고체 발효 시스템
1. 폐쇄고체발효 성능에 영향을 미치는 요인
1.1 교반 또는 혼합 조건
교반은 층 온도, 습도 등을 보장하는 데 유익하며 발효 시스템에서 질량 및 열 전달을 촉진할 수도 있습니다. 그러나 교반은 균사체를 파괴하고 미생물의 성장에 영향을 미치며 심지어 대사산물의 합성에도 영향을 미칠 수 있습니다.
대부분의 사상균은 전단력에 민감합니다. 따라서 교반장치를 갖춘 폐쇄형 발효시스템을 선택할 때에는 교반횟수, 교반시간, 교반강도를 고려하는 것 외에도 교반이 미생물이나 최종제품에 영향을 미치는지 여부도 고려해야 한다. 수확량
1.2 입자 크기 대 다공성
고체 발효 기질의 입자 크기는 물질의 비표면적 및 부피 밀도와 관련이 있습니다. 호기성 고체발효 과정에서 미생물의 성장은 일반적으로 입자의 표면에서부터 시작되어 점차적으로 입자 내부로 침투하게 된다. 비표면적이 클수록 미생물의 성장과 영양분의 획득에 도움이 됩니다. 입자가 너무 작으면 재료의 밀도가 너무 높아져 산소가 성장을 제한하는 요인이 됩니다.
또한, 입자의 크기는 고체 발효 기질의 다공성에도 영향을 미치며, 이는 다시 대량 수송에도 영향을 미칩니다. 입자 사이의 기공은 주로 가스 확산에 영향을 미치며 미생물에 미치는 영향도 더욱 복잡합니다. 예를 들어, 미생물이 생산하는 효소나 외부 가수분해 효소가 입자 내부에 침투하여 역할을 할 수 있는지 여부에 영향을 미치며, 미생물이 입자 내부에 들어가서 성장할 수 있는지 여부에도 영향을 줍니다. .
1.3 매트릭스 영양소
고체발효 기질은 미생물에게 탄소, 질소, 인, 미량무기원소 등의 필수 영양소를 제공하여 미생물의 생명활동을 유지하고 미생물의 생존능력에 중요한 영향을 미치는 세포외 대사산물을 합성합니다.
탄소-질소 비율 역시 미생물의 성장과 대사산물 생산에 영향을 미치는 중요한 요소 중 하나입니다. 고체 발효 기질의 질소 함량이 너무 높거나 낮으면 미생물의 성장과 대사에 영향을 미칩니다. 미생물의 종류에 따라 필요한 탄소-질소 비율도 다릅니다.
따라서 미생물 배양에 사용되는 고체발효 기질은 미생물의 성장과 대사에 필요한 영양분을 충분히 확보할 수 있도록 탄소-질소 비율을 적절한 범위 내로 유지해야 한다.
1.4 온도
폐쇄형 고체 발효 시스템에서는 발효가 진행됨에 따라 많은 양의 대사열이 발생합니다. 고온은 미생물 성장과 제품 형성에 부정적인 영향을 미치며, 저온은 미생물 성장과 생화학적 반응에 도움이 되지 않습니다.
다양한 발효 시스템의 열 방출 효율이 다르기 때문에 도달할 수 있는 온도는 미생물과 발효 시스템 유형 및 작동 모드 간의 복잡한 상호 작용에 따라 달라집니다. 따라서 발효 시스템의 온도가 미생물에 미치는 영향을 어떻게 제어하고 매트릭스 베드의 열 발생 및 방열 문제를 해결하는지는 폐쇄형 고체 발효 시스템의 생산 성능을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다.
1.5 환기
통기는 폐쇄형 고체 발효 시스템에서 매우 중요한 매개변수로, 폐쇄형 고체 발효 시스템에서 호기성 조건을 유지할 수 있고, 내부의 이산화탄소를 제거할 수 있습니다.
기판 베드, 기판 베드의 온도를 제어하고 기판 베드의 습도를 유지합니다.
그러나 폐쇄형 고상 발효 시스템에 불포화 공기가 도입되면 기질층의 강한 증발을 유발하고 고상 발효 기질의 수분 손실을 악화시키며 미생물의 성장과 대사를 억제합니다. 따라서 환기 과정에서 이 문제에 큰 주의를 기울여야 합니다.
1.6 미생물 선택
미생물의 선택은 폐쇄형 고체 발효 시스템의 발효 성능에 가장 중요한 영향을 미칠 수 있습니다. 이는 미생물의 선택에 따라 발효의 최종 산물이 결정될 뿐만 아니라, 미생물의 형태와 성장 패턴에 따라 발효 성능이 달라지기 때문입니다.
예를 들어, Rhizopus oryzae와 같은 일부 사상균은 환경과 기질 사이의 산소 및 열 전달을 감소시키는 두꺼운 균사층을 형성할 수 있습니다. 결과적으로 매트릭스 내 산소 소모와 대사열 축적으로 인해 미생물 성장에 불리한 환경이 조성되어 발효 성능이 저하된다.
따라서 최적의 미생물 선택은 고체 발효 기질의 유형, 성장 요구 사항 및 목표 최종 산물에 따라 달라집니다.
1.7 수분 함량과 수분 활성도
일반적으로 미생물의 수분 요구량은 고체 기질의 수분 함량보다는 수분 활성도(Aw)로 정의해야 합니다. 수분 활성은 고체 발효 중에 성장할 수 있는 미생물의 유형과 수에 직접적인 영향을 미치므로 미생물 대사산물의 최종 생산량에 영향을 미칩니다.
고체 발효 공정에서는 미생물마다 서로 다른 수분 활성도 값이 필요합니다. 수분 활성도 값이 낮으면 미생물의 성장에 영향을 미치고 수확량이 감소합니다. 반대로, 너무 높으면 고체 매트릭스 입자의 응집으로 이어져 산소 전달을 제한하고 미생물 대사산물의 생성을 감소시킵니다. 따라서 수분활성도 값을 적절한 범위로 조절하는 것이 매우 중요합니다.
1.8 발효 시스템의 자체 설계
전체 발효 과정에서 고체 발효 기질에 산소 외에는 어떠한 첨가물도 첨가하지 않아 미생물의 성장 환경이 이상적인 상태로 유지됩니다.
고체 발효 기질의 조성과 농도는 일반적으로 미생물 대사에 의해 변경되지만 산소 및 대사 열 전달과 같은 고체 발효 시스템의 일부 매개변수는 통기, 교반, 수분 함량, 온도 및 온도를 제어하여 조정해야 합니다. 사용된 미생물과 영양소. 전체 발효 과정이 원활하게 진행될 수 있도록 고체 발효 기질의 종류를 관리합니다.
따라서 각각의 특정 발효 공정에는 폐쇄형 고체 발효 시스템의 효율성과 신뢰성을 보장하기 위해 적절한 발효 매개변수의 특정 설계 및 설정이 필요합니다.
2. 폐쇄형 고체 발효 시스템의 최적 조절
최적의 공정 매개변수 값은 세포 성장과 대사산물 생산을 극대화할 수 있습니다. 따라서 폐쇄형 고체 발효 시스템을 최적화하고 조절하는 것이 특히 중요합니다.
2.1 PID(비례적분미분) 제어
많은 대규모 폐쇄형 고체 발효 시스템에서는 교반 및 대류 냉각으로는 대사열의 50% 이상을 제거할 수 없으며 나머지 50%의 열은 다른 방법으로만 제거할 수 있습니다. 따라서 증발냉각은 대사열을 제거하는 가장 효과적인 방법이다.
대규모 폐쇄형 고체 발효 시스템을 사용할 경우
증발 냉각으로 인해 프로세스의 동적 반응과 제어 구성이 매우 복잡해집니다. 일반적으로 이러한 프로세스는 PID 알고리즘만으로는 제어할 수 없으며, 이 프로세스는 운전 변수의 변화에 응답하는 데 오랜 시간이 필요하므로 PID 튜닝에 큰 어려움을 초래합니다.
또한 시스템의 동적 반응은 비선형적이며 발효 시스템의 반응은 발효 시간 내내 일관되지 않습니다. 이러한 상황에서는 PID 튜닝 매개변수가 일정 기간 동안만 적용 가능하게 되므로 PID 매개변수 설정을 자주 변경해야 합니다. 이러한 복잡한 상황에서 최적의 성능을 얻으려면 모델 기반 제어 방법이 필요합니다.
2.2 수학적 모델링 최적화
수학적 모델링은 폐쇄형 고체 발효 시스템의 설계 및 운영을 안내할 뿐만 아니라 발효 시스템 내의 다양한 현상이 결합되어 전체 프로세스를 제어하는 방법에 대한 통찰력을 제공하여 생물학적 프로세스를 최적화하는 데 필수적인 도구입니다.
일부 연구자들은 수학적 모델을 통해 고체 발효 시스템의 산소 소비, 열 생산 및 세포 성장을 시뮬레이션했습니다. 이는 고체 발효의 이동 과정을 더 잘 이해하는 데 도움이 되고 따라서 폐쇄형 고체 발효 시스템의 최적 설계에 기여할 것입니다. 상태 발효 시스템.
현재 수학적 모델은 성숙한 수준에 도달했으며 수학적 모델을 설계 프로세스 및 최적화 작업의 도구로 사용해야만 고체 발효 시스템의 잠재력을 완전히 실현할 수 있으며 이를 통해 고체 발효 시스템의 경제적 성능을 극대화할 수 있습니다. - 상태 발효 과정.
3 에필로그
현대 생명공학 및 모니터링 방법이 지속적으로 발전함에 따라 폐쇄형 고체 발효 시스템은 더욱 자동화되고 지능화될 것이며 모니터링 도구 및 자동 제어 시스템은 더욱 최적화되고 발효 제어는 더욱 정밀해질 것입니다.
