗粒的形状和大小、 水分含量、 密度和孔隙率、 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 物很难利用颗粒内部的营养成分。 • 物料颗粒的大小及形状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，球形颗粒的距离最长， 故对于微生物来说，可用于生长的表面积最小，可以利用 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。
2.2 原料蒸煮、膨化、及焙炒
• 2.2.1 原料的熟化方式 • 原料熟化处理的目的： • （1）使原料在高温下蒸熟或炒熟，使蛋白 质变性，淀粉糊化，纤维素软化并破坏其 晶体结构； • （2）对原料进行杀菌处理 • （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： • 蒸煮法、膨化法、焙炒法。 • 在操作上，分为： • 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： • 常压蒸煮、高压蒸煮。
• • • • • • • • 人工输送 货梯提升人工倒入 流槽输送 螺旋机输送 气力输送 周转箱输送 抓斗输送 机械传送带装置输送
m物料层 V物料层
• 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 一定的关系。 • 陈坤杰[1]等得出了大麦颗粒密度随含水率 变化的数学模型为：这表明大麦颗粒密度 和含水率呈线性变化关系。含水率越大， 密度越小。 • ρs= -7.296Md + 1395.1 • Md—大麦湿基含水率，%
• 含纤维素原料的处理法： • 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。
2.3 固态物料的输送
• 2.3.1 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。 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 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。
• 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“藏”于大颗粒之间的 空隙中。这对于通风及微生物的生长都会产生影 响。 • 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， 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。
• 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 燃料乙醇的生产，也可作为其它发酵物料中的填 充物。 • 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， 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 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 过固态发酵使之无害化或资源化。
第2章 固态发酵原料 预处理技术
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，
2.1 发酵原料及预处理
• 2.1.1 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 类为原料。 • 谷物类原料：小麦、稻米、小米、玉米、 高粱等及其粉制品； • 蛋白质为主的原料：大豆、豌豆、豆粕、 麩皮、
r 颗粒
(m总 -m容器 )-m水 m颗粒 = = m水 V颗粒 V总 r水
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， 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 酵反应器内的物料层的密度即属于容积密 度的概念。 • 物料层密度的计算公式是：
r 物料层 =
传统甑桶
•
蒸饭机
•
蒸馏和蒸煮锅
•
NK式蒸煮锅系统
•
ห้องสมุดไป่ตู้
高温流化装置示意图
•
高压蒸汽灭菌锅（柜）
连续蒸煮机
•
2.2.6 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 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。
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 内所具有的质量。 • 表示固体密度的指标： • 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 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 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（kg/m3）是根据物料的实 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 密度。
• 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 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 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。
• 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 有半固态物料。 • 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； • 在输送过程中，有的物料无需考虑无菌措 施，有的则必须考虑其在输送过程中不得 染菌或尽可能减少染菌的机会。
2.3.2固态物料的输送相关的设备及 设施