传统食醋固态酿造虚拟仿真实验国家级一流课程

罗学刚天津科技大学上线时间:2021年
  • 所属专业类:生物工程类
  • 对应专业:生物工程
  • 课程类型:专业基础课
  • 实验类型:综合设计型
所属课程:发酵工程

项目以山西老陈醋“蒸、酵、熏、淋、陈”五大工艺为内容,将传统的酿造工艺改为程序控制的软件系统,在计算机上开展虚拟仿真教学。学生以沉浸式的交互模式,体验原料预处理、拌曲、酒精发酵、醋酸发酵、翻醅、淋醋等详细工序,并能直观地看到各种条件下的运行状态。实验以任务驱动的方式完成,在不同的工段设置不同的问题,启发学生进行自主式、探究式学习。

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    Stream TypeLIVE
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    4.2
    • 实验内容

      4.3
    • 操作系统

      4.1
    • 支持服务

      4.2

    共享应用每日0点更新

    • 浏览量 16457
    • 实验人次 2841
    • 实验人数 1785
    • 实验平均用时 41'
    • 实验完成率 100%
    • 实验通过率 按人次 68.5%按人数 84.0%
    按人次按人数
    • 优秀 54.88%
    • 达标 13.62%
    • 不达标 31.5%

    实验系统浏览器要求

    教学支持热线

    团队成员

    实验教学目标实验原理实验教学过程与实验方法实验步骤实验结果与结论

    1)通过虚拟仿真实验并结合具体实验、实习、实践环节的学习,使学生掌握传统食醋固态酿造生产工艺与控制技术,并从中深入了解微生物多样性、固态发酵、生物转化等原理;

    2)通过虚实结合的实验实践过程,熟悉食醋固态发酵过程中各参数的变化规律及其检测方法,掌握滴定、比色、气相色谱等现代分析技术;

    3)通过虚拟仿真实验对生产工艺的模拟优化,提高学生理论联系实际、综合运用各学科知识解决具体复杂应用问题的能力,同时通过实验报告的撰写等过程,锻炼学生写作与表达的能力,从而培养符合时代和行业需求的高素质工科人才;

    4)通过对我国传统食醋固态发酵工艺的深入实践学习,提升学生对民族传统文化的认知,增强文化自信;

        (5)本项目将依托我校已加入的东西部共享课程联盟以及虚拟仿真项目共享平台,面向全国兄弟院校及生物工程行业大力推广,从而助力我国传统食醋行业的发展。同时,我校已开办有Biological Engineering留学生本科专业、生物工程(酿造与蒸馏)中英合作办学本科专业,通过向中外师生开展虚拟仿真实验教学,也将有助于培育海外消费群体,提升中国食醋在国际上的认知度与接受度,助推民族产业走向世界。


    (1)实验原理:

        食醋是全球应用最为广泛的调味品,也是人类最早掌握生产工艺的重要生物工程产品之一。食醋酿造的基本原理,是单独或混合使用各种含有淀粉、糖的物料,在微生物的转化作用下,最终获得以醋酸为主要成分物质,同时又蕴含其它有机酸、氨基酸、醇类、酯类、酮类、醛类、酚类等物质,具有独特风味的产品。

    我国的食醋酿造已有3000多年的悠久历史,诞生了山西老陈醋、镇江香醋、天津独流老醋、四川保宁醋、福建永春醋等许多品质优良的传统名醋。与欧美等国家食醋多以水果为主要原料经液态发酵酿造不同,我国的传统食醋多是以谷物通过多菌种混合的固态发酵工艺酿造而成的,是一个由复杂微生物群体组成的系统,简言之,即以高粱、大米、糯米为原料,以大曲作为发酵剂,经过酒精发酵、醋酸发酵、陈酿等多道工序制作而成,发酵过程微生物群落不断演替变化,从而完成大分子糖质原料的糖化、酒化、醋化与酯化过程,最终由这一过程中复杂的微生物群落及其规律性的变化赋予传统食醋独特的品质和风格(具体工艺原理如下图)。

    xiamenglei.jpg

    知识点:
    4
    1. 1. 微生物培养、生长、理化性质、群落演化等微生物学及微生物组学知识;
    2. 2. 生物分子(糖类、脂类、蛋白质等)的合成与代谢转化等有机化学、生物化学知识;
    3. 3. 物料处理与传送、热量与能量的传递与转化、发酵条件优化与过程控制等物理化学、化工原理、发酵工程、生物反应工程知识;
    4. 4. 设备运行原理及维护、车间布局与设计等机械工程基础、生物工程设备与车间设计等知识;
    (2)核心要素仿真设计:
    ①以虚促实效果显著
    有了虚拟实验的基础,学生在实习过程中能有更好的自主学习能力,所获取的知识体系也更为完整,思路更为清晰,该教学模式有利于增强学生自主学习,自主探究的内生动力。
    ②实验过程更系统
    传统的食醋固态发酵,周期长,操作繁琐。将传统的酿造工艺改为程序控制的软件系统,在计算机上开展虚拟仿真教学,从原料预处理,温度控制,酒精发酵、翻醅等工序,都能通过软件模拟进行,并能直观地看到各个条件下的运行状态,通过系统理解整个过程。
    ③实验耗材更节约
    以食醋生产为例,中试级别耗费原料达到1000 kg以上,并且生产周期较长,实验成本巨大。该类实验通过虚实结合,采用小型仿真设备的操作,结合计算机模拟中试生产,可以大大节约成本,不必担心实验消耗的问题。
    ④教学内容更直观
    学生了解食醋发酵工艺,掌握具体的操作方法,由于发酵周期长,操作时间繁琐,存在观察盲区,通过创建酿造工序仿真,对整个发酵过程进行交互式、启发式操作,能让学生全面把握工艺酿造技法,掌握生产原理。
    
    
    (1)学生交互性操作步骤:
    共12 步
    1原料粉碎根据发酵的要求,高粱的粉碎度应该在6-8瓣1(1)根据条件设置传统食醋酿造要求高粱的粉碎细度。 (2)传统食醋酿造高粱的粉碎细度过小。 (3)传统食醋酿造高粱的粉碎细度过大。 6
    2润粮根据实验,设定润料水温及加水量5(1)请设置润粮水温 (2)润粮水温设置偏高 (3)润粮水温设置过低 (4)根据条件设置润粮水量 (5)润粮水量设置过少 (6)润粮水量设置过多 (7)右键点击水桶,选择润料。 (8)点击润粮池中的原料,检查润料效果。 12
    3蒸粮设置正确的蒸粮时间5(1)右键点击铁锁,选择蒸粮,将润料完成的高粱原料转移到甑中。 (2)点击甑,设置蒸粮时间。 (3)蒸粮时间设置过短 (4)蒸粮时间设置过长 (5)蒸粮结束,点击瓶盖,打开甑。 (6)点击高粱原料检查蒸粮质量8
    4摊晾下曲根据发酵要求,计算出正确的大曲添加量,并设置正确的操作温度3(1)点击煎的出料口,将蒸好的高粱送到摊晾车间,进行摊晾下曲 (2)点击通往摊晾室的门把手,打开门,将物料转移到摊晾室。 (3)右键点击摊晾车间的耙,选择整理粮堆。 (4)点击摊晾池中的原料,根据当前温度设置下曲温度。 (5)下曲温度设置过低 (6)下曲温度设置过高 (7)冷却完成,到工具处左键点击大曲,设置下曲量。 (8)下曲量过少 (9)下曲量设量 (10)右键点击大曲,选择添加大曲,开始下曲15
    5酒精发酵酒精发酵的工艺要点为:酒精发酵控制室内温度为20 ~ 25℃,分为两个阶段,第一阶段敞口发酵,每天搅拌,发酵3天后进行密闭发酵。发酵约15天结束。5(1)拌曲完成,右键点击地车间工具存放处的铁锹,选择去酒精发酵,将下曲完牛的物料转移到料车中。 (2)点击通往酒精发酵间的门把手,将物料送往酒精发酵车间 (3)设置最适宜酒精发酵的室内温度 (4)发酵室溫度设置过低 (5)发酵室溫度设置过高 (6)进行正确的打耙操作10
    6辅料拌和辅料拌和的工艺要点为:麸皮:稻壳:酒醪为08:08:15(1)正确地选择操作工具; (2)设置的比例过高 (3)设置的比例过低12
    7醋酸发酵将酒精发酵结束后的酒醪拌入麸皮和稻壳,比例为73 kg麸皮/73 kg稻壳/100 kg 高粱,搅拌均匀,置于醋酸发酵缸中进行醋酸发酵,每天天翻醅。发酵约8天结束3(1)点击通往醋酸发酵门的门把手,将醋醅送往醋酸发酵车间 (2)根据选定的委节设置接火量 (3)接火量设置过少 (4)接火量设置过多 (5)根据选定的季节设置接火量 (6)接火量设置过少 (7)接火量设置过多 (8)接火量设置完成后,右键点击醋酸菌种,选择接火醅。 (9)点击草垫,拿开草垫,开始倒醅。 (10)点击草垫,拿开草垫。 (11)点击醋醅,检查醋酸发酵的结果。12
    8熏醅倒缸操作要求学生领悟熏醅的关键要点:取醋醅置于熏醅池中,控制熏醅温度80-90 ℃,熏醅5-6天31.能否正确选择铁锹;2.能否正确将物料送到车间;3.正确的进行熏醅和倒缸5
    9白醅淋醋操作 能否正确将醋醅转移至淋醋车间,能够联通管道以及正确设定淋醋温度和浸泡时间4(1)点击去往醋酸发酵车间的门把手,打开门,回到醋酸发酵室。 (2)到醋酸发酵车间的工具存放处,右键点击铁锨,选择去淋醋。 (3)依次打开熏醅车间、淋醋车间的门,将醋醅送到淋醋车间。 (4)物料转移完毕,点击淋醋车间工具存放处的淋醋管道连接在淋醋池上。 (5)打开热物流出口阀,开始淋醋 (6)设置淋醋水温 (7)淋醋水温偏低 (8)淋醋水温偏高 13
    10熏醅转移 正确完成山西老陈醋的套淋工艺 2(1)设置白醅浸泡时间 (2)白醅浸泡时间过短 (3)白醅浸泡时间过长 (4)白醅浸泡完成,点击打开出醋口的盖子。打开淋醋出口阀门,将淋出醋液送到储醋罐加热到85到90摄氏度暂存。 (5)点击通往熏醅车间的门把手,到熏醅室的工具存放处右键点击铁锨,选择去淋醋,将熏醅完成的醋醅转移至淋醋房。 5
    11熏醅的套淋工艺正确进行山西老陈醋特有的白醅-熏醅的淋醋工艺1(1)点击热物流出口阀门,开始淋醋水。 (2)当水没过熏醅后,热物流出口阀门,开始浸泡熏醅。3
    12新醋检测单击新醋,检测新醋质量1单击新醋,检查新醋质量2
    (2)交互性步骤详细说明:
    1. 步骤:1:单击润粮池中的高粱,检查原料的粉碎细度。利用对话框,进行细度设定。

    2. 步骤2:设置润粮水温和正确的润粮水量。

    3. 步骤3:利用粉碎机将高粱粉碎,按照1:0.5的比例加入浸泡12小时,蒸煮12小时。在该环节,可以进行人物模型操作,查看蒸粮操作要点;需要输入正确的配比与时间参数。

    4. 步骤4:将蒸煮后的熟料摊晾至20 ~ 25℃ 左右时,即可加入大曲进行酒精发酵阶段,高粱、水和大曲的比例为: 100 kg 高粱/340 kg 水/62.5 kg 大曲。输入正确的温度、比例等参数

    5. 步骤5:能够将物料从拌曲车间转移至酒精发酵车间,并设置正确的室内温度和发酵时间。并选择正确的打耙工具,进行打耙,进行封缸。

    6. 步骤6:将酒醪转移至辅料搅合车间,在工具存放处点击谷壳,设置添加量;单击麸皮,设置麸皮添加量;点击料车,将发酵醪导入辅料拌和池中;到工具车存放处选择铁锹,进行辅料拌和;

    7. 步骤7:需要输入正确的比例、时间等参数;展示人物翻醅操作,体现翻醅操作要点。

    8. 步骤8:酸发酵完成,到醋酸发酵车间的工具存放处选择铁锨,右键选择去熏醅。点击去往熏醅车间的门把手,打开门。将物料送到熏醅车间。3)物料转移完毕,点击瓦盖,盖.上瓦盖开始熏烤熏醅。点击第一个、第二个缸的瓦盖,开始倒缸。

    9. 步骤9:将物料转移至淋醋车间,右键单击淋醋管道,选择连接,将管道正确连接至淋醋池上。设定正确的淋醋水温,打开热物流出口阀,开始淋醋。当水没过白醅,关闭热物流出口阀门,并设置白醅浸泡时间。

    10. 步骤10:白醋浸泡完成后,点击单开出醋口的盖子,打开淋醋出口阀门,将淋出醋液送到储醋罐,加热到85-90℃,暂存。取熏醅完成的醋醅转移至淋醋房。

    11. 步骤11:熏醅转移完毕后,右键点击淋醋车间工具存放处的淋醋管道,将管道连接至淋醋池上。单击热物流出口阀门,开始淋醋水,当水没过熏醅后,关闭热物流出口阀门,开始浸泡熏醅。

    12. 步骤12: 单击新醋,检查新醋质量。

    本项目将优势学科专业实验教学内容与现代化信息技术深度融合,通过线下理论教学-线上虚拟仿真实验学习-线下实地实习-线上虚拟仿真回溯探究的虚实结合、线上线下混合式教学模式,同时采用讲授式、实例贯穿式、任务驱动式、现场教学法等多种方法的有机结合,拓展教师的教学深度与维度,激发学生学习能动性,使学生能够强化理论与实践的结合,通过掌握我国传统食醋的固态发酵工艺技术加强相关知识点的融会贯通,并提高学生分析问题并综合各学科知识解决具体工程问题的能力。

    1)线下理论教学(2学时):在虚拟仿真实验教学开始之前,由教师组织学生们先在线下对传统食醋固态酿造所涉及到的微生物学、生物化学、发酵工程、分析化学等理论知识,以翻转课堂、讨论式等形式进行系统的归纳与学习。同时,对虚拟仿真实验软件的操作要点、实践基地企业背景与入厂要求等加以介绍。

    2)线上虚拟仿真实验学习(4学时):在虚拟实验教学网络平台上为学生们分配好账户,组织学生观看虚拟仿真实验中厂房与设备模拟场景,并引导学生完成虚拟仿真实验整体工艺过程。

    3)线下实地实习(8学时):组织学生进入天津市天立独流老醋有限公司、山西老陈醋集团等产学研基地,进行实地的实习实践学习,并与理论内容及虚拟仿真实验内容相互映衬。

    4)线上虚拟仿真回溯探究(4学时):最后,再次组织学生在线上开展虚拟仿真实验,但与此前第2阶段不同的是,本次实验中的工艺参数的设置、问答等环节将由学生独立完成,从而强化学生在整个工艺过程学习中的掌握程度。

    此外,本项目也将通过我校生物工程国家级实验教学示范中心网站等平台,面向校内外开放共享,供相关专业师生及社会从业人员自行学习使用。  



    (1)是否记录每步实验结果:

    (2)实验结果与结论要求:实验报告心得体会

    (3)根据自己的得分,对照标准答案,整理错误选项的原因(总结其工程原理)。实验报告 心得体会

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