sistema de fermentación en estado sólido
1. Factores que afectan el desempeño de la fermentación en estado sólido cerrado
1.1 Condición de agitación o mezcla
La agitación es beneficiosa para asegurar la temperatura del lecho, la humedad, etc., y también puede promover la transferencia de masa y calor en el sistema de fermentación. Sin embargo, la agitación también puede romper el micelio, afectar el crecimiento de microorganismos e incluso afectar la síntesis de metabolitos.
La mayoría de los hongos filamentosos son sensibles a la fuerza de corte. Por lo tanto, al elegir un sistema de fermentación cerrado con un dispositivo de agitación, además de considerar la frecuencia de agitación, el tiempo de agitación y la intensidad de agitación, también es necesario considerar si la agitación afectará a los microorganismos o al producto final. Rendimiento de
1.2 Tamaño de partícula versus porosidad
El tamaño de partícula del sustrato de fermentación en estado sólido está relacionado con el área de superficie específica y la densidad aparente del material. En el proceso de fermentación aeróbica en estado sólido, el crecimiento de microorganismos generalmente comienza desde la superficie de las partículas y penetra gradualmente en el interior de las partículas. La mayor superficie específica favorece el crecimiento de microorganismos y la adquisición de nutrientes. Las partículas que son demasiado pequeñas harán que el material sea demasiado denso, lo que hará que el oxígeno sea el factor limitante para el crecimiento.
Además, el tamaño de las partículas también afecta a la porosidad del sustrato de fermentación en estado sólido, lo que a su vez afecta al transporte de masa. Los poros entre las partículas afectan principalmente a la difusión del gas y el impacto sobre los microorganismos también es más complicado. Por ejemplo, afecta si las enzimas producidas por microorganismos o enzimas hidrolíticas externas pueden penetrar en el interior de las partículas y desempeñar un papel, y también afecta si los microorganismos pueden ingresar al interior de las partículas para crecer. .
1.3 Nutrientes de la matriz
El sustrato de fermentación en estado sólido proporciona a los microorganismos nutrientes esenciales como carbono, nitrógeno, fósforo y oligoelementos inorgánicos para mantener las actividades vitales de los microorganismos y sintetizar metabolitos extracelulares, que tienen un impacto importante en la viabilidad de los microorganismos.
La relación carbono-nitrógeno es también uno de los factores importantes que afectan el crecimiento de microorganismos y la producción de metabolitos. Si el contenido de nitrógeno en el sustrato de fermentación en estado sólido es demasiado alto o demasiado bajo, afectará el crecimiento y el metabolismo de los microorganismos. Para diferentes tipos de microorganismos, la proporción carbono-nitrógeno requerida también es diferente.
Por lo tanto, en el sustrato de fermentación en estado sólido utilizado para cultivar microorganismos, la proporción de carbono a nitrógeno debe mantenerse dentro de un rango apropiado para garantizar que haya suficientes nutrientes para su crecimiento y metabolismo.
1.4 Temperatura
En un sistema cerrado de fermentación en estado sólido, se generará una gran cantidad de calor metabólico a medida que avanza la fermentación. La temperatura alta tiene un efecto negativo sobre el crecimiento microbiano y la formación de productos, y la temperatura baja no favorece el crecimiento microbiano ni las reacciones bioquímicas.
Debido a la diferente eficiencia de disipación de calor de los distintos sistemas de fermentación, la temperatura que se puede alcanzar depende de la compleja interacción entre los microorganismos y el tipo de sistema de fermentación y su modo de funcionamiento. Por lo tanto, cómo controlar la influencia de la temperatura del sistema de fermentación sobre los microorganismos y resolver el problema de la generación y disipación de calor en el lecho de matriz juega un papel vital en la mejora del rendimiento de producción del sistema de fermentación de estado sólido cerrado.
1.5 Ventilación
La aireación es un parámetro muy importante en el sistema cerrado de fermentación en estado sólido, que puede mantener las condiciones aeróbicas en el sistema cerrado de fermentación en estado sólido, eliminar el dióxido de carbono en el lecho de sustrato, controlar la temperatura en el lecho de sustrato y mantener la humedad del lecho de sustrato.
Sin embargo, si se introduce aire insaturado en el sistema cerrado de fermentación en estado sólido, provocará una fuerte evaporación del lecho del sustrato, agravará la pérdida de agua del sustrato de fermentación en estado sólido e inhibirá el crecimiento y el metabolismo de los microorganismos. Por tanto, durante el proceso de ventilación se debe prestar mucha atención a este problema.
1.6 Selección microbiana
La elección de los microorganismos puede tener el impacto más importante en el rendimiento de la fermentación de los sistemas cerrados de fermentación en estado sólido. Esto no se debe sólo a que la elección del microorganismo determina el producto final de la fermentación, sino también a que el rendimiento de la fermentación varía con la morfología y el patrón de crecimiento del microorganismo.
Por ejemplo, algunos hongos filamentosos, como Rhizopus oryzae, pueden formar gruesas capas de hifas que reducen la transferencia de oxígeno y calor entre el ambiente y el sustrato. Como resultado, el consumo de oxígeno y la acumulación de calor metabólico en la matriz hacen que el ambiente sea desfavorable para el crecimiento de microorganismos, perjudicando así el desempeño de la fermentación.
Por lo tanto, la selección microbiana óptima dependerá del tipo de sustrato de fermentación en estado sólido, los requisitos de crecimiento y los productos finales objetivo.
1.7 Contenido de humedad y actividad del agua.
Normalmente, las necesidades de agua de los microorganismos deben definirse en términos de actividad de agua (Aw) en lugar del contenido de agua del sustrato sólido. La actividad del agua afecta directamente el tipo y la cantidad de microorganismos que pueden crecer durante la fermentación en estado sólido, afectando así la producción final de metabolitos microbianos.
En el proceso de fermentación en estado sólido, diferentes microorganismos requieren diferentes valores de actividad del agua. Si el valor de la actividad del agua es bajo, el crecimiento de microorganismos se verá afectado y el rendimiento se reducirá. Por el contrario, si es demasiado elevado, provocará la agregación de partículas de matriz sólida, lo que limitará la transferencia de oxígeno y provocará una disminución en la producción de metabolitos microbianos. Por lo tanto, es muy importante ajustar el valor de actividad del agua al rango apropiado.
1.8 Autodiseño del sistema de fermentación.
Durante todo el proceso de fermentación, excepto oxígeno, no se agrega nada al sustrato de fermentación en estado sólido para garantizar que el entorno de crecimiento de los microorganismos se mantenga en un estado ideal.
Aunque la composición y concentración de los sustratos de fermentación en estado sólido generalmente cambian mediante el metabolismo microbiano, algunos parámetros en los sistemas de fermentación en estado sólido, como el oxígeno y la transferencia metabólica de calor, deben ajustarse controlando la aireación, la agitación, el contenido de humedad, la temperatura y los microorganismos y nutrientes utilizados. El tipo de sustrato de fermentación en estado sólido se gestiona para asegurar el buen desarrollo de todo el proceso de fermentación.
Por lo tanto, cada proceso de fermentación específico requiere un diseño específico y una configuración de parámetros de fermentación apropiados para garantizar la efectividad y confiabilidad del sistema cerrado de fermentación en estado sólido.
2. Regulación óptima del sistema cerrado de fermentación en estado sólido
Los valores óptimos de los parámetros del proceso pueden maximizar el crecimiento celular y la producción de metabolitos. Por lo tanto, es particularmente importante optimizar y regular los sistemas cerrados de fermentación en estado sólido.
2.1 Control PID (proporcional-integral-derivativo)
En muchos sistemas cerrados de fermentación en estado sólido a gran escala, la agitación y el enfriamiento por convección no pueden eliminar más del 50% del calor metabólico, y el 50% restante del calor sólo puede eliminarse por otros medios. Por tanto, el enfriamiento por evaporación es la forma más eficaz de eliminar el calor metabólico.
Cuando se utilizan sistemas cerrados de fermentación de estado sólido a gran escala enfriamiento evaporativo, la respuesta dinámica y la configuración de control del proceso se volverán muy complejas. Por lo general, dicho proceso no puede controlarse únicamente con el algoritmo PID, y este proceso requiere mucho tiempo para responder a los cambios en las variables operativas, lo que genera grandes dificultades para el ajuste del PID.
Además, la respuesta dinámica del sistema no es lineal y la respuesta del sistema de fermentación no es consistente durante todo el tiempo de fermentación. Esta situación hará que los parámetros de ajuste de PID solo sean aplicables durante un período de tiempo, por lo que es necesario cambiar la configuración de los parámetros de PID con frecuencia. Para lograr un rendimiento óptimo en estas situaciones complejas, son necesarios métodos de control basados en modelos.
2.2 Optimización del modelado matemático
El modelado matemático es una herramienta esencial para optimizar los procesos biológicos, no solo guiando el diseño y operación de sistemas cerrados de fermentación en estado sólido, sino también brindando información sobre cómo varios fenómenos dentro de los sistemas de fermentación se combinan para controlar el proceso general.
Algunos investigadores han simulado el consumo de oxígeno, la producción de calor y el crecimiento celular en el sistema de fermentación en estado sólido a través de modelos matemáticos, lo que ayudará a comprender mejor el proceso de migración de la fermentación en estado sólido, y así contribuir al diseño óptimo de sistemas cerrados de fermentación en estado sólido. Sistemas de fermentación estatales.
En la actualidad, el modelo matemático ha alcanzado un nivel maduro, y sólo utilizando el modelo matemático como herramienta en el proceso de diseño y operación de optimización, el sistema de fermentación de estado sólido puede alcanzar plenamente su potencial, maximizando así el rendimiento económico del sólido. -estado del proceso de fermentación.
3 Epílogo
Con el avance continuo de la biotecnología y los métodos de monitoreo modernos, los sistemas cerrados de fermentación en estado sólido serán más automatizados e inteligentes, las herramientas de monitoreo y los sistemas de control automático se optimizarán aún más y el control de la fermentación será más preciso.