fermentatiesysteem in vaste toestand
1. Factoren die de prestaties van gesloten gisting in vaste toestand beïnvloeden
1.1 Roer- of mengomstandigheden
Roeren is nuttig om de bedtemperatuur, vochtigheid enz. te garanderen, en kan ook de massa- en warmteoverdracht in het fermentatiesysteem bevorderen. Roeren kan echter ook het mycelium breken, de groei van micro-organismen beïnvloeden en zelfs de synthese van metabolieten beïnvloeden.
De meeste draadschimmels zijn gevoelig voor schuifkracht. Daarom is het bij het kiezen van een gesloten fermentatiesysteem met roerapparaat, naast het overwegen van de roerfrequentie, roertijd en roerintensiteit, ook noodzakelijk om te overwegen of het roeren de micro-organismen of het eindproduct zal beïnvloeden. Opbrengst van
1.2 Deeltjesgrootte versus porositeit
De deeltjesgrootte van het fermentatiesubstraat in vaste toestand houdt verband met het specifieke oppervlak en de bulkdichtheid van het materiaal. Bij het proces van aerobe fermentatie in vaste toestand begint de groei van micro-organismen doorgaans vanaf het oppervlak van de deeltjes en dringt geleidelijk door tot in het inwendige van de deeltjes. Het grotere specifieke oppervlak bevordert de groei van micro-organismen en de opname van voedingsstoffen. Te kleine deeltjes maken het materiaal te dicht, waardoor zuurstof de beperkende factor voor groei wordt.
Bovendien heeft de grootte van de deeltjes ook invloed op de porositeit van het vaste fermentatiesubstraat, wat op zijn beurt het massatransport beïnvloedt. De poriën tussen de deeltjes beïnvloeden vooral de diffusie van gas, en de impact op micro-organismen is ook ingewikkelder. Het heeft bijvoorbeeld invloed op de vraag of de door micro-organismen of externe hydrolytische enzymen geproduceerde enzymen in het inwendige van de deeltjes kunnen binnendringen en een rol kunnen spelen, en heeft ook invloed op de vraag of micro-organismen het inwendige van de deeltjes kunnen binnendringen om te groeien. .
1.3 Matrixvoedingsstoffen
Het vaste-stoffermentatiesubstraat voorziet micro-organismen van essentiële voedingsstoffen zoals koolstof, stikstof, fosfor en anorganische sporenelementen om de levensactiviteiten van micro-organismen in stand te houden en extracellulaire metabolieten te synthetiseren, die een belangrijke invloed hebben op de levensvatbaarheid van micro-organismen.
De koolstof-stikstofverhouding is ook een van de belangrijke factoren die de groei van micro-organismen en de productie van metabolieten beïnvloeden. Als het stikstofgehalte in het vaste fermentatiesubstraat te hoog of te laag is, zal dit de groei en het metabolisme van micro-organismen beïnvloeden. Voor verschillende soorten micro-organismen is ook de vereiste koolstof-stikstofverhouding verschillend.
Daarom moet in het vaste fermentatiesubstraat dat wordt gebruikt voor het kweken van micro-organismen de koolstof-stikstofverhouding binnen een passend bereik worden gehouden om te garanderen dat er voldoende voedingsstoffen zijn voor hun groei en metabolisme.
1.4 Temperatuur
In een gesloten fermentatiesysteem in vaste toestand zal een grote hoeveelheid metabolische warmte worden gegenereerd naarmate de fermentatie vordert. Hoge temperaturen hebben een negatief effect op de microbiële groei en productvorming, en lage temperaturen zijn niet bevorderlijk voor microbiële groei en biochemische reacties.
Vanwege de verschillende warmteafvoerefficiëntie van verschillende fermentatiesystemen, hangt de temperatuur die kan worden bereikt af van de complexe interactie tussen de micro-organismen en het type fermentatiesysteem en de werking ervan. Daarom speelt het beheersen van de invloed van de temperatuur van het fermentatiesysteem op micro-organismen en het oplossen van het probleem van warmteopwekking en warmtedissipatie in het matrixbed een cruciale rol bij het verbeteren van de productieprestaties van het gesloten fermentatiesysteem in vaste toestand.
1.5 Ventilatie
Beluchting is een zeer belangrijke parameter in het gesloten fermentatiesysteem in vaste toestand, dat de aërobe omstandigheden in het gesloten fermentatiesysteem in vaste toestand kan handhaven, kooldioxide in het gistingssysteem kan verwijderen
substraatbed, controleer de temperatuur in het substraatbed en handhaaf de vochtigheid van het substraatbed.
Als onverzadigde lucht echter in het gesloten vaste-stoffermentatiesysteem wordt geïntroduceerd, zal dit een sterke verdamping van het substraatbed veroorzaken, het waterverlies van het vaste-stoffermentatiesubstraat verergeren en de groei en het metabolisme van micro-organismen remmen. Daarom moet tijdens het ventilatieproces veel aandacht aan dit probleem worden besteed.
1.6 Microbiële selectie
De keuze van micro-organismen kan de belangrijkste impact hebben op de fermentatieprestaties van gesloten fermentatiesystemen in vaste toestand. Dit komt niet alleen omdat de keuze van het micro-organisme het eindproduct van de fermentatie bepaalt, maar ook omdat de fermentatieprestaties variëren afhankelijk van de morfologie en het groeipatroon van het micro-organisme.
Sommige draadschimmels, zoals Rhizopus oryzae, kunnen bijvoorbeeld dikke hyfenlagen vormen die de zuurstof- en warmteoverdracht tussen de omgeving en het substraat verminderen. Als gevolg hiervan maken het zuurstofverbruik en de accumulatie van metabolische warmte in de matrix de omgeving ongunstig voor de groei van micro-organismen, waardoor de prestaties van de fermentatie worden geschaad.
Daarom zal de optimale microbiële selectie afhangen van het type fermentatiesubstraat in vaste toestand, de groeivereisten en de beoogde eindproducten.
1.7 Vochtgehalte en wateractiviteit
Gewoonlijk moet de waterbehoefte van micro-organismen worden gedefinieerd in termen van wateractiviteit (Aw) in plaats van het watergehalte van het vaste substraat. Wateractiviteit heeft rechtstreeks invloed op het type en aantal micro-organismen dat kan groeien tijdens fermentatie in vaste toestand, waardoor de uiteindelijke productie van microbiële metabolieten wordt beïnvloed.
Bij het fermentatieproces in vaste toestand hebben verschillende micro-organismen verschillende wateractiviteitswaarden nodig. Als de wateractiviteitswaarde laag is, wordt de groei van micro-organismen beïnvloed en de opbrengst verminderd. Integendeel, als deze te hoog is, zal dit leiden tot de aggregatie van vaste matrixdeeltjes, wat de overdracht van zuurstof zal beperken en zal leiden tot een afname van de productie van microbiële metabolieten. Daarom is het erg belangrijk om de wateractiviteitswaarde aan te passen aan het juiste bereik.
1.8 Zelfontwerp van fermentatiesysteem
Tijdens het gehele fermentatieproces wordt, afgezien van zuurstof, niets aan het vaste fermentatiesubstraat toegevoegd om ervoor te zorgen dat de groeiomgeving van micro-organismen in een ideale staat wordt gehouden.
Hoewel de samenstelling en concentratie van fermentatiesubstraten in vaste toestand gewoonlijk worden veranderd door microbieel metabolisme, moeten sommige parameters in fermentatiesystemen in vaste toestand, zoals zuurstof en metabolische warmteoverdracht, worden aangepast door de beluchting, roering, vochtgehalte, temperatuur en temperatuur te regelen. de gebruikte micro-organismen en voedingsstoffen. Het type fermentatiesubstraat in vaste toestand wordt beheerd om een soepel verloop van het gehele fermentatieproces te garanderen.
Daarom vereist elk specifiek fermentatieproces een specifiek ontwerp en instelling van geschikte fermentatieparameters om de effectiviteit en betrouwbaarheid van het gesloten fermentatiesysteem in vaste toestand te garanderen.
2. Optimale regulering van een gesloten solid-state fermentatiesysteem
Optimale procesparameterwaarden kunnen de celgroei en de productie van metabolieten maximaliseren. Daarom is het bijzonder belangrijk om gesloten fermentatiesystemen in vaste toestand te optimaliseren en te reguleren.
2.1 PID-regeling (proportioneel-integraal-afgeleide).
In veel grootschalige gesloten vaste-stoffermentatiesystemen kunnen roeren en convectieve koeling niet meer dan 50% van de metabolische warmte verwijderen, en de resterende 50% van de warmte kan alleen op andere manieren worden verwijderd. Daarom is verdampingskoeling de meest effectieve manier om metabolische warmte te verwijderen.
Wanneer grootschalige gesloten fermentatiesystemen in vaste toestand worden gebruikt
verdampingskoeling, de dynamische respons en regelconfiguratie van het proces zullen zeer complex worden. Normaal gesproken kan een dergelijk proces niet alleen door het PID-algoritme worden bestuurd, en dit proces vergt veel tijd om te reageren op veranderingen in de bedrijfsvariabelen, wat grote problemen met zich meebrengt bij het afstemmen van de PID.
Bovendien is de dynamische respons van het systeem niet-lineair en is de respons van het fermentatiesysteem niet consistent gedurende de hele fermentatietijd. Deze situatie zorgt ervoor dat de PID-afstemmingsparameters slechts gedurende een bepaalde periode van toepassing zijn, zodat de PID-parameterinstellingen regelmatig moeten worden gewijzigd. Om in deze complexe situaties optimale prestaties te bereiken zijn modelgebaseerde besturingsmethoden noodzakelijk.
2.2 Optimalisatie van wiskundige modellen
Wiskundige modellering is een essentieel hulpmiddel voor het optimaliseren van biologische processen, niet alleen als leidraad voor het ontwerp en de werking van gesloten fermentatiesystemen in vaste toestand, maar biedt ook inzicht in hoe verschillende fenomenen binnen fermentatiesystemen combineren om het algehele proces te beheersen.
Sommige onderzoekers hebben het zuurstofverbruik, de warmteproductie en de celgroei in het vaste-stof-fermentatiesysteem gesimuleerd door middel van wiskundige modellen, die zullen helpen het migratieproces van vaste-stof-fermentatie beter te begrijpen, en zo zullen bijdragen aan het optimale ontwerp van gesloten vaste-stof-fermentatiesystemen. staat fermentatiesystemen.
Op dit moment heeft het wiskundige model een volwassen niveau bereikt, en alleen door het wiskundige model te gebruiken als hulpmiddel bij het ontwerpproces en de optimalisatieoperatie kan het vaste-stoffermentatiesysteem zijn potentieel volledig realiseren, waardoor de economische prestaties van de vaste stof worden gemaximaliseerd. -staat fermentatieproces.
3 Epiloog
Met de voortdurende vooruitgang van de moderne biotechnologie en monitoringmethoden zullen gesloten solid-state fermentatiesystemen meer geautomatiseerd en intelligenter worden, zullen monitoringinstrumenten en automatische controlesystemen verder worden geoptimaliseerd en zal de fermentatiecontrole nauwkeuriger worden.