sistema di fermentazione allo stato solido
1. Fattori che influenzano le prestazioni della fermentazione a stato solido chiuso
1.1 Condizione di agitazione o miscelazione
L'agitazione è utile per garantire la temperatura del letto, l'umidità, ecc. e può anche favorire il trasferimento di massa e calore nel sistema di fermentazione. Tuttavia, l’agitazione può anche rompere il micelio, influenzare la crescita dei microrganismi e persino influenzare la sintesi dei metaboliti.
La maggior parte dei funghi filamentosi sono sensibili alla forza di taglio. Pertanto, quando si sceglie un sistema di fermentazione chiuso con un dispositivo di agitazione, oltre a considerare la frequenza dell'agitazione, il tempo e l'intensità dell'agitazione, è anche necessario considerare se l'agitazione influirà sui microrganismi o sul prodotto finale. Rendimento di
1.2 Dimensione delle particelle rispetto alla porosità
La dimensione delle particelle del substrato di fermentazione allo stato solido è correlata alla superficie specifica e alla densità apparente del materiale. Nel processo di fermentazione aerobica allo stato solido, la crescita dei microrganismi inizia generalmente dalla superficie delle particelle e penetra gradualmente all'interno delle particelle. La maggiore superficie specifica favorisce la crescita di microrganismi e l'acquisizione di sostanze nutritive. Le particelle troppo piccole renderanno il materiale troppo denso, rendendo l'ossigeno il fattore limitante per la crescita.
Inoltre, la dimensione delle particelle influenza anche la porosità del substrato di fermentazione allo stato solido, che a sua volta influenza il trasporto di massa. I pori tra le particelle influenzano principalmente la diffusione del gas e anche l'impatto sui microrganismi è più complicato. Ad esempio, influenza se gli enzimi prodotti dai microrganismi o gli enzimi idrolitici esterni possono penetrare all'interno delle particelle e svolgere un ruolo, e influenza anche se i microrganismi possono entrare all'interno delle particelle per crescere. .
1.3 Nutrienti della matrice
Il substrato di fermentazione allo stato solido fornisce ai microrganismi nutrienti essenziali come carbonio, azoto, fosforo e oligoelementi inorganici per mantenere le attività vitali dei microrganismi e sintetizzare metaboliti extracellulari, che hanno un impatto importante sulla vitalità dei microrganismi.
Il rapporto carbonio-azoto è anche uno dei fattori importanti che influenzano la crescita dei microrganismi e la produzione di metaboliti. Se il contenuto di azoto nel substrato di fermentazione allo stato solido è troppo alto o troppo basso, influenzerà la crescita e il metabolismo dei microrganismi. Per diversi tipi di microrganismi, anche il rapporto carbonio-azoto richiesto è diverso.
Pertanto, nel substrato di fermentazione allo stato solido utilizzato per la coltivazione dei microrganismi, il rapporto carbonio-azoto deve essere mantenuto entro un intervallo appropriato per garantire che vi siano nutrienti sufficienti per la loro crescita e il loro metabolismo.
1.4 Temperatura
In un sistema di fermentazione chiuso allo stato solido, verrà generata una grande quantità di calore metabolico man mano che la fermentazione procede. L'alta temperatura ha un effetto negativo sulla crescita microbica e sulla formazione del prodotto, mentre la bassa temperatura non favorisce la crescita microbica e le reazioni biochimiche.
A causa della diversa efficienza di dissipazione del calore dei vari sistemi di fermentazione, la temperatura che può essere raggiunta dipende dalla complessa interazione tra i microrganismi e il tipo di sistema di fermentazione e la sua modalità di funzionamento. Pertanto, come controllare l'influenza della temperatura del sistema di fermentazione sui microrganismi e risolvere il problema della generazione e della dissipazione del calore nel letto della matrice gioca un ruolo fondamentale nel migliorare le prestazioni di produzione del sistema di fermentazione a stato solido chiuso.
1.5 Ventilazione
L'aerazione è un parametro molto importante nel sistema di fermentazione a stato solido chiuso, che può mantenere le condizioni aerobiche nel sistema di fermentazione a stato solido chiuso, rimuovere l'anidride carbonica nel
letto del substrato, controllare la temperatura nel letto del substrato e mantenere l'umidità del letto del substrato.
Tuttavia, se nel sistema di fermentazione allo stato solido chiuso viene introdotta aria insatura, ciò causerà una forte evaporazione del letto del substrato, aggraverà la perdita di acqua del substrato di fermentazione allo stato solido e inibirà la crescita e il metabolismo dei microrganismi. Pertanto, durante il processo di ventilazione, è necessario prestare molta attenzione a questo problema.
1.6 Selezione microbica
La scelta dei microrganismi può avere l'impatto più importante sulle prestazioni di fermentazione dei sistemi di fermentazione chiusi allo stato solido. Ciò non solo perché la scelta del microrganismo determina il prodotto finale della fermentazione, ma anche perché la prestazione della fermentazione varia con la morfologia e il modello di crescita del microrganismo.
Ad esempio, alcuni funghi filamentosi, come Rhizopus oryzae, possono formare spessi strati ifali che riducono il trasferimento di ossigeno e calore tra l'ambiente e il substrato. Di conseguenza, il consumo di ossigeno e l'accumulo di calore metabolico nella matrice rendono l'ambiente sfavorevole alla crescita dei microrganismi, danneggiando così lo svolgimento della fermentazione.
Pertanto, la selezione microbica ottimale dipenderà dal tipo di substrato di fermentazione allo stato solido, dai requisiti di crescita e dai prodotti finali target.
1.7 Contenuto di umidità e attività dell'acqua
Solitamente il fabbisogno idrico dei microrganismi dovrebbe essere definito in termini di attività dell’acqua (Aw) piuttosto che di contenuto di acqua del substrato solido. L’attività dell’acqua influenza direttamente il tipo e il numero di microrganismi che possono crescere durante la fermentazione allo stato solido, influenzando così la produzione finale di metaboliti microbici.
Nel processo di fermentazione allo stato solido, diversi microrganismi richiedono diversi valori di attività dell'acqua. Se il valore dell'attività dell'acqua è basso, la crescita dei microrganismi sarà compromessa e la resa sarà ridotta. Al contrario, se è troppo elevato, porterà all’aggregazione di particelle di matrice solida, che limiterà il trasferimento di ossigeno e porterà ad una diminuzione della produzione di metaboliti microbici. Pertanto, è molto importante regolare il valore dell'attività dell'acqua nell'intervallo appropriato.
1.8 Autoprogettazione del sistema di fermentazione
Durante l'intero processo di fermentazione, ad eccezione dell'ossigeno, non viene aggiunto nulla al substrato di fermentazione allo stato solido per garantire che l'ambiente di crescita dei microrganismi sia mantenuto in uno stato ideale.
Sebbene la composizione e la concentrazione dei substrati di fermentazione allo stato solido vengano solitamente modificate dal metabolismo microbico, alcuni parametri nei sistemi di fermentazione allo stato solido, come l’ossigeno e il trasferimento di calore metabolico, devono essere regolati controllando l’aerazione, l’agitazione, il contenuto di umidità, la temperatura e la temperatura. i microrganismi e i nutrienti utilizzati. La tipologia del substrato di fermentazione allo stato solido è gestita in modo da garantire il regolare svolgimento dell'intero processo di fermentazione.
Pertanto, ogni specifico processo di fermentazione richiede una progettazione specifica e l'impostazione di parametri di fermentazione adeguati per garantire l'efficacia e l'affidabilità del sistema di fermentazione chiuso allo stato solido.
2. Regolazione ottimale del sistema di fermentazione chiuso allo stato solido
I valori ottimali dei parametri di processo possono massimizzare la crescita cellulare e la produzione di metaboliti. Pertanto, è particolarmente importante ottimizzare e regolare i sistemi di fermentazione chiusi allo stato solido.
2.1 Controllo PID (proporzionale-integrale-derivativo).
In molti sistemi di fermentazione chiusi allo stato solido su larga scala, l'agitazione e il raffreddamento convettivo non possono rimuovere più del 50% del calore metabolico e il restante 50% del calore può essere rimosso solo con altri mezzi. Pertanto, il raffreddamento evaporativo è il modo più efficace per rimuovere il calore metabolico.
Quando si utilizzano sistemi di fermentazione allo stato solido chiusi su larga scala
raffreddamento evaporativo, la risposta dinamica e la configurazione di controllo del processo diventeranno molto complesse. Di solito, tale processo non può essere controllato dal solo algoritmo PID e questo processo richiede molto tempo per rispondere ai cambiamenti nelle variabili operative, il che comporta grandi difficoltà nella regolazione del PID.
Inoltre, la risposta dinamica del sistema non è lineare e la risposta del sistema di fermentazione non è coerente durante tutto il tempo di fermentazione. Questa situazione farà sì che i parametri di regolazione PID siano applicabili solo per un periodo di tempo, quindi le impostazioni dei parametri PID dovranno essere modificate frequentemente. Per ottenere prestazioni ottimali in queste situazioni complesse, sono necessari metodi di controllo basati su modelli.
2.2 Ottimizzazione della modellazione matematica
La modellazione matematica è uno strumento essenziale per ottimizzare i processi biologici, non solo guidando la progettazione e il funzionamento di sistemi di fermentazione chiusi allo stato solido, ma anche fornendo informazioni su come i vari fenomeni all'interno dei sistemi di fermentazione si combinano per controllare il processo complessivo.
Alcuni ricercatori hanno simulato il consumo di ossigeno, la produzione di calore e la crescita cellulare nel sistema di fermentazione allo stato solido attraverso modelli matematici, che aiuteranno a comprendere meglio il processo di migrazione della fermentazione allo stato solido e quindi a contribuire alla progettazione ottimale di sistemi di fermentazione allo stato solido chiusi. sistemi di fermentazione statali.
Allo stato attuale, il modello matematico ha raggiunto un livello maturo e solo utilizzando il modello matematico come strumento nel processo di progettazione e nell'operazione di ottimizzazione, il sistema di fermentazione allo stato solido può realizzare appieno il suo potenziale, massimizzando così la prestazione economica del solido processo di fermentazione a -stato.
3 Epilogo
Con il continuo progresso della moderna biotecnologia e dei metodi di monitoraggio, i sistemi di fermentazione chiusi allo stato solido diventeranno più automatizzati e intelligenti, gli strumenti di monitoraggio e i sistemi di controllo automatico saranno ulteriormente ottimizzati e il controllo della fermentazione diventerà più preciso.