微生物发酵技术主题论文

为温室供能用沼气发酵方法及发酵系统摘要：介绍了一种能够为温室供能用的沼气发酵方法及发酵系统的专利技术。发酵系统具体由生物酸化积肥装置、缓冲调节池、高效沼气发生装置、出水沉淀池、出水暂存池和沼气缓存装置等依次经管道和阀门连接组成。发酵方法具体步骤包括生物酸化积肥装置的启动和原料的生物酸化储存，高效沼气发生装置的启动、沼气生产供应、休停和再启动等。该技术与传统沼气技术相比，具有一定的优势能够根据温室生产实际，及时把分散在全年产生的种植业有机废弃物投加到产酸积肥池中，然后根据温室供能需求，随时通过发酵系统生产沼气。发酵残渣根据生产需要分批取出用于温室有机肥。该技术实现了可以根据温室需求对沼气发酵灵活调节的要求。 关键词：沼气；温室；供能；可调控性 1．引言 温室是现代农业工程中重要的技术主题，温室的发展使传统露天农业转化为保护条件下的可控制农业[1]。目前国际上，温室已经广泛应用于花卉、蔬菜栽培[2]。温室栽培的最大优势是通过温室环境的控制，满足作物的最佳生活条件，抵抗自然灾害等，从而获取最大的生产效益。在温室管理中，温室冬季加温、补光和二氧化碳施肥是重要的环境调控措施[3]。这些调控过程都需要能源的消耗，目前的能源消耗以一次化石能源煤和二次能源柴油、电力[4]为主。这些能源的大量消耗一方面加重了全社会的能源供给负担，另一方面也大幅度提高产品的生产成本。受能源价格影响，许多温室不得不放弃温室的冬季加温、补光和二氧化碳施肥，这样不仅不能充分发挥温室的应有功能，甚至会造成温室管理的失败。 在温室管理中，每年会产生大量的种植业有机废弃物。目前，这些被随意堆放的废弃物，造成了严重的农业面源污染[3，4]。然而，这些有机废弃物本身富含大量有机质，是非常好的沼气生产原料。如果能用温室生产管理过程中产生的有机废弃物来生产沼气，从而替代煤、石油、电力等不可再生能源用于温室供能，不仅可以降低温室供能成本，同时废弃物中的营养物质又可以循环利用，减少废弃物排放，改善农业环境。但是，迄今为止没有沼气在温室供能领域应用的成功案例。 2．传统沼气技术与温室供能需求的背离沼气发酵技术可以分为两类，即传统沼气发酵技术和水溶性有机物高效沼气发酵技术[5, 6]。这两类技术应用于温室沼气供应都存在诸多技术难点。具体分析如下： 传统的沼气发酵技术，利用复杂性有机质发酵沼气，沼气产生具有非常大的周期性，往往开始投料时产气慢，中间产气旺盛，而且一旦沼气发酵系统启动，是否产沼气和产生多少沼气，要受原料特性和发酵规律的内在约束，很难调节。而温室用能表现在取暖、二氧化碳施肥等方面，这些能源需求往往受天气的控制，而天气又变化无常。因此，往往是要气时没有气，不要气时产气，如果满足需求将要建立庞大的储气装置，这在投资和占地上是不允许的。如果根据长期天气预报进行计划式投料，在理论上可行，但在实践上是难操作的。一方面，长期天气预报目前的准确性较差，另一方面，关于复杂有机质的产气规律不可能准确预测。同时，温室产生有机废弃物是分散在全年的各个时段，所产生的废弃物大多易腐烂，很难储存。因此传统的沼气技术基本不能适应温室供能需求。 水溶性有机物高效沼气发酵技术，利用可溶解的简单微生物进行沼气发酵，采用高效反应器可以实现较高的效率[7,8]。一是可溶性有机质非常容易反应，沼气的产生量在反应器负荷允许的范围内，基本决定于短期内的进料量，即进料多产气量大，进料少产气量小，停止进料短期即停止产气。二是成熟反应器中的沼气发酵厌氧微生物具有非常强的耐饥饿性，在长期不进料的情况下，反应器内的微生物能够长期耐受，而且再启动时可以迅速恢复正常高效产气。水溶性有机物高效沼气发酵技术的以上两点技术特征均符合温室需能波动性的要求。但是，如果单独为了温室供能需要而刻意外购水溶性有机物作为发酵原料生产沼气，不仅成本上与化石能源不具竞争优势，而且也达不到生物质废弃物资源就地利用、开展循环经济和环境建设的目的。因此，水溶性有机物高效沼气发酵技术也不适合温室供能需求。 3．技术内容本文提供一种可以根据温室生产实际，把分散在全年产生的种植业有机废弃物投加到发酵系统中，然后根据温室供能需求，随时通过发酵系统生产沼气，能够为温室提供可用的沼气发酵系统及发酵方法。其中，发酵系统由生物酸化积肥装置、 缓冲调节池、 高效沼气发生装置、出水沉淀池、出水暂存池和沼气缓存装置依次经管道和阀门连接组成。其结构如图1所示。其中，生物酸化积肥装置和缓冲池设置主控制阀，缓冲池与高效沼气发生装置之间设置泵， 高效沼气发生装置、出水沉淀池出水暂存池之间通过水的重力自流完成连接， 出水暂存池同时与缓冲调节池和生物酸化积肥装置相连， 中间依次设泵和配水器，高效沼气发生装置联接沼气缓存装置。为了保证沼气发酵能够满足温室供能需求，以上发酵系统按如下步骤管理第一、进行生物酸化积肥装置的启动和原料生物酸化储存，具体方法如下 （1）按相当于温室平均每天产生量的2.5～3.5倍质量收集温室种植业有机废弃物或其他种植业有机废弃物作为启动原料，对启动原料进行粉碎预处理；（2）向步骤(1)所得预处理原料中添加含N元素物质，混合，控制混合料碳氮比为(20：1)～(30：1)；（3）将步骤(2)所得混合料投入到初次使用的生物酸化积肥装置中，加入接种物进行接种，混合，得到发酵原料，接种物的加入量为启动原料干重的3%～5%；（4）向步骤(3)中生物酸化积肥装置中加水进行发酵，水的加入量为至少高于启动原料平面10cm，发酵温度控制在20～40℃；（5）经过4～5天发酵后，发酵液pH值降到6以下，即完成酸化积肥装置的启动；（6）按照步骤(1)～(2)的方法随时收集处理温室生产的有机废弃物，及时投入已经启动的生物酸化积肥装置中，不需接种，直接加水至原料平面以上10cm；（7）重复步骤(6)直至一个生物酸化积肥装置投满，重新启用另一个生物酸化积肥装置，重复操作步骤(1)～(6) ；第二、进行高效沼气发生装置启动，调控装置运行满足温室用能与沼气生产的协调，具体方法如下： （1）高效沼气发生装置启动：投入接种物进入高效沼气发生装置，用水或水与生物酸化积肥装置中抽出的酸液混合物加满沼气发生装置，静止3～5d，接种物加入量为3～10kgVSS/m3；从生物酸化积肥装置抽出有机酸液泵入缓冲调节池中，用出水暂存池中的系统出水或外来水调节，控制有机酸液的化学耗氧量（COD）浓度为2000～5000mg/L，作为沼气发酵料；按0.5kg COD/( m3·d)～2kg COD/( m3·d)的速率阶段式调整水力负荷，连续进料直到实现水力负荷为5kg COD/( m3·d)～10kg COD/( m3·d)，即完成沼气发生装置的启动，整个启动大约需50～80d。启动期间，温度控制为25～35℃。负荷调整的原则为，每次水力负荷调整运行稳定后，才开始进行下一阶段负荷的增加；沼气发生装置的出水经沉淀池沉淀后，流入出水暂存池，部分作为生物酸化积肥装置液体补加，部分用于缓冲调节池酸液的发酵料调节使用（2）沼气生产供应：根据温室生产实际预算沼气需求的时间和数量，按1kg COD产 0.4～0.5m3沼气折算有机酸液的需求数量和时间，并按时按量从生物酸化积肥装置中抽机酸液进入缓冲调节池，按步骤（1）中所述方法调节成沼气发酵料；按5kgCOD/( m3·d)～30kg COD/(m3·d)水力负荷的流量，采用间歇或连续方式向已经启动好的沼气发生装置中进料进行沼气生产，产生的沼气进入沼气缓存装置备用；进料的流速控制、间歇或连续方式取决于每次沼气的需求量和沼气缓存装置的体积。沼气需求大、沼气缓存装置体积小时，采用大流量连续进料，反之，使用小流量间歇进料；当一个生物酸化积肥装置中的抽出物小于800～1000mg/L时，即该生物酸化积肥装置停止产酸，停止从该装置继续抽取发酵液。（3）沼气生产休停：对于启动好而温室不需要使用沼气，或者一个沼气使用周期结束，温室很久不使用沼气时，停止向高效沼气发生装置中继续进料，装置进入休停状态。休停期间，保持每10～30d补加一次发酵料，保证系统内微生物的营养需求。补加发酵料的调节方法同步骤（1）所述；补加发酵料的量为反应器体积1～3倍，补加速度为2～5kg COD/(m3·d)。（4）沼气生产休停后的再启动：对于步骤(3)中已经处于休停状态的高效沼气装置，再进入新的用气周期前必须进行再启动；再启动的方法是在新用气周期开始前3～10d，按照步骤(1)中所述方法调节发酵料，按1.8kg COD/(m3·d)～2.2 kg COD/(m3·d)负荷向高效沼气装置进行适应性进料。

微生物与食品制造 郑大 食品药品安全与检测（广告）摘要微生物是一类宝贵而又丰富的生物资源 。它广泛应用于食品、发酵、制药、环保、冶金和农业等众多行业。这类资源如能进一步科学合理地开发，必将为人类创造出巨大的物质财富。民以食为天，食品是人类赖以生存的基础。近年来，全世界由于人 口的增加和生活水平的提高，对食品的质和量提出了更高的要求。随着食品资源的不断被利用，开辟新的食品资源 已越来越引起人们的思考。在寻找食品新资源的过程中，虽然人们还习惯把着眼点主要放在扩大种植业、畜牧业和水产业上，但由于微生物具有与众不同的特点，已使人们产生浓厚的兴趣，开拓了人们寻找食品新资源的视野。经过不断研究和开发，一大批应用微生物生产的食品相继面市。微生物在丰富食品种类、增加或提高营养成分的含量以及改善食品的风味方面正日益扮演重要的角色，显示出广阔的应用前景，逐渐实现食品由植物、动物二维结构向植物、动物、微生物三维结构的转变。正文微生物发酵当今人们采用的主要技术是利用微生物的发酵来制造食品。微生物发酵就是利用微生物，在适宜的条件下，将原料经过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的过程。微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过变异和菌种筛选，可以获得高产的优良菌株并使生产设备得到充分利用，也可以因此获得按常规方法难以生产的产品。发酵有三大过程要素 1、温度 2、PH值 3、氧气现代微生物发酵工程的内容⑴利用现代化的手段对微生物加以筛选和改造，以形成更符合工业生产需要的新菌种的工业微生物育种技术、其中渗透了基因工程、细胞工程的一些内容，经过改造的、满足人们需要的微生物菌种通常被称之为工程菌；⑵微生物菌体的生产，即利用先进的生产工艺高速地对某种微生物进行大量的纯培养，即工程菌的克隆；⑶从微生物中分离有用物质，如利用微生物以一些廉价的废弃物做底物生产单细胞蛋白质等；⑷微生物初级和次级代谢产物的发酵生产，如生产氨基酸，抗生素等生理活性物质；⑸发酵产物的分离纯化和加工后处理；⑹利用微生物控制或参与工业生产，如采矿、冶金等；以及微生物生物反应器的研究开发，新型发酵装置、生物传感器和使用电子计算机控制的自动化连续发酵的技术等等。微生物与酿造品一、醋酸菌的应用——食醋的生产我们知道，食醋是我国人民日常生活中的调味品之一，也是我国利用微生物生产的一个古老的产品。在民间，食醋的生产是采用存在于自然界中的醋酸菌进行自然发酵的；在工厂里，为了提高产量和质量，避免杂菌污染，采用人工纯接种的方式进行发酵。长期以来用于食醋生产的细菌有纹膜醋酸菌（醋化醋杆菌）、许氏醋杆菌。但目前应用最多的是恶臭醋杆菌混浊变种（AS1.41）、巴氏醋酸菌巴氏亚种(泸酿1.01号)。 醋酸菌在充分供给氧气的情况下生长繁殖,并把基质中的乙醇氧化为醋酸，这是一个生物氧化过程，反应式省略。 根据菌种不同，在发酵过程中还可产生少量的其它有机酸以及有香味的酯类等，使食醋具有良好的风味，因此，选择优良的菌种对食醋生产非常重要。 食醋的酿造方法通常可分为固态发酵和液态发酵两大类，我国传统的酿造法多采用固态发酵。用这种方法生产的醋风味较好，但需要的辅料多，发酵周期长，原料利用率低，劳动强度大（一）原料 可用于食醋生产的原料很多，有粮食、干鲜果品、野生的含糖或淀粉的果类等。例如：糖、蜜、高梁、大米、玉米、甘薯、糖糟、梨、柿、枣类等。一般著名的食醋仍以糯米、大米、高梁等粮食原料为主。（二）工艺流程 原料混合→ 加水拌匀、蒸煮→ 冷却后加麸曲和酒目→ 糖化、发酵→ 接入醋酸菌→ 醋酸发酵→ 加盐陈酿→ 淋酸 →陈酿（脂化、增香、增加固形物和色泽、使醋酸提高到5%以上）→配兑→ 灭菌→ 包装、成品。 我国生产的食醋品种很多，而且有许多名优产品。如山西陈醋、镇江香醋、四川麸醋、江浙的玫瑰醋、福建的红曲醋以及东北的白醋等。各种醋在选料、发酵工艺及最后的调配料、陈酿上都有各自的特点。二、氨基酸发酵 氨基酸是组成蛋白质的基本成分。在氨基酸中有八种是体内（人体）不能合成但又需要的氨基酸，通常这八种氨基酸称为必需氨基酸，人体只有通过食物来获得。 另外，在食品工业中，氨基酸可以作为调味料，如谷氨酸钠——味精，作为鲜味剂使用；色氨酸和甘氨酸可作甜味剂。在食品中添加某些氨基酸可提高食品的营养价值，如在大米中添加赖氨酸，可提高蛋白质的利用率等。为了改善禽畜的饲料质量，往往也添加赖氨酸和蛋氨酸等必需氨基酸。因此，氨基酸的生产具有重要的意义。 最初，氨基酸的生产通过水解蛋白质进行。自1957年用微生物直接发酵糖类生产谷氨酸获得成功，投入工业化生产以来，氨基酸的研究和生产得到了迅速发展，约有十余种进入工业规模生产，我国也于1963年开始了谷氨酸的发酵生产。（一）谷氨酸钠（味精）的生产： 谷氨酸发酵菌：谷氨酸棒杆菌、菌色短杆菌等。 我国使用的生产菌株：北京棒状杆菌，AS1.299；钝齿棒杆菌，AS1.542。这些菌的共同特性是：菌体为球形，短杆至棒状，无鞭毛、不运动、不形成芽孢，革兰氏染色阳性，生长需要求生物素，在通气条件下培养产生谷氨酸。 谷氨酸发酵的生化过程：首先是葡萄糖经糖酵解和单磷酸已糖支路两种途径生成丙酮酸，丙酮酸→乙酰辅酶A→三羧循环→生成α—酮戊二酸，在谷氨酸脱氢酶的作用下，在NH4+存在时生成L—谷氨酸。 1、原料：发酵法生产谷氨酸钠的原料有淀粉质类的玉米、甘薯、小麦、大米等，其中甘薯淀粉最为常用。此外，糖蜜等也可用来作发酵培养基的碳源。氮源可用尿素或氨水。 2、工艺流程： 淀粉质原料→糖化→冷却过滤→加入玉米浆及其它营养物，配成合适的培养基→按种发酵菌→发酵→发酵液→提取（等电点法、离子交换法等）→谷氨酸结晶→Na2CO3中和→谷氨酸钠（味精）→经过去铁、脱色、过滤、浓缩、结晶（味精）→干燥后即得成品。三、蔬菜和水果的乳酸发酵食品 蔬菜和水果经乳酸菌的发酵，不仅可以得到富于营养、具有一定风味的产品，是一种食物的加工方法；同时又是一种具有悠久历史的食品保藏方法。随着人们对果蔬乳酸发酵食品的营养价值及其对人体的有益作用认识的逐渐提高，使果蔬食品乳酸发酵加工业得到了发展，不但品种增多，而且加工过程也从家庭式的手工业逐渐走向机械化的工业生产。 我国人民在制作乳酸发酵果蔬制品方面具有悠久的历史，包括美味营养的酸泡菜、酸腌菜、渍酸菜，还有花样繁多、风味各异的酱腌菜、乳酸发酵的果蔬汁等等，举不胜举。酵母菌在食品制造中的应用 酵母菌的应用非常广泛，主要有食品制造（酒类、面包的生产）、单细胞蛋白、医药化工（核酸、维生素的生产），石油烃类发酵等。 酵母菌与人类生活的关系十分密切，长期以来人们利用酵母菌制作食物Pr，面包，各种酒类等多种食品，因此，酵母菌在食品工业中占有极其重要的地位。 下面介绍酵母菌在食品中的应用面包的生产 面包和馒头几乎是我国广大城乡人民经常食用的食品，它们都是由面粉经过酵母菌发酵后制成的，其质地松软，味香可口，但面包的原料配合较为合理，经过烘烤而成，因而更加可口和富于营养，也便于携带和保存。 用于制造面包的酵母——啤酒酵母，可以从啤酒厂得到，但有专业的工厂生产酵母制品，专门用来生产面包的酵母产品有压榨酵母（鲜酵母）、活性干酵母（ADY），一般用压榨酵母较多。 面包制造是以面粉为主要原料，加水和酵母菌混合成面团，在30℃左右发酵，酵母菌利用面粉中淀粉酶分解淀粉生成的麦、葡、果、蔗糖，产生二氧化碳、醇、醛和一些有机酸等产物。 二氧化碳使面团膨胀，发酵好的面团，经过揉搓添加配料，成型后放到烘焙炉中在高温下烘烤。二氧化碳受热膨胀使面包成为多孔的海绵状结构，使产品具有松软的质地。发酵中产生的有机酸、醇、醛等赋予面包以特有的风味。有的还添加各种食用香精、果仁、果脯等辅料，形成不同的花色品种。微生物酶在食品工业中的应用 酶用于食品制造历史悠久，但对于酶的了解则是近代科学的重要成就。随着食品工业的发展，对于酶的品种、数量、质量提出了更高的要求。因此，世界各国都普遍重视酶的研究和生产。一、微生物生产酶制剂的优点 一般认为M 细胞至少能产生2500种以上不同的酶。 微生物酶的生产具有选择性（选择菌株），便于工业化生产，不受季节、气候、地理等条件的限制；生产能力也可以不受限制，而且M生长周期短，有可能保证酶的供应。二、微生物酶及其在食品工业中的应用 1、酶生产用的微生物：微生物酶制剂可以由细菌、放线菌、酵母菌、霉菌、等M产生。 2、酶的种类：微生物酶的种类较多，主要包括淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、果胶酶、过氧化氢酶等。各种酶类在食品工业中起到不同的作用。发酵工程在在食品工业上的应用：主要有三大类产品，一是生产传统的发酵产品，如啤酒、果酒、食醋等；二是生产食品添加剂；三是帮助解决粮食问题。在食品工业中，不仅利用微生物生产食品产品，而且还把它作为食品卫生标准中的检测指标之一来判断食品的卫生质量，从而有效地保证了产品质量，更好地指导消费和保护人类的身体健康 。在微生物发酵方面，利益与弊端并存，发展与挑战同在，我们要做的就是通过不断发展的科技趋利避害，直面挑战才能求得发展。尽管我们今天享用的许多产品还离不开传统的发酵工业，但现代微生物工程已冲击到包括传统食品发酵业、制药业、有机酸制造业、饲料业等各个产业。