固体発酵システム
1. 密閉固相発酵のパフォーマンスに影響を与える要因
1.1 撹拌または混合条件
撹拌は床の温度や湿度などを確保するのに有益であり、また発酵システム内の物質と熱の移動を促進することもできます。 ただし、撹拌すると菌糸体が破壊され、微生物の増殖に影響を与え、さらには代謝産物の合成に影響を与える可能性もあります。
ほとんどの糸状菌はせん断力に敏感です。 したがって、撹拌装置を備えた密閉発酵システムを選択する場合は、撹拌頻度、撹拌時間、撹拌強度に加え、撹拌が微生物や最終製品に影響を与えないかも考慮する必要があります。 の収量
1.2 粒子サイズと気孔率
固体発酵基質の粒径は、材料の比表面積と嵩密度に関係します。 好気性固相発酵の過程では、一般に微生物の増殖は粒子の表面から始まり、徐々に粒子の内部に浸透していきます。 比表面積が大きいと、微生物の増殖や栄養素の獲得が容易になります。 粒子が小さすぎると材料の密度が高くなりすぎ、酸素が成長の制限要因になります。
さらに、粒子のサイズは固体発酵基質の多孔性に影響を及ぼし、それが物質輸送に影響を与えます。 粒子間の細孔は主にガスの拡散に影響を与えますが、微生物への影響もさらに複雑です。 例えば、微生物が産生する酵素や外部の加水分解酵素が粒子の内部に浸透して役割を果たすことができるかどうか、また微生物が粒子の内部に侵入して増殖できるかどうかに影響します。 。
1.3 マトリックス栄養素
固体発酵基質は、微生物の生命活動を維持し、微生物の生存能力に重要な影響を与える細胞外代謝産物を合成するために、炭素、窒素、リン、微量無機元素などの必須栄養素を微生物に提供します。
炭素対窒素の比率も、微生物の増殖と代謝産物の生成に影響を与える重要な要素の 1 つです。 固体発酵基質中の窒素含有量が高すぎたり低すぎたりすると、微生物の増殖や代謝に影響を及ぼします。 微生物の種類が異なれば、必要な炭素と窒素の比率も異なります。
したがって、微生物の培養に使用される固体発酵基質では、微生物の成長と代謝に十分な栄養素が確保されるように、炭素対窒素の比率を適切な範囲内に維持する必要があります。
1.4 温度
密閉固体発酵系では、発酵が進むにつれて大量の代謝熱が発生します。 高温は微生物の増殖や生成物の形成に悪影響を及ぼし、低温は微生物の増殖や生化学反応を促進しません。
発酵システムによって熱放散効率が異なるため、達成できる温度は微生物間の複雑な相互作用と発酵システムの種類および動作モードによって異なります。 したがって、発酵システムの温度が微生物に及ぼす影響をどのように制御し、マトリックスベッドの発熱と放熱の問題を解決するかが、閉鎖固体発酵システムの生産パフォーマンスを向上させる上で重要な役割を果たします。
1.5 換気
通気は密閉固体発酵システムにおいて非常に重要なパラメータであり、密閉固体発酵システム内の好気条件を維持し、発酵槽内の二酸化炭素を除去することができます。
基板ベッド内の温度を制御し、基板ベッドの湿度を維持します。
しかし、密閉固体発酵システムに不飽和空気が導入されると、基質床の激しい蒸発が引き起こされ、固体発酵基質の水分損失が悪化して、微生物の増殖と代謝が阻害されます。 したがって、換気プロセス中はこの問題に細心の注意を払う必要があります。
1.6 微生物の選択
微生物の選択は、閉鎖固体発酵システムの発酵パフォーマンスに最も重要な影響を与える可能性があります。 これは、微生物の選択が発酵の最終製品を決定するだけでなく、発酵のパフォーマンスが微生物の形態や成長パターンによって異なるためでもあります。
たとえば、Rhizopus oryzae などの一部の糸状菌は、環境と基質の間の酸素と熱の伝達を減少させる厚い菌糸層を形成することがあります。 その結果、酸素の消費とマトリックス内での代謝熱の蓄積により、環境が微生物の生育に不利になり、発酵のパフォーマンスにダメージを与えます。
したがって、最適な微生物の選択は、固体発酵基質の種類、増殖要件、および目的の最終製品によって異なります。
1.7 水分含有量と水分活性
通常、微生物の水分要求量は、固体基質の水分含有量ではなく、水分活性 (Aw) の観点から定義される必要があります。 水分活性は、固体発酵中に増殖できる微生物の種類と数に直接影響し、それによって微生物代謝物の最終生産量に影響を与えます。
固体発酵プロセスでは、微生物ごとに異なる水分活性値が必要です。 水分活性値が低いと微生物の生育に影響を及ぼし、収量が低下します。 逆に、それが高すぎると、固体マトリックス粒子の凝集が生じ、酸素の移動が制限され、微生物代謝産物の生産の減少につながります。 したがって、水分活性値を適切な範囲に調整することが非常に重要です。
1.8 発酵システムの自己設計
発酵プロセス全体において、固体発酵基質には酸素以外は何も添加されず、微生物の生育環境が理想的な状態に保たれます。
固体発酵基質の組成と濃度は通常、微生物の代謝によって変化しますが、酸素や代謝熱伝達などの固体発酵システムの一部のパラメーターは、通気、撹拌、水分含有量、温度、および温度を制御することによって調整する必要があります。 使用される微生物と栄養素。 発酵プロセス全体がスムーズに進むよう、固体発酵基質の種類を管理します。
したがって、密閉固体発酵システムの有効性と信頼性を確保するには、特定の発酵プロセスごとに適切な発酵パラメータの特定の設計と設定が必要です。
2. 密閉固体発酵システムの最適制御
最適なプロセスパラメータ値により、細胞増殖と代謝産物生成を最大化できます。 したがって、閉鎖固体発酵システムを最適化および制御することが特に重要です。
2.1 PID(比例・積分・微分)制御
多くの大規模な密閉固体発酵システムでは、撹拌や対流冷却では代謝熱の 50% 以上を除去できず、残りの 50% の熱は他の手段でしか除去できません。 したがって、蒸発冷却は代謝熱を除去する最も効果的な方法です。
大規模な密閉型固体発酵システムを使用する場合
蒸発冷却では、プロセスの動的応答と制御構成が非常に複雑になります。 通常、このようなプロセスは PID アルゴリズムだけでは制御できず、操作変数の変化に対する応答に長時間を要し、PID チューニングに大きな困難をもたらします。
さらに、システムの動的応答は非線形であり、発酵システムの応答は発酵時間全体にわたって一貫していません。 この状況では、PID 調整パラメータは一定期間しか適用できないため、PID パラメータ設定を頻繁に変更する必要があります。 このような複雑な状況で最適なパフォーマンスを達成するには、モデルベースの制御方法が必要です。
2.2 数学的モデリングの最適化
数学的モデリングは、生物学的プロセスを最適化するための不可欠なツールであり、閉鎖固体発酵システムの設計と操作をガイドするだけでなく、発酵システム内のさまざまな現象がどのように組み合わされてプロセス全体を制御するかについての洞察も提供します。
研究者の中には、固体発酵システムにおける酸素消費、熱生成、細胞の成長を数学的モデルを通じてシミュレーションした人もいます。これは、固体発酵の移動プロセスをより深く理解するのに役立ち、密閉固体発酵システムの最適な設計に貢献します。 州の発酵システム。
現在、数学的モデルは成熟したレベルに達しており、設計プロセスと最適化操作のツールとして数学的モデルを使用することによってのみ、固体発酵システムの可能性を最大限に発揮することができ、それによって固体の経済的パフォーマンスを最大化することができます。 -状態発酵プロセス。
3 エピローグ
最新のバイオテクノロジーとモニタリング手法の継続的な進歩により、密閉固体発酵システムはより自動化およびインテリジェントになり、モニタリングツールと自動制御システムはさらに最適化され、発酵制御はより正確になるでしょう。