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發(fā)表于 2010-6-18 17:41:15
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3. 參照液體深層發(fā)酵建立固體發(fā)酵過(guò)程參數(shù)
現(xiàn)在的豆粕發(fā)酵，不應(yīng)該繼續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)酵或食品發(fā)酵的工藝路線，現(xiàn)在的豆粕發(fā)酵沒(méi)有得到，也不可能有時(shí)間得到幾百年的經(jīng)驗(yàn)積累。而液體深層發(fā)酵，卻在近百年的發(fā)展中積累了大量的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，包括檢測(cè)方法，數(shù)據(jù)分析，控制反饋，甚至設(shè)備選型，物料平衡等等。第一步，先實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的固體發(fā)酵工藝，參照液體深層發(fā)酵建立固體發(fā)酵過(guò)程參數(shù)，是必然的選擇。
3.1液體深層發(fā)酵參數(shù)簡(jiǎn)介
液體深層發(fā)酵工藝認(rèn)為，發(fā)酵液為一個(gè)均勻的，處于激烈湍流狀態(tài)的氣，液兩相或氣-液-膠三相的可壓縮的非牛頓流體。在這個(gè)體系內(nèi)，任一點(diǎn)的代謝狀況，可以代表整個(gè)發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵液的代謝狀況，則，整個(gè)過(guò)程監(jiān)控過(guò)程，可以分為取樣----檢測(cè)/監(jiān)測(cè)----反饋三部分，至于選取參數(shù)的依據(jù)，則堅(jiān)持以下原則：
1，易于取得或檢測(cè)。
2，與代謝實(shí)時(shí)相關(guān)。
3，抗干擾，檢測(cè)值散布小。
鑒于以上原則，液體深層發(fā)酵的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并不是按照便于理科研究，二是便于工程操作選取的。
3.1.1常見(jiàn)液體深層發(fā)酵過(guò)程參數(shù)
發(fā)酵過(guò)程參數(shù)，一般等同于生理參數(shù)，用以反饋和控制整個(gè)發(fā)酵過(guò)程。
一般常見(jiàn)的生理參數(shù)為：pH值，生物量（用菌濃，濕菌體含量，干菌體含量，涂布菌落，細(xì)胞量，OD值等來(lái)表示），糖含量，氨基氮含量，可溶性磷含量，效價(jià)（目標(biāo)產(chǎn)物含量），溶氧，尾氣中氧，二氧化碳含量，發(fā)酵過(guò)程熱量的產(chǎn)生速率（一般通過(guò)降溫水流量標(biāo)示），等等。其中，常用的為pH值，生物量，糖，氮，磷含量和目標(biāo)產(chǎn)物含量。
其中，最為常用的是pH值，生物量，糖，氮，磷和效價(jià)。
包括pH，以上參數(shù)，基本可以看做是物質(zhì)在水相里散布的濃度或其函數(shù)。依照這幾個(gè)簡(jiǎn)單的參數(shù)的分析，可以確定液體深層發(fā)酵幾乎全部的工藝要求，并實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的具有可重復(fù)性的發(fā)酵過(guò)程控制。
3.1.2檢測(cè)參數(shù)（或曲線）的構(gòu)成
不連貫的數(shù)據(jù)不能用來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制，不了解曲線的由來(lái)也不能進(jìn)行有效的分析，必須明白參數(shù)的構(gòu)成。
參數(shù)的構(gòu)成，包含兩個(gè)問(wèn)題。第一是在認(rèn)為攪拌均勻的前提下，數(shù)據(jù)的連續(xù)性問(wèn)題。即取樣受工藝反饋對(duì)發(fā)酵液濃度稀釋或濃縮或改變，是否能夠表現(xiàn)代謝過(guò)程的問(wèn)題。第二是檢測(cè)曲線構(gòu)成或曲線復(fù)合的問(wèn)題，也即真實(shí)度的問(wèn)題。
面對(duì)第一個(gè)問(wèn)題，由于所有生理參數(shù)都是用濃度來(lái)表示的，以最常用的分批補(bǔ)料發(fā)酵，看某底物（或產(chǎn)物）總量變化的情況下，不計(jì)誤差時(shí)，在檢測(cè)上的表現(xiàn)。
C1=S1/V1
C2=S2/(V1+V2-V3-V4)
△C=C2-C1
其中，C1為上班次檢測(cè)值，C2為本班次檢測(cè)值,△C為本班次變化值。
S1為上班次總底物量，S2為本班次總底物量。
V1為上班次發(fā)酵液體積。
V2為上班次補(bǔ)料量。
V3為上班次取樣量。
V4為上班次呼吸損耗量。
事實(shí)上是，與V1相比，取樣量和呼吸損耗基本可以忽略，而總補(bǔ)料量雖然很大，但每班次的補(bǔ)料量不會(huì)超過(guò)總體積V1的1/20，這時(shí)的誤差，當(dāng)S相對(duì)V1很小時(shí)（這正是液體深層發(fā)酵的特點(diǎn)），相對(duì)于檢測(cè)的系統(tǒng)誤差，還是比較小的。所以，在液體深層發(fā)酵中，工藝反饋對(duì)數(shù)據(jù)的影響是在可接受的范圍之內(nèi)的。即，對(duì)于發(fā)酵過(guò)程，在檢測(cè)誤差可以接受時(shí)，把C1，C2看做連續(xù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是可信的。也即△C可以看做是由于連續(xù)的代謝被細(xì)胞合成消耗或細(xì)胞裂解釋放的某底物變化。
第二個(gè)問(wèn)題，即檢測(cè)值C=f(t)------（t為時(shí)間）的參數(shù)構(gòu)成，或當(dāng)C繪成曲線后，該曲線是由幾條曲線復(fù)合而成。
除了C函數(shù)所試圖表現(xiàn)得S的真實(shí)濃度，也即真實(shí)值外，C還由另外兩個(gè)函數(shù)構(gòu)成。
首先，由于液體深層發(fā)酵的發(fā)酵液是氣-液-膠三相的非牛頓流體，且隨著時(shí)間的進(jìn)行，粘度這個(gè)監(jiān)測(cè)誤差函數(shù)的影響最大的參數(shù)也越來(lái)越大，所以粘度誤差會(huì)是一個(gè)在X軸兩側(cè)振幅越來(lái)越大的一個(gè)震蕩函數(shù)。
其次，是監(jiān)測(cè)的隨機(jī)誤差。
這兩個(gè)誤差也是C曲線的重要構(gòu)成部分。
由此可見(jiàn)，雖然我們得到了唯一的檢測(cè)值，但C=f(t)表現(xiàn)得不是S濃度的真實(shí)值。檢測(cè)值將會(huì)隨發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)而受到更大的干擾。
C構(gòu)成的曲線是連貫的（第一個(gè)問(wèn)題），又是不能完全信賴的（第二個(gè)問(wèn)題），在這種情況下的數(shù)據(jù)分析，液體深層發(fā)酵工藝的基于監(jiān)測(cè)的過(guò)程控制積累了大量的數(shù)據(jù)處理技巧（如差商，擬合等）與經(jīng)驗(yàn)。
類似的情況，會(huì)出現(xiàn)在固體發(fā)酵等任何需要選取過(guò)程參數(shù)和分析過(guò)程參數(shù)的工藝過(guò)程中，液體深層發(fā)酵的監(jiān)測(cè)與分析技巧，也必須在固體發(fā)酵過(guò)程控制中得到借鑒和應(yīng)用。
3.2參照液體深層發(fā)酵初步建立固體發(fā)酵過(guò)程參數(shù)
固體發(fā)酵（包括豆粕發(fā)酵），其過(guò)程控制，不應(yīng)該選用傳統(tǒng)發(fā)酵的以來(lái)經(jīng)驗(yàn)的模糊模式，而應(yīng)該建立一套有效地，全面的，實(shí)時(shí)控制的檢測(cè)-反饋體系，以實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程的可重復(fù)性以及產(chǎn)品的穩(wěn)定性。
經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的大工業(yè)生產(chǎn)，類似的體系，在液體深層發(fā)酵工藝中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，在建立固體發(fā)酵的檢測(cè)-反饋體系時(shí)，可以借鑒其思想，方法和技巧。
3.2.1擬建立的取樣方法與擬檢測(cè)過(guò)程參數(shù)
一旦突破固體發(fā)酵淵源方面的限制，而進(jìn)行生理參數(shù)的選取和檢測(cè)，則在借鑒液體深層發(fā)酵工藝以建立檢測(cè)體系的過(guò)程中，最大的障礙就是物料的物理性質(zhì)。
由于固體發(fā)酵物料不是均勻的，這就要求取樣不能任意選取，而應(yīng)該在最能代表大部分或絕大部分物料的點(diǎn)，選取不止一個(gè)的點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，然后去掉離群值，平均其余的檢測(cè)點(diǎn)以盡可能得到散布較小的，有連貫性的數(shù)據(jù)。
按照發(fā)酵行業(yè)檢測(cè)的習(xí)慣，所有生理參數(shù)檢測(cè)都是在較稀的水溶液中進(jìn)行。工業(yè)化檢測(cè)的經(jīng)驗(yàn)顯示，在水溶液中進(jìn)行的定量檢測(cè)，比固體條件下的檢測(cè)要精確地多。依照這個(gè)慣例，固體發(fā)酵工藝過(guò)程參數(shù)也應(yīng)該選用與液體深層發(fā)酵類似的過(guò)程生理參數(shù)。
另一方面，選用類似的參數(shù)的另一個(gè)好處，是借鑒液體深層發(fā)酵對(duì)數(shù)據(jù)處理的經(jīng)驗(yàn)。必經(jīng)，所有發(fā)酵過(guò)程工程師是面對(duì)同樣的參數(shù)進(jìn)行工作的。
固體物料有固體物料的特點(diǎn)，所取樣本，也為固體，這就需要溶解到定量的水溶質(zhì)中，來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和比較。目前，本實(shí)驗(yàn)室暫定為：
迅速烘干樣品至恒重，然后稱量10g至100g純水中，震蕩溶解，取上清液檢測(cè)。檢測(cè)項(xiàng)目與檢測(cè)方法參考液體深層發(fā)酵。
這樣，可以進(jìn)行比較的是pH，糖，氮，磷。
還有一個(gè)重要的參數(shù)是生物量的檢測(cè)。在液體深層發(fā)酵工藝中，生物量用離心法得到菌體，然后烘干測(cè)干菌重或不烘干測(cè)濕菌重，有時(shí)，也用比色法或血球計(jì)數(shù)儀，平板涂布測(cè)菌數(shù)。
但是固體發(fā)酵沒(méi)有可以類比的可行的檢測(cè)方法。不僅僅離心不可取，由于很多時(shí)候在微觀環(huán)境物料的營(yíng)養(yǎng)水平也有差異，造成生長(zhǎng)不均勻，即便平板涂布也不能體現(xiàn)代謝情況，更不能使檢測(cè)值的散布被允許在可以保證數(shù)據(jù)連續(xù)性的范圍內(nèi)，也就沒(méi)有進(jìn)行曲線分析的意義。在固體發(fā)酵中，用直接測(cè)量生物量的方法不能進(jìn)行過(guò)程分析和控制。
這樣就引入一個(gè)新的參數(shù)，用能量損耗的總量來(lái)衡量代謝過(guò)程，就可以通過(guò)計(jì)算函數(shù)的導(dǎo)數(shù)得到代謝強(qiáng)度，取代原來(lái)液體深層發(fā)酵中對(duì)生物量及其變化的描述。
這個(gè)量即單位重量的物料經(jīng)過(guò)一定時(shí)間發(fā)酵后重量的變化。暫命名為“失重比”。
3.2.2按預(yù)想取樣方法，比較液體深層發(fā)酵，固體發(fā)酵過(guò)程生理參數(shù)的構(gòu)成
比較液體深層發(fā)酵，固體發(fā)酵的過(guò)程生理參數(shù)同樣面臨數(shù)據(jù)連續(xù)性和真實(shí)度的問(wèn)題，對(duì)于發(fā)酵過(guò)程控制來(lái)說(shuō)，沒(méi)有解決這兩個(gè)問(wèn)題的數(shù)據(jù)是沒(méi)有意義的數(shù)據(jù)。
由于檢測(cè)方法的雷同，關(guān)于真實(shí)度的問(wèn)題固體發(fā)酵面臨著與液體深層發(fā)酵相同的曲線構(gòu)成，即，檢測(cè)曲線是由真實(shí)值和一個(gè)震蕩函數(shù)與隨機(jī)函數(shù)復(fù)合而成的。在曲線中，震蕩函數(shù)和隨機(jī)函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的影響，可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)盡可能的去除。這里借鑒液體深層發(fā)酵的技巧。另一方面，看一下數(shù)據(jù)連續(xù)性。
在固體發(fā)酵過(guò)程中，檢測(cè)值的索取是取樣后烘干重溶后檢測(cè)的到的，所以，水分的變化可以不予考慮。那么：
C1=S1/G1
C2=S2/（G1-△G）
△ C=C2-C1
其中，C1為上班次檢測(cè)值，C2為本班次檢測(cè)值,△C為本班次變化值。
S1為上班次總底物量，S2為本班次總底物量。
G1為上班次發(fā)酵液重量。
△ G為上班次呼吸消耗量。
雖然在整個(gè)固體發(fā)酵過(guò)程中，重量損失是不容忽略的。因?yàn)楣に嚭途甑牟煌?，重量損耗可從10%-30%不等，但由于取樣點(diǎn)密集，每班次的損耗不會(huì)很大，所以可以看做G1≈（G1-△G），即，固體發(fā)酵的檢測(cè)數(shù)據(jù)是連續(xù)的，能夠依此進(jìn)行過(guò)程分析。 |
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