固态发酵技术-物质和热量.ppt

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1、第四章 固态发酵物质和热量的传递及平衡,5.1 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，并发生物质的传递和转化。固态发酵所涉及的物质，简化为：微生物菌体 培养基质（碳源和氮源等）代谢产物；气体（氧气和二氧化碳）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。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除代谢热。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，以汽化热的形式去除。通过发酵罐壁的传热效率较差（固-气-固）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，通过计算确定空气的温度、湿度和通

2、风量等工艺参数。,5.2 固态发酵物料的特性,5.2.1 物料层和顶空层物料的宏观分析5.2.2 物料层的微观分析5.2.3 固态发酵物料的非均质性5.2.4 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宏观分析,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。反应器内的物料层（fermentation bed），是微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。关于物料层的两种观点：“拟均质相”；“二相”体系。,“拟均质相”（pseudo-homog

3、eneous phase）：即物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。“顶空层”（headspace），是固态发酵反应器（一般指转鼓式反应器）内物料层上方被气体所占据的空间区域称为顶空层；,物层料的“二相”体系：物料层由含菌体的物料颗粒（固相）和颗粒间隙中的气体（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质交换和传递。外部进入的空气和颗粒间的气体发生物质和热量的交换。,5.2.2 物料层的微观分析,从微观上来，物料层的组成是：物料基质、微生物、物料颗粒间隙的空间；物料

4、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。,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,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。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

5、低，不搅拌时，物料几乎不存在对流，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。,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，也与空间位置有关（径向距离和轴向距离）。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。,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,气体类物质的传递 固态类物质的传递 液态类物质的传递,气体类

6、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；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化碳；氧气通过一系列的过程传递到微生物细胞。,固态类物质的传递现象主要包括：,固体类物质包括：菌体、酶和分子量不等的各种物质（淀粉、蛋白质、氨基酸、葡萄糖等）。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，形成复杂的物质传递链。,菌体的生长及酶的分泌

7、：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。酶对大分子物质的水解作用，产生小分子水解产物。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。代谢产物的释放及扩散。,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：,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。固态物质和气态物质都要溶解于水中才能进行传递。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。,水分传递的方式：微生物的生长或维持等代谢活动释放代谢水分；新细胞吸收利用水；在物料颗粒内水的扩散

8、；在颗粒表面水膜上水的蒸发；在静态气相层中水汽的扩散；气相中的水汽凝结成液态水（附着于罐壁或固态基质中）。,5.3 固态发酵过程氧的传递,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（从物料层的下方通入，上方排出，或方向相反）；强制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。,5.3.1 液态和固态发酵氧传递的区别,5.3.2 湿菌体层模型,O

9、nstra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5-3。,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,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。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，影响氧气的扩散速率；同时CO2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。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。,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，物料层由物料颗粒及颗

10、粒间隙的气体所组成。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颗粒内部的具体传递过程可用图5-6表示。,图5-6 固态发酵氧传递过程(当物料层被分为气相和固体颗粒相时),O2,固态基质颗粒,湿菌体层（水膜）,静止的空气层,CO2,（1）氧从气相主体中向物料颗粒空隙的传递，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；（2）氧在颗粒间隙空间内的扩散；（3）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；但大多数情况菌丝体需从液体中吸收氧,（4）氧从物料颗粒间隙的气相主体向物料

11、表面气膜的转移；（5）气体通过颗粒表面的气膜向气-液界面的扩散；固态发酵物料的颗粒小，单位体积的物料的表面积大，气-液界面积大，传氧速率较高；（6）氧气穿过气-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；（7）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,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-液界面、和固-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），包括菌体及菌体层内所含有的水。目前较为普遍接受的观点：氧从气-液界面进入到湿菌体层后在湿菌体中（水膜）的扩散步骤是限速步骤；湿菌体层的厚

12、度和气-液界面面积是固态发酵传氧的关键参数。,5.3.5 工程变量对固态发酵传氧的影响,理论上，影响菌体层中氧浓度的四个因素：（1）湿菌体层的厚度L；（2）湿菌体层的密度x；（3）湿菌体层中菌丝体的比呼吸活力qo；（4）在湿菌体层的氧气扩散系数De。有效扩散系数De（m2/s）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。,5.3.6 摄氧速率,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（Oxygen uptake rate，有时也称为耗氧速率，Oxygen consumpotion rate）rO及比摄氧速率qo。,5.4 水的传递与物料平衡,水在固态发酵过程中

13、的作用：水为溶剂，溶于水中的营养物质，才能被微生物利用；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：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；淀粉的水解需要水分；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。,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：气相中的水汽、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）、物料的结合水（bound water）。气相中的水汽，包括：在顶空层气相中的水汽；颗粒间隙中气相中的水汽

14、。,结合水,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（1）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；（2）物理结合水，被吸附在物料粒子外层的水分；（3）溶液状态的水分：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，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，将水分为胞内水分、胞外水分（即菌体之外的所有水分，包括物料基质中的水分）。,5.4.2 水活度和水分

15、含量,5.4.2.1 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。水活度aw被定义为：f溶剂的逸度（逸度是溶剂从溶液中逃脱的趋势）；f0纯溶剂的逸度。,纯水的 aw=1，完全无水时aw=0。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），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

16、用方式的影响，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。,5.4.2.2 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量两种。计算时应注意基准。湿基含水量（kg/kg）是以湿物料为计算基准：（5-4）干基含水量（kg/kg）是以绝干物料为计算基准：（5-5）,5.4.2.3 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。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。不同种

17、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度会相差很大。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。,Nagel等提出了水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35的小麦粒的水分含量与水活度的关系见计算式（5-6）。式中Xw,wh小麦基质最初水分含量，kg水/kg干物质。,根据水活度和温度计算水分含量的公式（5-8）：式中Ts物料的温度，。W水分含量，kg/kg干基。,5.4.3 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5-8表示。（1

18、）外部空气进入顶空层，空气中带入水分；（2）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：（3）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；（4）顶空层空气中湿度很大，水汽可能凝结到物料中；（5）物料层内颗粒之间也存在水分传递；（6）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：分子扩散，对流传递。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。但在培养过程中，由于微生物生长及代谢面摄取水分及水分蒸

19、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。从微观上看，物料颗粒内和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。,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）

20、：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；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5-9。在混匀物料层喷水过程中，水分的传递过程分为三种情况：（1）外部喷水传到物料颗粒；（2）水分被物料颗粒吸收；（3）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,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，故其作用也不可忽视。Nagel所建立的微生物的代谢及酶解等有关的水分的平衡方程（5-18）：等式左边是水的生成速率；等式的右边几项分别是：空

21、气进出反应器时所带走的水分（即蒸发的水分）；菌体生长新细胞摄取的水分；代谢产生的水分；水解淀粉所需要的水分。,5.4.5 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计算在固态发酵过程中，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。水分的蒸发导致培养物料失去水分，对发酵造成不利影响。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。,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R蒸发。水分的蒸发速度和物料实际的水活度（aws）与气相达到平衡时的物料的水活度（aws*）之差成正

22、比，和固体与气相的接触面积A成正比，同时也和水汽的质量传递系数（kw）成正比。,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，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，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100%，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。水分汽化时需要消耗大量的热量（汽化潜热，或蒸发热）。,5.4.5.2 强制通风时物料水分的损失及热量去除,5.5 物

23、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。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；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,相对于液态发酵，固态发酵的基质浓度相对要高得多。原因：营养物质不完全溶于水；载体吸附。Gustavo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载体有一定的关系。某些物质在吸附能力强的固态基质中易产生浓度梯度。即靠近微生物

24、一侧，碳源的浓度低，远离微生物，碳源浓度高。,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10g/L时，就发生分解代谢阻遏；而用麸皮作载体，即使糖的浓度达到100g/L，也不会发生分解代谢阻遏。原因：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。根据此现象，Gustavo认为在固态发酵基质中，易利用碳源存在浓度梯度。,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；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速率，则会形成浓度

25、梯度。微生物表面的碳源浓度总是处于较低的水平，因而就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（fermenting medium,W）是菌体X，残余基质S，产物P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

26、定量，一般不予考虑。Bozani16将固态发酵培养物W（包括可利用的基质，菌体，产物和隋性基质，以干基计）分成四个部分：W=I+S+X+P,5.5.4 固态发酵基质的消耗,5.5.4.1 根据氧的消耗计算基质的消耗5.5.4.2 根据二氧化碳的产生量计算基质的消耗,5.5.4.2 根据二氧化碳的产生量计算基质的消耗,5.5.6 固态发酵的补料发酵,补料发酵，即在发酵过程中，在正在发酵的物料中补充部分新料，同时排出一部分物料。有以下几种形式：回酒发酵，酒醅下窖时加入酒液，以酒养糟。一般操作是将蒸酒时的头酒、尾酒及次品酒泼入大米渣、二米渣中。由于酒头、尾酒及次品酒的品质较差，但含有高浓度的酒精和香

27、气成分，故可促进发酵产酯，增加酒的香味。以回酒发酵的酒醅香浓，成品质量亦较好。二级酒倒回酒新酒醅中，再次入窖发酵，再次蒸馏，可将二级酒变为头级酒。回醅发酵，是将长期反复发酵的酒醅，配加在新酒醅中，以老醅带新醅。老酒醅中含有微生物，且含有代谢产物，有助于新酒醅中微生物的繁殖及风味物质的形成。回糟发酵，即将已蒸馏过的酒糟，重新配入酒醅中。因为蒸馏后的酒糟中，仍有部分淀粉未被完全利用。回糟发酵可提高原料利用率。思考：如何建立以上各种补料的物料平衡关系？,5.6 热量传递和平衡,5.6.1 概述固态发酵热量传递的特点和液态发酵的相比，固态发酵基质在热力学性质方面的特殊性表现在以下几方面：（1）单位体积

28、物料产生的热量明显高于液体发酵的；（2）梯度（3）反应器的类型决定传热方式的不同；（4）热量平衡及传递数学模型非常复杂,（1）单位体积的物料中基质含量和菌体浓度均高于液态深层发酵，故单位体积内产生的热量将明显高于液体发酵的；由于固态干基物料的比热容比水的比热容小，且固态发酵基质的含水量低，故固态物料的热容量较低。发酵产热后，若不及时排除热量，就会导致物料温度快速大幅上升。而干基固态物质热传导性差，在固态基质内部，热传递速度慢；因此固态发酵物料的热量散发，尤其是颗粒内部、堆积的曲料或块状曲的内部的热量散发很困难。,（2）发酵物料的固态特性，具有非均质性及难混合的特点，使得发酵罐内菌体、基质、水分

29、的浓度存在梯度。固态物料的难混合性，更加剧了不均匀性。固态发酵物料多相共存（气-固-液三相），不同相之间的热量传递模式有很大的不同。,（3）不同的反应器及操作方式的不同，也决定了热量传递方式的多样性。传热系数的计算方法有所不同。如填充床式反应器，热量的交换主要集中在物料层。在静止培养且不通风的状态下，物料颗粒间的热量传递方式是热传导，物料温度呈现梯度变化。表层的温度与空气的温度相近，而物料层的导热系数低，热量传递困难，导致物料层内部的物料温度较高。,（4）热量平衡及传递数学模型非常复杂。固态发酵热量的产生量及传递方式往往和通风操作、菌体的生长、水的产生，基质的消耗及各种物质的质量传递紧密联系在

30、一起。而固态物料呈固、液、气三相，热量传递方式呈多样性，各相的热传热系数不同，菌体量及基质无法分离而无法准确定量分析，因此，热量的产生量及传递的规律十分复杂。,影响固态发酵物料温度变化的主要因素,导致物料温度发生变化的主要因素，主要是过程热效应（生物反应热和物理状态变化热）。微生物代谢的生物反应热，热量的主要来源；物理状态变化热：相变热，物质发生相的变化时的焓变。具体分为汽化热和冷凝热，主要是汽化热。,固态发酵反应器物质和热量传递的分析,物料层由于微生物的生长及代谢产生生物反应热，导致物料温度上升；通风使物料温度下降：从反应器外通入一定温度和湿度的空气；对于厚层通风池，填料床式反应器空气进入物

31、料层；空气携带物料层中的水汽及其所含有的汽化热从物料上层排出，发生热量交换后进入顶空层，再经排气管排出。对于转鼓式反应器，空气进入顶空层。顶空层空气与物料发生热量交换。,与热量交换关系最密切的参数主要是进出反应器气体中的空气流量、温度、水分含量。从热量平衡的角度看，可将固态发酵反应器、反应器外环境视为一个体系。发酵反应器又细分为三个亚系统：反应器壁、物料层和顶空层（headspace）中的气体。,反应器内不同的亚系统之间存在热量传递：物料层和顶空层空气的热量传递；物料层和反应器壁之间的热量传递；顶空层空气和反应器壁的热量传递；反应器外进入的空气与物料层间隙气体与顶空层气体之间也进行质量和热量交

32、换。其中物料层和顶空层空气的热量传递最为复杂，因为这不仅涉及到空气中水汽的质量传递，还与通风的方式有关。,5.6.1.4 固态发酵反应器热量平衡的一般表达式,发酵过程的热量平衡的一般形式：,进出物料热量的变化+进出干空气显热的变化+进出空气中水汽显热的变化=蒸发潜热+生物反应热-反应器表面散发热量,物料热量,Q=W C(T2-T1)进入反应器的物料温度T1排出反应器的物料温度T2,发酵反应热测定值,如果考虑碳源消耗、菌体生长和产物生成，可以计算发酵过程的反应热。如酵母菌在以葡萄糖或乙醇为碳源的基本培养基中进行培养，生长和热量生成可用以下各方程表示：,以葡萄糖为碳源的好氧发酵：C6H12O6+3

33、.84O2+0.29NH3=1.95CH1.72O0.44N0.15+4.72H2O+4.09CO2-2005kJ(测定值)以葡萄糖为碳源的厌氧发酵：C6H12O6+0.12NH3=0.59CH1.72O0.44N0.15+1.30C2H6O+0.43C3H8O3+1.54CO2-96.3kJ 葡萄糖 菌体 乙醇 甘油,实际发酵过程生物反应热的计算,生物反应热(分为呼吸反应热和发酵反应热)不考虑菌体生长时，呼吸反应热q1，C6H12O6+6O26CO2+6 H2O+2867 kJ1kg 葡萄糖产生呼吸热：q1=2867/1801000=15928 kJ/Kg发酵反应热q2(以谷氨酸发酵为例)C

34、6H12O6+NH3+(3/2)O2 C5H9O4N+CO2+3H2O+891.5 kJ1 kg 葡萄糖产生的发酵热q2=891.5/180 1000=4953kJ/Kg,2.5.1 发酵反应热-HF的确定,发酵过程中，既有呼吸反应热(如三羧酸循环)，也有发酵反应热(生产某产物)。两者所消耗的碳源会占一定的比例。如果根据实验确定在平均糖耗中，发酵热占80%;呼吸热占20%，则：谷氨酸发酵每百公斤糖耗的生物反应热=495380+1592820=714800 kJ/Kg,2.6.1 发酵反应热-HF的确定,汽化热的计算,汽化热QEV=W(H1-H2)W：空气流量(kg干空气)；H：空气的热焓。空气

35、的热焓与其湿含量和温度有关系。湿含量决定相对湿度。湿含量的计算：x=0.622(p/P-p)(Kg水/Kg干空气)分别计算进出口空气湿含量x1和x2；1：进气相对湿度；排气的相对湿度是饱和的，即2=100%。p:水的饱和蒸汽压,显热的计算,显热：即进入发酵罐的无菌空气带走的热量(进出的空气温度不同)Qsen=W CpAirTairW：空气流量CpAir：空气热容Tair：进出的空气的温度变化,设备向四周散失的热量,Qcond:设备向四周散失的热量,Qcond=FaT(t1-t2)(kJ)式中:F-设备散热表面积(m2)a-散热表面向周围介质的联合给热系数(kJ/m2h)t1-器壁向四周散热的表

36、面温度.t2-周围介质温度.T-过程持续的时间(h)联合给热系数a的计算:当空气作自然对流时,当壁面温度为50-35时,a=8+0.05t1,冷却剂带走的热量,冷却剂带走的热量的计算：Qcool=WLc(t2-t1)=Wc Cc(T2-T1)(kJ)式中：发酵物料质量为WL，初温为t1，冷却后达到t2，发酵物料的比热为C。T1：冷却水进口温度；T2：冷却水出口温度；Wc 是冷却剂的质量；Cc是冷却剂的比热。,固态发酵基质、空气的热动力学参数,比热容(specific heat capacity)；焓，湿空气的焓；加热物料所需热量 湿空气的比容 生物反应热,5.6.2 热量传递,热量传递的三种方

37、式为维持发酵温度，固态发酵体系（包括发酵物料和固态发酵罐）和外界环境必定得发生热量交换。热量的交换按热量传递机理有三种：对流传热、热传导和辐射传热。在固态发酵过程中，这三种热传递的方式往往是伴随着同时进行的。但以传导和对流传热为主。,（1）热传导,在固态发酵中，以下几种情况都属于热传导：反应器顶空层内空气的热传导；从物料层到反应器外环境的热传导。物料层内的热传导：对于不搅拌的填料床型反应器，固态物料层中，物料的不同部位存在温度差，热量通过物料层由高温层逐层传递到低温层。即使在通风情况下，在物料层的不同高度，存在温差。,（2）对流传热,在固态发酵反应器中，以下传热属于对流传热：夹套冷却水和强制流

38、动或自然对流的空气对反应器壁进行冷却；在物料层表面流经的空气与物料层的热交换；在强制通风穿过物料层时，从颗粒间隙流过的空气与固相物料层的热交换。,5.6.2.2 热传递系数,热传递系数主要有：热传导系数W/(m)；对流传热系数W/(m2)。由于对流传热量各相之间的接触面积无法测定，故常采用体积传热系数W/(m3)。,转鼓式反应器内顶空层气体-反应器壁的热传递系数：转鼓式反应器内顶空层气体既与反应器壁发生热传递，又与物料层发生热量传递。Stuart和Mitchell19推导了一个转鼓式反应器内顶空层气体-反应器壁的热传递系数hwg的计算公式：D转鼓直径，m；F进口空气质量流量，kg干空气/s；H

39、in进口空气湿度，kg水汽/kg空气；L转鼓的长度，m。S转鼓的转速与转鼓临界转速之比。,5.6.3 质量和热量平衡计算的举例,按照物料平衡和热量平衡的基本方程式进行计算。必须根据反应器的类型具体分析，区别对待：（1）混合良好的，强制通风的反应器中物质和热量的传递及计算（2）间歇混料，强制通风的反应器中物质和热量的传递及计算（3）转鼓式反应器中物质和热量的传递及计算热量的计算方法：根据性质而定。热量=物质质量比热容温度差热量=传热系数 面积（或体积）温度差,(1)混合良好，强制通风反应器中的物料（22章）,物料层内物质的分类,反应器壁与夹套冷却水的热量平衡,气相、固相和反应器壁之间的热交换,气相和固相间的物质交换,（2）间歇混料强制通风的物质传递示意（25章）,气相能量平衡,气相水平衡,固相能量平衡,固相水平衡,菌体生长和基质消耗的物料平衡式,（3）转鼓式反应器物质和热量的传递及计算（23章）,转鼓式反应器物质和能量交换示意,转鼓式反应器的三个亚系统：反应器壁，顶空层，物料层,转鼓式反应器能量和质量平衡式,接上图（上）反应器壁的能量平衡,接上图（左）的顶空层能量平衡,转鼓式反应器内物料层能量和水平衡计算,反应器物料层内菌体和干物质平衡计算,