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    H250型半動態強制充氣發酵器與幾種常用發酵方式的比較試驗

    2007/6/17 18:31:33   文章來源:宜春強微高新技術專利產品開發中心   作者:鐘啟平   瀏覽次數:21120
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    本文發表在《飼料工業》權威雜志1997年第4期上

    原江西海天實業總公司海泉生物工程公司
    宜春強微高新技術專利產品開發中心
    宜春強微生物科技有限公司             作者:鐘啟平

     

    1、目前常用的發酵設備與方法

    1.1 固態發酵機

        該機設備機械化程度高,控溫調溫效果好,操作簡單,勞動強度小,發酵效果好。缺點是占地極大,投資也巨大,萬噸級規模需要該發酵機60臺,占地1500平方米以上,投資145萬元以上,發酵面積效率僅40公斤/平米·天。故它僅用于來生產小批量的固體母種和高附加值的產品。

    1.2 通風發酵池

        采用此法的廠家很多,效果卻不佳,料層厚度一般為50厘米以下(太薄了則用此法不合算),吸水后的柔性物料上下擠壓,而鼓風機風壓僅240-400毫米水柱,池中央幾乎為通風死角,相反物料與硬性水泥壁之間風阻較小,大量風由此短路而出,故池中間物料不能及時換氣,溫度常達到50度以上,產生酒味和燒料現象。通過在池中間物料上戮大量的通風孔可以緩和這一狀況。同時帶動孔與孔之間物料中空氣的擴散換氣作用,但死角物料仍然很多,勞動強度也較大,溫濕度上下不易控制均勻,占地也較大此。

    1.3 淺盤上架發酵法

        料厚一般控制在10~20厘米,發酵室內靠自然對流及排風扇等進行換氣控溫,物料內部則靠擴散作用換氣,但物料板結后,擴散作用明顯減弱。該法生產的產品質量還穩定,生物效價也較高,但勞動強度還極大,生產管理復雜,從而質量控制意識容易忽視,占地也較大,料層也厚一些,不利于產品質量穩定。

    1.4 蜂窩煤發酵法

        將待發酵物料壓成蜂窩煤狀,疊放于周轉箱內,再堆放于發酵室內保溫發酵。占地面積極小,勞動強度也不大,但物料被壓緊,同部物料嚴重缺氧,發酵僅在表面良好,發酵過程中酒味濃郁,產品生物活性較低,質量也不穩定。實不可取。

    1.5 另外還有大棚發酵法,地面發酵法,立體發酵器法,空氣載體發酵法等

    2、固態發酵設備設施的設計原則

        根據我們的經驗應遵循以下幾點原則:

    2.1 保證最大限度地產生生物活性物質及分解基料蛋白;這是發酵的目的,也即要充分地考慮供氧。微生物菌體與酶的合成、物質代謝、主動運輸等生理活性均需要能量,能量是由基料氧化而獲得的,微生物僅能利用這些能量中的以ATP形式存在的能量,其余大部分則以代謝熱釋放到環境中,一般而言,每摩爾ATP可供10克菌體物質的合成。細胞在缺氧時,由底物水平的磷酸化產生ATP,效率極低,且產生一些不必要的代謝物如乙醇等;細胞在氧氣充足的情況下,則由氧化磷酸化水平上產生ATP,效率要高10~20倍,且作為能源的淀粉類基料可徹底地分解利用,尤其是對于高蛋白基料水平上的固態發酵來講,能源物質有限,應充分考慮供氣的效果,肯定具有極大意義。

    2.2 盡量消滅供氣死角,有良好的傳質性能,保證物料的均質性、疏松性。有防止發酵過程中由于物料變化和物質與能量的反應化而造成的傳質不均勻的手段。

    2.3 保證利用風載熱載濕以達到溫濕度調控的目的。

    2.4 發酵室應有良好的保溫及降溫功能。

    2.5 便于集中管理,集中控制。

    2.6 注意規模放大產生的負效應,如可設計組合成組裝式發酵單元,一個單元為一個發酵體,增加單元數量便可達到增加規模的目的。

    2.7 另外還須結合基料配方設計來達到良好發酵的目的,如控制基料酸度可達到控制雜菌污染的目的,增加適當的磷源可充分利用基料能量物質等,同時考慮進行后熟、強制自溶等需要來設計發酵設備設施。

    3、H250型半動態強制充氣發酵器與幾種常用發酵方式的比較試驗

        H250型發酵器是我公司承擔的江西省“八五”重點工業性試驗項目的配套設計設備,物料內采用無油空壓機控壓強制連續充氣,同時所有物料死角均布有方向不同的壓縮空氣噴孔,發酵中每8小時噴氣幾分鐘,以進行翻料及死角換氣。物料出入半機械化,每個發酵器每批處理折干物料為80公斤,發酵面積效率為160公斤/平米每天。發酵室內溫濕度的控制為本公司干燥工序的脈沖閃蒸干燥機的第一級尾氣,再調濕降溫而成,風溫為36~40度,相對濕度為95%,風量為11800立方米/小時,風壓為1000毫米水柱,風機功率為75千瓦,室內裝有直接蒸汽管道閥門以備風機停機時保溫用。

        物料內的供氣系統由無油空壓機、后冷卻器、緩沖罐、調溫調濕器、預過濾器、油水過濾器、精密過濾器、貯氣罐、風網系統一和風網系統二組成。H250發酵器由鋼網外殼、運送件、壓縮空氣管、空氣觸足、擋料棒、死角噴氣孔、連接管,等組成。

        本對比試驗采用本公司HT-4號配方,主料為預脫毒菜粕、預分解動物蛋白懸液、淀粉原料及其它等,經混合,調濕,滅菌,后接入三株高酶活菌種,五株酵母菌進行發酵,室內用直接蒸汽保溫,排風扇降溫,培養溫度為28~36度,均進行后熟,強制自溶處理。試驗組為H250型發酵器,料內強制充氣,裝濕料130公斤,料厚100厘米。對照組為淺盤發酵,分料厚為5厘米、10厘米、15厘米三種;蜂窩煤發酵,壓制12個疊放于塑料箱內;模擬小型厚層通風池,鋼網做假底,料厚為50厘米,中央戮孔處理,小型鼓風機通風,每6小時通風30分鐘,發酵高峰時注意通風降溫。

        HT-4號配方基料蛋白含量為46.45%,接種后含扣囊擬內孢霉(大細胞)0.3/克,含其它酵母細胞(小細胞)0.84億個/克,酵母細胞總數為1.14億個/克,含高酶活曲種孢子0.52億個/克。

        考核參數選用(1)典型的酵母細胞總數。(2)扣囊擬內孢霉(大細胞)細胞數。(3)其它酵母細胞數(小細胞)。(4)菌體轉化率,即菌體物質占總物料的重量百分比。(5)發酵面積效率kg/md。(6)可溶性蛋白含量,間接地反映了產蛋白酶的能力。(7)發酵氣味,反映是否正常。試驗結果見表1~4。

        菌體轉化率公式如下:

        菌體轉化率%=A/116B/650×1.551×100%

        式中:A------扣囊擬內孢霉細胞數 億個/

              B------其它酵母細胞數     億個/

              116---每克純扣囊擬內孢霉細胞數(億個/克)

              650---每克純其它酵母細胞數(億個/克)

              1.551---高酶活曲種的菌絲體生長量相對于酵母菌體產量的系數(g/g

    表一:12小時取樣結果   (億個/克、%、kg/md

            試驗項目

    淺盤5厘米

    淺盤10厘米

    淺盤15厘米

    通風池

    蜂窩煤

    H250型發酵器

         細胞總數

          大細胞數

         小細胞數

        菌體轉化率

        可溶性蛋白質

          發酵效率

        發酵氣味

    5.65

    4.40

    1.25

    6.19

    12.24

    8

    酸甜

    4.90

    3.69

    1.21

    5.24

    12.01

    16

    酸甜

    3.07

    1.87

    1.20

    2.81

    10.22

    24

    酸甜

    3.76

    2.64

    1.12

    3.83

    10.13

    80

    酸甜

    1.58

    0.68

    0.90

    1.10

    9.63

    240

    酸甜

    6.23

    4.73

    1.50

    6.68

    14.00

    160

    酸甜

    表二:24小時取樣結果   (億個/克、%、kg/md

         試驗項目

    淺盤5厘米

    淺盤10厘米

    淺盤15厘米

    通風池

    蜂窩煤

    H250型發酵器

          細胞總數

        大細胞數

         小細胞數

       菌體轉化率

       可溶性蛋白質

         發酵氣味

    39.90

    16.82

    23.10

    28.00

    18.90

    醬香帶酸

    32.12

    12.91

    19.21

    21.85

    17.01

    醬香帶酸

    24.41

    8.12

    16.29

    14.74

    13.27

    醬帶酸有酒味

    26.12

    10.11

    16.01

    17.34

    15.23

    醬香有酒味

    6.96

    4.22

    2.74

    6.30

    10.56

    酒味濃郁

    46.27

    18.27

    28.00

    31.11

    20.29

    醬香帶酸

    表三:36小時取樣結果   (億個/克、%、kg/md

                   試驗項目

    淺盤5厘米

    淺盤10厘米

    淺盤15厘米

    通風池

    蜂窩煤

    H250型發酵器

                    細胞總數

                    大細胞數

                     小細胞數

                    菌體轉化率

                   可溶性蛋白質

                    發酵氣味

    52.09

    17.91

    34.18

    32.10

    29.02

    醬香味

    43.57

    13.56

    30.01

    25.29

    28.12

    醬香味

    35.56

    9.67

    25.89

    19.11

    22.71

    醬香味

    37.78

    12.01

    25.77

    32.20

    24.13

    醬香味

    9.19

    5.12

    4.07

    7.81

    13.79

    醬香味帶酒味

    60.94

    19.73

    41.21

    36.22

    31.17

    醬香味

    表四:48小時取樣結果   (億個/克、%、kg/md

                   試驗項目

    淺盤5厘米

    淺盤10厘米

    淺盤15厘米

    通風池

    蜂窩煤

    H250型發酵器

                  細胞總數

                  大細胞數

                   小細胞數

                   菌體自溶率

                 可溶性蛋白質

                    發酵氣味

    18.27

    15.17

    3.10

    64.93

    38.18

    醬香濃郁

    16.21

    12.43

    3.78

    62.79

    35.12

    醬香濃郁

    16.32

    8.27

    8.05

    54.11

    30.01

    醬香濃郁

    16.23

    10.91

    5.32

    57.04

    31.02

    醬香濃郁

    ——

    ——

    ——

    ——

    ——

    ——

    19.01

    16.22

    2.79

    68.81

    39.28

    醬香濃郁

        注:蜂窩煤組不能進入自溶,否則出現異味,污染雜菌等。另由于大量細胞自溶,使基質轉化率表觀數據下降,故此處無意義。

    4、結論

    4.1 各指標數據有一定的規律性,與供氣效果成正比,排列順序為(1H250型發酵器。(2)淺盤5厘米。(3)淺盤10厘米。(4)通風池。(5)淺盤15厘米。(6)蜂窩煤發酵。自溶率也符合這一規律,這與加入的促溶劑需氧作用原理一致。

    4.2 發酵效果H250發酵器與淺盤5厘米相近,而通風池與淺盤15厘米相近,但由于通風池用的是小型模擬設備,存在著規模擴大后的負效應,大規模(1500公斤干料/.池)生產中發酵效果往往遠低于淺盤15厘米。而蜂窩煤法則實不可取。

    4.3 發酵初始,扣囊擬內孢霉增殖較快,約增殖4代,這與它具備較強的淀粉酶和蛋白酶能力有關。而12~24小時,其它酵母則增殖較快,平均增殖了4代,而大細胞(扣囊擬內孢霉)只增殖了2.5代,這是由于高酶活曲種分泌的大量淀粉酶和蛋白酶的作用,使基料中富含糖分和氨基酸等,使小細胞大量繁殖。

    4.4 大細胞的自溶率極低,僅達到5~12%,而小細胞的自溶率則達90%以上,綜合強制自溶率為54~69%。正是由于小細胞增殖數量多,自溶率又高,可產生生物素,賴氨酸,和蛋氨酸,B族維生素等,故可利用它們平衡產品營養。

    4.5 H250型發酵器發酵面積效率高,同時勞動強度小,供氣效果好,重復性好,便于發展自動控制等,這些特點都與保證產品質量及質量穩定性有關,可有效地解決目前固態發酵蛋白飼料生產中產量與質量之間的矛盾。


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