Fatores que afetam o desempenho da fermentação fechada em estado sólido
sistema de fermentação em estado sólido
1. Fatores que afetam o desempenho da fermentação fechada em estado sólido
1.1 Condição de agitação ou mistura
A agitação é benéfica para garantir a temperatura do leito, umidade, etc., e também pode promover transferência de massa e calor no sistema de fermentação. No entanto, a agitação também pode quebrar o micélio, afectar o crescimento de microrganismos e até afectar a síntese de metabolitos.
A maioria dos fungos filamentosos é sensível à força de cisalhamento. Portanto, ao escolher um sistema de fermentação fechado com dispositivo de agitação, além de considerar a frequência de agitação, o tempo de agitação e a intensidade de agitação, também é necessário considerar se a agitação afetará os microrganismos ou o produto final. Rendimento de
1.2 Tamanho de partícula vs. porosidade
O tamanho da partícula do substrato de fermentação no estado sólido está relacionado à área superficial específica e à densidade aparente do material. No processo de fermentação aeróbica em estado sólido, o crescimento de microrganismos geralmente começa na superfície das partículas e penetra gradualmente no interior das partículas. A maior área superficial específica favorece o crescimento de microrganismos e a aquisição de nutrientes. Partículas muito pequenas tornarão o material muito denso, tornando o oxigênio o fator limitante para o crescimento.
Além disso, o tamanho das partículas também afeta a porosidade do substrato de fermentação no estado sólido, o que por sua vez afeta o transporte de massa. Os poros entre as partículas afetam principalmente a difusão do gás, e o impacto sobre os microrganismos também é mais complicado. Por exemplo, afecta se as enzimas produzidas por microrganismos ou enzimas hidrolíticas externas podem penetrar no interior das partículas e desempenhar um papel, e também afecta se os microrganismos podem entrar no interior das partículas para crescer. .
1.3 Nutrientes da Matriz
O substrato de fermentação em estado sólido fornece aos microrganismos nutrientes essenciais como carbono, nitrogênio, fósforo e oligoelementos inorgânicos para manter as atividades vitais dos microrganismos e sintetizar metabólitos extracelulares, que têm um impacto importante na viabilidade dos microrganismos.
A proporção carbono-nitrogênio também é um dos fatores importantes que afetam o crescimento de microrganismos e a produção de metabólitos. Se o teor de nitrogênio no substrato de fermentação em estado sólido for muito alto ou muito baixo, isso afetará o crescimento e o metabolismo dos microrganismos. Para diferentes tipos de microrganismos, a proporção necessária de carbono-nitrogênio também é diferente.
Portanto, no substrato de fermentação em estado sólido utilizado para o cultivo de microrganismos, a proporção carbono-nitrogênio deve ser mantida dentro de uma faixa apropriada para garantir que haja nutrientes suficientes para seu crescimento e metabolismo.
1.4 Temperatura
Em um sistema fechado de fermentação em estado sólido, uma grande quantidade de calor metabólico será gerada à medida que a fermentação prossegue. A alta temperatura tem um efeito negativo no crescimento microbiano e na formação de produtos, e a baixa temperatura não conduz ao crescimento microbiano e às reações bioquímicas.
Devido às diferentes eficiências de dissipação de calor de vários sistemas de fermentação, a temperatura que pode ser alcançada depende da complexa interação entre os microrganismos e do tipo de sistema de fermentação e do seu modo de operação. Portanto, como controlar a influência da temperatura do sistema de fermentação sobre os microrganismos e resolver o problema de geração e dissipação de calor no leito matriz desempenha um papel vital na melhoria do desempenho de produção do sistema fechado de fermentação em estado sólido.
1.5 Ventilação
A aeração é um parâmetro muito importante no sistema fechado de fermentação em estado sólido, que pode manter as condições aeróbicas no sistema fechado de fermentação em estado sólido, remover o dióxido de carbono no
leito de substrato, controlar a temperatura no leito de substrato e manter a umidade do leito de substrato.
No entanto, se o ar insaturado for introduzido no sistema fechado de fermentação em estado sólido, causará forte evaporação do leito do substrato, agravará a perda de água do substrato de fermentação em estado sólido e inibirá o crescimento e metabolismo de microrganismos. Portanto, durante o processo de ventilação, muita atenção deve ser dada a este problema.
1.6 Seleção microbiana
A escolha dos microrganismos pode ter o impacto mais importante no desempenho da fermentação em sistemas fechados de fermentação em estado sólido. Isto não ocorre apenas porque a escolha do microrganismo determina o produto final da fermentação, mas também porque o desempenho da fermentação varia de acordo com a morfologia e o padrão de crescimento do microrganismo.
Por exemplo, alguns fungos filamentosos, como Rhizopus oryzae, podem formar espessas camadas de hifas que reduzem a transferência de oxigênio e calor entre o ambiente e o substrato. Com isso, o consumo de oxigênio e o acúmulo de calor metabólico na matriz tornam o ambiente desfavorável ao crescimento de microrganismos, prejudicando o desempenho da fermentação.
Portanto, a seleção microbiana ideal dependerá do tipo de substrato de fermentação em estado sólido, dos requisitos de crescimento e dos produtos finais alvo.
1.7 Teor de umidade e atividade de água
Normalmente, a necessidade de água dos microrganismos deve ser definida em termos de atividade de água (Aw) e não do conteúdo de água do substrato sólido. A atividade da água afeta diretamente o tipo e o número de microrganismos que podem crescer durante a fermentação no estado sólido, afetando assim a produção final de metabólitos microbianos.
No processo de fermentação em estado sólido, diferentes microrganismos requerem diferentes valores de atividade de água. Se o valor da atividade de água for baixo, o crescimento de microrganismos será afetado e o rendimento será reduzido. Pelo contrário, se for demasiado elevado, levará à agregação de partículas de matriz sólida, o que limitará a transferência de oxigénio e levará a uma diminuição na produção de metabolitos microbianos. Portanto, é muito importante ajustar o valor da atividade de água para a faixa apropriada.
1.8 Autoprojeto do sistema de fermentação
Durante todo o processo de fermentação, exceto o oxigênio, nada é adicionado ao substrato de fermentação em estado sólido para garantir que o ambiente de crescimento dos microrganismos seja mantido em um estado ideal.
Embora a composição e a concentração dos substratos de fermentação no estado sólido sejam geralmente alteradas pelo metabolismo microbiano, alguns parâmetros nos sistemas de fermentação no estado sólido, como o oxigênio e a transferência de calor metabólica, precisam ser ajustados controlando a aeração, a agitação, o teor de umidade, a temperatura e a temperatura. os microrganismos e nutrientes utilizados. O tipo de substrato de fermentação em estado sólido é gerenciado para garantir o bom andamento de todo o processo de fermentação.
Portanto, cada processo de fermentação específico requer um projeto específico e definição de parâmetros de fermentação apropriados para garantir a eficácia e confiabilidade do sistema fechado de fermentação em estado sólido.
2. Regulação ideal do sistema fechado de fermentação em estado sólido
Valores ideais de parâmetros de processo podem maximizar o crescimento celular e a produção de metabólitos. Portanto, é particularmente importante otimizar e regular sistemas fechados de fermentação em estado sólido.
2.1 Controle PID (proporcional-integral-derivativo)
Em muitos sistemas fechados de fermentação em estado sólido em grande escala, a agitação e o resfriamento convectivo não podem remover mais de 50% do calor metabólico, e os 50% restantes do calor só podem ser removidos por outros meios. Portanto, o resfriamento evaporativo é a forma mais eficaz de remover o calor metabólico.
Quando sistemas fechados de fermentação em estado sólido em grande escala usam
resfriamento evaporativo, a resposta dinâmica e a configuração de controle do processo se tornarão muito complexas. Normalmente, tal processo não pode ser controlado apenas pelo algoritmo PID, e este processo requer muito tempo para responder às mudanças nas variáveis de operação, o que traz grandes dificuldades ao ajuste do PID.
Além disso, a resposta dinâmica do sistema não é linear e a resposta do sistema de fermentação não é consistente durante todo o tempo de fermentação. Esta situação fará com que os parâmetros de ajuste do PID sejam aplicáveis apenas por um período de tempo, portanto, as configurações dos parâmetros do PID precisam ser alteradas com frequência. Para alcançar o desempenho ideal nessas situações complexas, são necessários métodos de controle baseados em modelos.
2.2 Otimização da modelagem matemática
A modelagem matemática é uma ferramenta essencial para otimizar processos biológicos, não apenas orientando o projeto e a operação de sistemas fechados de fermentação em estado sólido, mas também fornecendo insights sobre como vários fenômenos dentro dos sistemas de fermentação se combinam para controlar o processo geral.
Alguns pesquisadores simularam o consumo de oxigênio, a produção de calor e o crescimento celular no sistema de fermentação em estado sólido por meio de modelos matemáticos, o que ajudará a compreender melhor o processo de migração da fermentação em estado sólido e, assim, contribuir para o projeto ideal de sistemas de fermentação em estado sólido fechados. sistemas de fermentação estaduais.
Atualmente, o modelo matemático atingiu um nível maduro, e somente usando o modelo matemático como ferramenta no processo de projeto e operação de otimização, o sistema de fermentação em estado sólido pode realizar plenamente seu potencial, maximizando assim o desempenho econômico do sólido -estado processo de fermentação.
3 Epílogo
Com o avanço contínuo da biotecnologia moderna e dos métodos de monitoramento, os sistemas fechados de fermentação em estado sólido se tornarão mais automatizados e inteligentes, as ferramentas de monitoramento e os sistemas de controle automático serão ainda mais otimizados e o controle da fermentação se tornará mais preciso.