système de fermentation à l'état solide
1. Facteurs affectant les performances de la fermentation fermée à l'état solide
1.1 Condition d'agitation ou de mélange
L'agitation est bénéfique pour garantir la température du lit, l'humidité, etc., et peut également favoriser le transfert de masse et de chaleur dans le système de fermentation. Cependant, l’agitation peut également briser le mycélium, affecter la croissance des micro-organismes et même affecter la synthèse des métabolites.
La plupart des champignons filamenteux sont sensibles à la force de cisaillement. Par conséquent, lors du choix d'un système de fermentation fermé avec un dispositif d'agitation, en plus de considérer la fréquence d'agitation, le temps d'agitation et l'intensité de l'agitation, il est également nécessaire de déterminer si l'agitation affectera les micro-organismes ou le produit final. Rendement de
1.2 Taille des particules par rapport à la porosité
La taille des particules du substrat de fermentation à l'état solide est liée à la surface spécifique et à la densité apparente du matériau. Au cours du processus de fermentation aérobie à l'état solide, la croissance des micro-organismes commence généralement à partir de la surface des particules et pénètre progressivement à l'intérieur des particules. La surface spécifique plus grande est propice à la croissance des micro-organismes et à l’acquisition de nutriments. Des particules trop petites rendront le matériau trop dense, faisant de l’oxygène le facteur limitant la croissance.
De plus, la taille des particules affecte également la porosité du substrat de fermentation solide, qui à son tour affecte le transport de masse. Les pores entre les particules affectent principalement la diffusion du gaz, et l'impact sur les micro-organismes est également plus compliqué. Par exemple, cela affecte si les enzymes produites par des micro-organismes ou des enzymes hydrolytiques externes peuvent pénétrer à l'intérieur des particules et jouer un rôle, et affecte également si les micro-organismes peuvent pénétrer à l'intérieur des particules pour se développer. .
1.3 Nutriments matriciels
Le substrat de fermentation à l'état solide fournit aux micro-organismes des nutriments essentiels tels que le carbone, l'azote, le phosphore et des oligo-éléments inorganiques pour maintenir les activités vitales des micro-organismes et synthétiser des métabolites extracellulaires, qui ont un impact important sur la viabilité des micro-organismes.
Le rapport carbone/azote est également l’un des facteurs importants affectant la croissance des micro-organismes et la production de métabolites. Si la teneur en azote du substrat de fermentation solide est trop élevée ou trop faible, cela affectera la croissance et le métabolisme des micro-organismes. Pour différents types de micro-organismes, le rapport carbone-azote requis est également différent.
Par conséquent, dans le substrat de fermentation à l’état solide utilisé pour cultiver des micro-organismes, le rapport carbone/azote doit être maintenu dans une plage appropriée pour garantir qu’il y ait suffisamment de nutriments pour leur croissance et leur métabolisme.
1.4 Température
Dans un système de fermentation fermé à l’état solide, une grande quantité de chaleur métabolique sera générée au fur et à mesure de la fermentation. Une température élevée a un effet négatif sur la croissance microbienne et la formation de produits, et une température basse n'est pas propice à la croissance microbienne et aux réactions biochimiques.
En raison de l'efficacité différente de dissipation thermique des différents systèmes de fermentation, la température pouvant être atteinte dépend de l'interaction complexe entre les micro-organismes, le type de système de fermentation et son mode de fonctionnement. Par conséquent, la manière de contrôler l’influence de la température du système de fermentation sur les micro-organismes et de résoudre le problème de génération et de dissipation de chaleur dans le lit matriciel joue un rôle essentiel dans l’amélioration des performances de production du système de fermentation fermé à l’état solide.
1.5 Aération
L'aération est un paramètre très important dans le système fermé de fermentation à l'état solide, qui peut maintenir les conditions aérobies dans le système fermé de fermentation à l'état solide, éliminer le dioxyde de carbone dans le
lit de substrat, contrôlez la température dans le lit de substrat et maintenez l'humidité du lit de substrat.
Cependant, si de l'air insaturé est introduit dans le système fermé de fermentation à l'état solide, cela provoquera une forte évaporation du lit de substrat, aggravera la perte d'eau du substrat de fermentation à l'état solide et inhibera la croissance et le métabolisme des micro-organismes. Par conséquent, lors du processus de ventilation, une grande attention doit être accordée à ce problème.
1.6 Sélection microbienne
Le choix des micro-organismes peut avoir l’impact le plus important sur les performances de fermentation des systèmes de fermentation fermés à l’état solide. Cela n’est pas seulement dû au fait que le choix du micro-organisme détermine le produit final de la fermentation, mais également au fait que les performances de la fermentation varient en fonction de la morphologie et du modèle de croissance du micro-organisme.
Par exemple, certains champignons filamenteux, tels que Rhizopus oryzae, peuvent former d’épaisses couches d’hyphes qui réduisent le transfert d’oxygène et de chaleur entre l’environnement et le substrat. De ce fait, la consommation d’oxygène et l’accumulation de chaleur métabolique dans la matrice rendent l’environnement défavorable à la croissance des micro-organismes, nuisant ainsi aux performances de la fermentation.
Par conséquent, la sélection microbienne optimale dépendra du type de substrat de fermentation solide, des exigences de croissance et des produits finaux cibles.
1.7 Teneur en humidité et activité de l'eau
Habituellement, les besoins en eau des micro-organismes doivent être définis en termes d’activité de l’eau (Aw) plutôt qu’en termes de teneur en eau du substrat solide. L'activité de l'eau affecte directement le type et le nombre de micro-organismes qui peuvent se développer pendant la fermentation à l'état solide, affectant ainsi la production finale de métabolites microbiens.
Dans le processus de fermentation à l’état solide, différents micro-organismes nécessitent différentes valeurs d’activité de l’eau. Si la valeur de l’activité de l’eau est faible, la croissance des micro-organismes sera affectée et le rendement sera réduit. Au contraire, s’il est trop élevé, il entraînera l’agrégation de particules solides de la matrice, ce qui limitera le transfert d’oxygène et entraînera une diminution de la production de métabolites microbiens. Il est donc très important d’ajuster la valeur de l’activité de l’eau dans la plage appropriée.
1.8 Auto-conception du système de fermentation
Pendant tout le processus de fermentation, à l'exception de l'oxygène, rien n'est ajouté au substrat de fermentation solide pour garantir que l'environnement de croissance des micro-organismes soit maintenu dans un état idéal.
Bien que la composition et la concentration des substrats de fermentation à l'état solide soient généralement modifiées par le métabolisme microbien, certains paramètres des systèmes de fermentation à l'état solide, tels que l'oxygène et le transfert de chaleur métabolique, doivent être ajustés en contrôlant l'aération, l'agitation, la teneur en humidité, la température et les micro-organismes et les nutriments utilisés. Le type de substrat de fermentation solide est géré pour assurer le bon déroulement de l’ensemble du processus de fermentation.
Par conséquent, chaque processus de fermentation spécifique nécessite une conception spécifique et un réglage des paramètres de fermentation appropriés pour garantir l'efficacité et la fiabilité du système de fermentation fermé à l'état solide.
2. Régulation optimale du système de fermentation fermé à l’état solide
Les valeurs optimales des paramètres de processus peuvent maximiser la croissance cellulaire et la production de métabolites. Il est donc particulièrement important d’optimiser et de réguler les systèmes fermés de fermentation à l’état solide.
2.1 Contrôle PID (proportionnel-intégral-dérivé)
Dans de nombreux systèmes fermés de fermentation à l’état solide à grande échelle, l’agitation et le refroidissement par convection ne peuvent pas éliminer plus de 50 % de la chaleur métabolique, et les 50 % de chaleur restants ne peuvent être éliminés que par d’autres moyens. Le refroidissement par évaporation est donc le moyen le plus efficace d’évacuer la chaleur métabolique.
Lorsque les systèmes fermés de fermentation à l’état solide à grande échelle utilisent
refroidissement par évaporation, la réponse dynamique et la configuration de contrôle du processus deviendront très complexes. Habituellement, un tel processus ne peut pas être contrôlé par l'algorithme PID seul, et ce processus nécessite beaucoup de temps pour répondre aux changements des variables de fonctionnement, ce qui entraîne de grandes difficultés pour le réglage du PID.
De plus, la réponse dynamique du système est non linéaire et la réponse du système de fermentation n'est pas cohérente tout au long de la durée de fermentation. Dans cette situation, les paramètres de réglage PID ne seront applicables que pendant un certain temps, les paramètres PID doivent donc être modifiés fréquemment. Pour obtenir des performances optimales dans ces situations complexes, des méthodes de contrôle basées sur des modèles sont nécessaires.
2.2 Optimisation de la modélisation mathématique
La modélisation mathématique est un outil essentiel pour optimiser les processus biologiques, guidant non seulement la conception et le fonctionnement de systèmes fermés de fermentation à l’état solide, mais fournissant également un aperçu de la façon dont divers phénomènes au sein des systèmes de fermentation se combinent pour contrôler le processus global.
Certains chercheurs ont simulé la consommation d'oxygène, la production de chaleur et la croissance cellulaire dans le système de fermentation à l'état solide au moyen de modèles mathématiques, ce qui aidera à mieux comprendre le processus de migration de la fermentation à l'état solide et contribuera ainsi à la conception optimale de systèmes fermés de fermentation à l'état solide. systèmes de fermentation étatiques.
À l'heure actuelle, le modèle mathématique a atteint un niveau de maturité, et ce n'est qu'en utilisant le modèle mathématique comme outil dans le processus de conception et l'opération d'optimisation que le système de fermentation à l'état solide peut pleinement réaliser son potentiel, maximisant ainsi les performances économiques du solide. -état du processus de fermentation.
3 Épilogue
Avec les progrès continus de la biotechnologie moderne et des méthodes de surveillance, les systèmes fermés de fermentation à l'état solide deviendront plus automatisés et intelligents, les outils de surveillance et les systèmes de contrôle automatique seront encore optimisés et le contrôle de la fermentation deviendra plus précis.
