твердотельная система ферментации
1. Факторы, влияющие на эффективность закрытой твердофазной ферментации.
1.1 Условия перемешивания или смешивания
Перемешивание полезно для обеспечения температуры слоя, влажности и т. д., а также может способствовать массо- и теплопереносу в системе ферментации. Однако перемешивание также может разрушить мицелий, повлиять на рост микроорганизмов и даже повлиять на синтез метаболитов.
Большинство нитчатых грибов чувствительны к силе сдвига. Поэтому при выборе закрытой ферментационной системы с перемешивающим устройством помимо рассмотрения частоты перемешивания, времени перемешивания и интенсивности перемешивания необходимо также учитывать, повлияет ли перемешивание на микроорганизмы или на конечный продукт. Выход
1.2 Размер частиц в зависимости от пористости
Размер частиц твердофазного субстрата для ферментации зависит от удельной площади поверхности и объемной плотности материала. В процессе аэробной твердофазной ферментации рост микроорганизмов обычно начинается с поверхности частиц и постепенно проникает внутрь частиц. Большая удельная поверхность способствует росту микроорганизмов и усвоению питательных веществ. Слишком маленькие частицы сделают материал слишком плотным, что сделает кислород ограничивающим фактором для роста.
Кроме того, размер частиц также влияет на пористость твердотельного субстрата ферментации, что, в свою очередь, влияет на массоперенос. Поры между частицами в основном влияют на диффузию газа, воздействие на микроорганизмы также более сложное. Например, это влияет на то, могут ли ферменты, продуцируемые микроорганизмами, или внешние гидролитические ферменты проникать внутрь частиц и играть определенную роль, а также влияет на то, могут ли микроорганизмы проникать внутрь частиц для роста. .
1.3 Матричные питательные вещества
Твердотельный субстрат ферментации обеспечивает микроорганизмы необходимыми питательными веществами, такими как углерод, азот, фосфор и микроэлементы, для поддержания жизнедеятельности микроорганизмов и синтеза внеклеточных метаболитов, которые оказывают важное влияние на жизнеспособность микроорганизмов.
Соотношение углерода и азота также является одним из важных факторов, влияющих на рост микроорганизмов и выработку метаболитов. Если содержание азота в твердотельном субстрате ферментации слишком высокое или слишком низкое, это повлияет на рост и метаболизм микроорганизмов. Для разных видов микроорганизмов необходимое соотношение углерода и азота также различно.
Следовательно, в твердофазном субстрате ферментации, используемом для культивирования микроорганизмов, соотношение углерода и азота должно поддерживаться в соответствующем диапазоне, чтобы гарантировать наличие достаточного количества питательных веществ для их роста и метаболизма.
1.4 Температура
В закрытой системе твердотельной ферментации в процессе ферментации выделяется большое количество метаболического тепла. Высокая температура отрицательно влияет на рост микробов и образование продуктов, а низкая температура не способствует росту микробов и биохимическим реакциям.
Из-за разной эффективности рассеивания тепла в различных ферментационных системах температура, которую можно достичь, зависит от сложного взаимодействия между микроорганизмами, типа ферментационной системы и режима ее работы. Таким образом, то, как контролировать влияние температуры ферментационной системы на микроорганизмы и решить проблему выделения и рассеивания тепла в матричном слое, играет жизненно важную роль в улучшении производственных показателей закрытой твердотельной ферментационной системы.
1.5 Вентиляция
Аэрация является очень важным параметром в закрытой системе твердотельного брожения, который может поддерживать аэробные условия в закрытой системе твердотельного брожения, удалять углекислый газ в
слой субстрата, контролируйте температуру в слое субстрата и поддерживайте влажность слоя субстрата.
Однако если в закрытую систему твердофазной ферментации ввести ненасыщенный воздух, это вызовет сильное испарение слоя субстрата, усугубит потерю воды субстратом твердофазного ферментации и замедлит рост и метаболизм микроорганизмов. Поэтому в процессе вентиляции этой проблеме необходимо уделять большое внимание.
1.6 Микробиологический отбор
Выбор микроорганизмов может иметь наиболее важное влияние на эффективность ферментации закрытых твердотельных ферментационных систем. Это происходит не только потому, что выбор микроорганизма определяет конечный продукт ферментации, но также и потому, что эффективность ферментации варьируется в зависимости от морфологии и характера роста микроорганизма.
Например, некоторые нитчатые грибы, такие как Rhizopus oryzae, могут образовывать толстые гифальные слои, которые уменьшают кислород и теплообмен между окружающей средой и субстратом. В результате потребление кислорода и накопление метаболического тепла в матрице делают среду неблагоприятной для роста микроорганизмов, тем самым ухудшая эффективность ферментации.
Следовательно, оптимальный микробный выбор будет зависеть от типа твердотельного субстрата ферментации, требований к росту и целевых конечных продуктов.
1.7 Содержание влаги и активность воды
Обычно потребность микроорганизмов в воде следует определять с точки зрения активности воды (Aw), а не содержания воды в твердом субстрате. Активность воды напрямую влияет на тип и количество микроорганизмов, которые могут расти во время твердофазной ферментации, тем самым влияя на конечный выход микробных метаболитов.
В процессе твердофазной ферментации разные микроорганизмы требуют разных значений активности воды. Если значение активности воды низкое, это повлияет на рост микроорганизмов и снизит урожайность. Напротив, если он слишком высок, это приведет к агрегации частиц твердого матрикса, что ограничит перенос кислорода и приведет к снижению продукции микробных метаболитов. Поэтому очень важно привести значение активности воды в соответствующий диапазон.
1.8 Самостоятельная разработка системы ферментации
В течение всего процесса ферментации в твердый субстрат брожения, кроме кислорода, ничего не добавляется для обеспечения поддержания среды роста микроорганизмов в идеальном состоянии.
Хотя состав и концентрация субстратов твердофазной ферментации обычно изменяются в результате микробного метаболизма, некоторые параметры твердофазных ферментационных систем, такие как кислород и метаболический теплообмен, необходимо регулировать путем контроля аэрации, перемешивания, содержания влаги, температуры и используемые микроорганизмы и питательные вещества. Тип твердотельного субстрата ферментации обеспечивает плавное течение всего процесса ферментации.
Следовательно, каждый конкретный процесс ферментации требует специального проектирования и установки соответствующих параметров ферментации, чтобы обеспечить эффективность и надежность закрытой твердотельной системы ферментации.
2. Оптимальное регулирование закрытой системы твердотельной ферментации.
Оптимальные значения параметров процесса могут максимизировать рост клеток и выработку метаболитов. Поэтому особенно важно оптимизировать и регулировать закрытые твердотельные ферментационные системы.
2.1 ПИД-регулирование (пропорционально-интегрально-производное)
Во многих крупномасштабных закрытых системах твердотельной ферментации перемешивание и конвективное охлаждение не могут удалить более 50% метаболического тепла, а оставшиеся 50% тепла можно удалить только другими способами. Следовательно, испарительное охлаждение является наиболее эффективным способом удаления метаболического тепла.
Когда в крупномасштабных закрытых системах твердотельной ферментации используются
evaporative cooling, the dynamic response and control configuration of the process will become very complex. Usually, such a process cannot be controlled by the PID algorithm alone, and this process requires a long time to respond to changes in operating variables, which brings great difficulties to PID tuning.
In addition, the dynamic response of the system is nonlinear, and the response of the fermentation system is not consistent throughout the fermentation time. This situation will cause the PID tuning parameters to be only applicable for a period of time, so the PID parameter settings need to be changed frequently. To achieve optimal performance in these complex situations, model-based control methods are necessary.
2.2 Mathematical modeling optimization
Mathematical modeling is an essential tool for optimizing biological processes, not only guiding the design and operation of closed solid-state fermentation systems, but also providing insights into how various phenomena within fermentation systems combine to control the overall process.
Some researchers have simulated the oxygen consumption, heat production and cell growth in the solid-state fermentation system through mathematical models, which will help to better understand the migration process of solid-state fermentation, and thus contribute to the optimal design of closed solid-state fermentation systems.
At present, the mathematical model has reached a mature level, and only by using the mathematical model as a tool in the design process and optimization operation, the solid-state fermentation system can fully realize its potential, thereby maximizing the economic performance of the solid-state fermentation process.
3 Epilogue
With the continuous advancement of modern biotechnology and monitoring methods, closed solid-state fermentation systems will become more automated and intelligent, monitoring tools and automatic control systems will be further optimized, and fermentation control will become more precise.