Festkörper-Fermentationssystem
1. Faktoren, die die Leistung der geschlossenen Festkörperfermentation beeinflussen
1.1 Rühr- oder Mischbedingung
Rühren ist vorteilhaft, um Betttemperatur, Luftfeuchtigkeit usw. sicherzustellen, und kann auch die Massen- und Wärmeübertragung im Fermentationssystem fördern. Allerdings kann das Rühren auch Myzel brechen, das Wachstum von Mikroorganismen beeinträchtigen und sogar die Synthese von Metaboliten beeinträchtigen.
Die meisten Fadenpilze reagieren empfindlich auf Scherkräfte. Daher muss bei der Auswahl eines geschlossenen Fermentationssystems mit Rührgerät neben der Rührhäufigkeit, der Rührzeit und der Rührintensität auch berücksichtigt werden, ob das Rühren Auswirkungen auf die Mikroorganismen oder das Endprodukt hat. Ausbeute an
1.2 Partikelgröße vs. Porosität
Die Partikelgröße des festen Gärsubstrats hängt von der spezifischen Oberfläche und der Schüttdichte des Materials ab. Bei der aeroben Feststofffermentation beginnt das Wachstum von Mikroorganismen im Allgemeinen an der Oberfläche der Partikel und dringt allmählich in das Innere der Partikel ein. Die größere spezifische Oberfläche begünstigt das Wachstum von Mikroorganismen und die Aufnahme von Nährstoffen. Zu kleine Partikel machen das Material zu dicht, wodurch Sauerstoff zum limitierenden Faktor für das Wachstum wird.
Darüber hinaus hat die Größe der Partikel auch Einfluss auf die Porosität des festen Gärsubstrats, was wiederum Auswirkungen auf den Stofftransport hat. Die Poren zwischen den Partikeln beeinflussen hauptsächlich die Gasdiffusion, auch die Auswirkung auf Mikroorganismen ist komplizierter. Es beeinflusst beispielsweise, ob die von Mikroorganismen oder externen hydrolytischen Enzymen produzierten Enzyme in das Innere der Partikel eindringen und dort eine Rolle spielen können, und auch, ob Mikroorganismen in das Innere der Partikel eindringen und dort wachsen können. .
1.3 Matrixnährstoffe
Das feste Fermentationssubstrat versorgt Mikroorganismen mit essentiellen Nährstoffen wie Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und anorganischen Spurenelementen, um die Lebensaktivitäten von Mikroorganismen aufrechtzuerhalten und extrazelluläre Metaboliten zu synthetisieren, die einen wichtigen Einfluss auf die Lebensfähigkeit von Mikroorganismen haben.
Das Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis ist auch einer der wichtigen Faktoren, die das Wachstum von Mikroorganismen und die Produktion von Metaboliten beeinflussen. Ist der Stickstoffgehalt im festen Gärsubstrat zu hoch oder zu niedrig, beeinträchtigt dies das Wachstum und den Stoffwechsel von Mikroorganismen. Für verschiedene Arten von Mikroorganismen ist auch das erforderliche Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis unterschiedlich.
Daher sollte im festen Fermentationssubstrat, das zur Kultivierung von Mikroorganismen verwendet wird, das Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis in einem angemessenen Bereich gehalten werden, um sicherzustellen, dass ausreichend Nährstoffe für deren Wachstum und Stoffwechsel vorhanden sind.
1.4 Temperatur
In einem geschlossenen Feststofffermentationssystem wird im Verlauf der Fermentation eine große Menge an Stoffwechselwärme erzeugt. Hohe Temperaturen wirken sich negativ auf das mikrobielle Wachstum und die Produktbildung aus, während niedrige Temperaturen dem mikrobiellen Wachstum und biochemischen Reaktionen nicht förderlich sind.
Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeableitungseffizienz verschiedener Fermentationssysteme hängt die erreichbare Temperatur vom komplexen Zusammenspiel der Mikroorganismen sowie der Art des Fermentationssystems und seiner Funktionsweise ab. Daher spielt die Steuerung des Einflusses der Temperatur des Fermentationssystems auf Mikroorganismen und die Lösung des Problems der Wärmeerzeugung und Wärmeableitung im Matrixbett eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Produktionsleistung des geschlossenen Feststofffermentationssystems.
1.5 Belüftung
Die Belüftung ist ein sehr wichtiger Parameter im geschlossenen Festkörper-Fermentationssystem, der die aeroben Bedingungen im geschlossenen Festkörper-Fermentationssystem aufrechterhalten und Kohlendioxid aus dem System entfernen kann
Substratbett, steuern Sie die Temperatur im Substratbett und halten Sie die Feuchtigkeit des Substratbetts aufrecht.
Wenn jedoch ungesättigte Luft in das geschlossene Festkörper-Fermentationssystem eingeführt wird, führt dies zu einer starken Verdunstung des Substratbetts, verstärkt den Wasserverlust des Festkörper-Fermentationssubstrats und hemmt das Wachstum und den Stoffwechsel von Mikroorganismen. Daher muss diesem Problem beim Belüftungsprozess große Aufmerksamkeit gewidmet werden.
1.6 Mikrobielle Auswahl
Die Wahl der Mikroorganismen kann den größten Einfluss auf die Fermentationsleistung geschlossener Feststofffermentationssysteme haben. Dies liegt nicht nur daran, dass die Wahl des Mikroorganismus das Endprodukt der Fermentation bestimmt, sondern auch daran, dass die Fermentationsleistung je nach Morphologie und Wachstumsmuster des Mikroorganismus variiert.
Beispielsweise können einige filamentöse Pilze wie Rhizopus oryzae dicke Hyphenschichten bilden, die die Sauerstoff- und Wärmeübertragung zwischen der Umgebung und dem Substrat verringern. Dadurch wird durch den Sauerstoffverbrauch und die Ansammlung von Stoffwechselwärme in der Matrix die Umgebung für das Wachstum von Mikroorganismen ungünstig und dadurch die Leistung der Fermentation beeinträchtigt.
Daher hängt die optimale mikrobielle Auswahl von der Art des festen Fermentationssubstrats, den Wachstumsanforderungen und den angestrebten Endprodukten ab.
1.7 Feuchtigkeitsgehalt und Wasseraktivität
Normalerweise sollte der Wasserbedarf von Mikroorganismen anhand der Wasseraktivität (Aw) und nicht anhand des Wassergehalts des festen Substrats definiert werden. Die Wasseraktivität wirkt sich direkt auf die Art und Anzahl der Mikroorganismen aus, die während der Festphasenfermentation wachsen können, und beeinflusst dadurch die Endproduktion mikrobieller Metaboliten.
Im Feststofffermentationsprozess benötigen unterschiedliche Mikroorganismen unterschiedliche Wasseraktivitätswerte. Wenn der Wasseraktivitätswert niedrig ist, wird das Wachstum von Mikroorganismen beeinträchtigt und der Ertrag verringert. Im Gegenteil, wenn er zu hoch ist, kommt es zur Aggregation fester Matrixpartikel, was die Sauerstoffübertragung einschränkt und zu einer Verringerung der Produktion mikrobieller Metaboliten führt. Daher ist es sehr wichtig, den Wasseraktivitätswert auf den entsprechenden Bereich einzustellen.
1.8 Selbstentwurf des Fermentationssystems
Während des gesamten Fermentationsprozesses wird dem festen Fermentationssubstrat außer Sauerstoff nichts zugesetzt, um sicherzustellen, dass die Wachstumsumgebung der Mikroorganismen in einem idealen Zustand bleibt.
Obwohl die Zusammensetzung und Konzentration fester Fermentationssubstrate normalerweise durch den mikrobiellen Stoffwechsel verändert werden, müssen einige Parameter in Festkörper-Fermentationssystemen, wie z. B. Sauerstoff und metabolische Wärmeübertragung, durch Steuerung von Belüftung, Rühren, Feuchtigkeitsgehalt, Temperatur usw. angepasst werden die verwendeten Mikroorganismen und Nährstoffe. Die Art des festen Gärsubstrats wird so gesteuert, dass ein reibungsloser Ablauf des gesamten Gärprozesses gewährleistet ist.
Daher erfordert jeder spezifische Fermentationsprozess eine spezifische Gestaltung und Einstellung geeigneter Fermentationsparameter, um die Wirksamkeit und Zuverlässigkeit des geschlossenen Feststofffermentationssystems sicherzustellen.
2. Optimale Regulierung des geschlossenen Festkörperfermentationssystems
Optimale Prozessparameterwerte können das Zellwachstum und die Metabolitenproduktion maximieren. Daher ist es besonders wichtig, geschlossene Feststofffermentationssysteme zu optimieren und zu regulieren.
2.1 PID-Regelung (Proportional-Integral-Derivativ).
In vielen großen geschlossenen Feststofffermentationssystemen können durch Rühren und Konvektionskühlung nicht mehr als 50 % der Stoffwechselwärme abgeführt werden, und die restlichen 50 % der Wärme können nur auf andere Weise abgeführt werden. Daher ist Verdunstungskühlung die effektivste Methode zur Abfuhr von Stoffwechselwärme.
Bei großtechnischen Anlagen kommen geschlossene Feststofffermentationssysteme zum Einsatz
Bei der Verdunstungskühlung werden die dynamische Reaktion und die Steuerungskonfiguration des Prozesses sehr komplex. Normalerweise kann ein solcher Prozess nicht allein durch den PID-Algorithmus gesteuert werden, und dieser Prozess erfordert eine lange Zeit, um auf Änderungen der Betriebsvariablen zu reagieren, was große Schwierigkeiten bei der PID-Abstimmung mit sich bringt.
Darüber hinaus ist die dynamische Reaktion des Systems nichtlinear und die Reaktion des Fermentationssystems ist nicht über die gesamte Fermentationszeit hinweg konsistent. Diese Situation führt dazu, dass die PID-Abstimmungsparameter nur für einen bestimmten Zeitraum anwendbar sind, sodass die PID-Parametereinstellungen häufig geändert werden müssen. Um in diesen komplexen Situationen eine optimale Leistung zu erzielen, sind modellbasierte Steuerungsmethoden erforderlich.
2.2 Optimierung der mathematischen Modellierung
Mathematische Modellierung ist ein wesentliches Werkzeug zur Optimierung biologischer Prozesse. Sie leitet nicht nur das Design und den Betrieb geschlossener Festkörper-Fermentationssysteme, sondern liefert auch Einblicke in die Art und Weise, wie verschiedene Phänomene innerhalb von Fermentationssystemen zusammenwirken, um den Gesamtprozess zu steuern.
Einige Forscher haben den Sauerstoffverbrauch, die Wärmeproduktion und das Zellwachstum im Festkörper-Fermentationssystem mithilfe mathematischer Modelle simuliert, die dazu beitragen werden, den Migrationsprozess der Festkörper-Fermentation besser zu verstehen und so zur optimalen Gestaltung geschlossener Feststoff-Fermentation beizutragen. staatliche Fermentationssysteme.
Gegenwärtig hat das mathematische Modell ein ausgereiftes Niveau erreicht, und nur durch die Verwendung des mathematischen Modells als Werkzeug im Entwurfsprozess und im Optimierungsvorgang kann das Festkörperfermentationssystem sein Potenzial voll ausschöpfen und dadurch die wirtschaftliche Leistung des Feststoffs maximieren -staatlicher Fermentationsprozess.
3 Epilog
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung moderner Biotechnologie und Überwachungsmethoden werden geschlossene Feststofffermentationssysteme automatisierter und intelligenter, Überwachungsinstrumente und automatische Steuerungssysteme werden weiter optimiert und die Fermentationssteuerung wird präziser.