基于热量传递的传统固态发酵过程缩小(Scale-down)机理及调控
批准号:
22108101
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
靳光远
依托单位:
学科分类:
生物化工与合成生物工程
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
靳光远
中文摘要
固态发酵技术因其原料低廉、投资低、过程环保以及丰富的微生物代谢特征的优势,近年受到越来越多的关注。但过程工程学研究的薄弱阻碍了固态发酵的效率与现代化过程控制。多数固态发酵仍采用传统的基于经验的生产方式。为此本研究拟在前期研究的基础上,以传统清香型白酒固态发酵体系为例,通过对传统固态发酵体系过程参数定量认识的基础上建立过程发酵动力学机制,综合以热量传递为核心的动力学模型,构建以热量传递系数(KLQ)为表征的发酵过程缩小(Scale-down)方法。结合相关的物质传递以及生化反应,揭示影响热量传递的关键参数的影响及变化规律,建立一套基于热量传递的固态发酵过程缩小理论。通过在模拟体系中对热量传递进行针对性的调控,建立控制方案,为后续传统固态发酵及相关产业的现代化过程控制提供基础的理论支撑。
英文摘要
Solid-state fermentation has received great attention due to its unique advantages in cheap raw materials, low capital cost, environment-friendly process and rich microbial products. However, the lack of overall engineering aspect study inhibits the productivity and modern process control. Most of the solid-state fermentation still uses traditional processing method based on experience. This study is a continue work of the previous study focusing on the heat transfer mechanism in a traditional light-aroma Baijiu solid-state fermentation system aiming at the complementary of the scale-down method based on heat transfer coefficient (KLQ). We will also establish the complete scale-down theory by revealing the mechanisms of heat transfer, material transfer and biochemical reactions. Through targeted regulation of heat transfer in the scale-down system, we will establish control methods in practice. This study will provide theoretical support for the modernization of traditional solid-state fermentation.
固态发酵技术因原料成本优势、投资低、过程环保、产物丰富以及一些产物仅在固态体系中产生的特性,广泛应用在酶制剂、能源、材料、食品、化学品以及药品等的生产。在我国,固态发酵作为传统优势食品生物技术,广泛应用于食醋、酱油、黄酒、白酒等产品的生产,相关产业在国民经济生产中占有相当的比例。然而由于固态发酵体系基质均匀性差,传质传热困难,传统的生产方式难以过程控制导致生产效率低、生产稳定性差、产品质量及安全相关的问题,其应用的广度和深度远不及液态发酵。根本原因是缺少类似在液态发酵中那样的工程学理论以及相关研究,工程学技术的普及和应用不足。尽管国外有针对相对简单固态发酵过程的研究,但未形成体系,关键在缺少核心的基准或表征参数并进行相关过程缩小、放大及控制研究。传统固态发酵过程是多菌种混合发酵、好氧厌氧发酵同时进行,过程更为复杂。过程工程控制技术的缺乏成为阻碍传统固态发酵技术升级的瓶颈。发酵过程缩小及基于小体系的调控研究是任何发酵过程放大及控制的前提。本研究基于传统清香型白酒固态发酵体系中能量传递过程的相关研究基础上,建立并解析基于热量传递系数为基准的固态发酵过程放小机制,结合过程其他关键参数变化机理,确定其他参数对其影响规律,并在小规模体系下进行能量传递调控,解决固态发酵过程缺少放小表征参数及其基本变化规律,为传统固态发酵技术现代化过程控制提供理论支持。本研究基于规模缩小方法构建的虚拟仿真模拟效果较好,证明了虚拟仿真模型在调控优化大曲发酵工艺方面具有应用前景。后续可以设计开展规模放大实验,进一步优化调控策略,以期逐步实现生产规模的工艺优化。同时,尽管由于生产规模参数收集的局限性,部分过程和产品质量参数未能完全匹配。但本研究为后续研究提供了基础,可以进一步通过引入数学模型来探索不同工艺参数的复现性,预测和优化发酵行为。这将有助于更深入地理解和控制发酵过程,推动白酒生产的技术创新和品质提升。
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