نظام تخمير الحالة الصلبة
1. العوامل المؤثرة على أداء تخمير الحالة الصلبة المغلقة
1.1 حالة التحريك أو الخلط
يعد التحريك مفيدًا لضمان درجة حرارة السرير والرطوبة وما إلى ذلك، ويمكنه أيضًا تعزيز انتقال الكتلة والحرارة في نظام التخمير. ومع ذلك، فإن التحريك يمكن أيضًا أن يكسر الفطريات، ويؤثر على نمو الكائنات الحية الدقيقة، بل ويؤثر على تخليق المستقلبات.
معظم الفطريات الخيطية حساسة لقوة القص. ولذلك، عند اختيار نظام تخمير مغلق مع جهاز التحريك، بالإضافة إلى النظر في وتيرة التحريك ووقت التحريك وكثافة التحريك، من الضروري أيضًا مراعاة ما إذا كان التحريك سيؤثر على الكائنات الحية الدقيقة أو المنتج النهائي. العائد من
1.2 حجم الجسيمات مقابل المسامية
يرتبط حجم الجسيمات لركيزة تخمير الحالة الصلبة بمساحة السطح المحددة والكثافة الظاهرية للمادة. في عملية تخمير الحالة الصلبة الهوائية، يبدأ نمو الكائنات الحية الدقيقة عمومًا من سطح الجزيئات ويتغلغل تدريجيًا إلى داخل الجزيئات. مساحة السطح المحددة الأكبر تساعد على نمو الكائنات الحية الدقيقة والحصول على العناصر الغذائية. الجسيمات الصغيرة جدًا ستجعل المادة كثيفة للغاية، مما يجعل الأكسجين العامل المقيد للنمو.
بالإضافة إلى ذلك، يؤثر حجم الجزيئات أيضًا على مسامية ركيزة تخمير الحالة الصلبة، والتي بدورها تؤثر على النقل الجماعي. تؤثر المسام بين الجزيئات بشكل أساسي على انتشار الغاز، كما أن التأثير على الكائنات الحية الدقيقة أكثر تعقيدًا أيضًا. على سبيل المثال، فإنه يؤثر على ما إذا كانت الإنزيمات التي تنتجها الكائنات الحية الدقيقة أو الإنزيمات المائية الخارجية يمكن أن تخترق داخل الجزيئات وتلعب دورًا، ويؤثر أيضًا على ما إذا كانت الكائنات الحية الدقيقة يمكن أن تدخل داخل الجزيئات لتنمو. .
1.3 مصفوفة المغذيات
توفر ركيزة تخمير الحالة الصلبة للكائنات الحية الدقيقة العناصر الغذائية الأساسية مثل الكربون والنيتروجين والفوسفور والعناصر غير العضوية النزرة للحفاظ على أنشطة حياة الكائنات الحية الدقيقة وتوليف المستقلبات خارج الخلية، والتي لها تأثير مهم على بقاء الكائنات الحية الدقيقة.
تعد نسبة الكربون إلى النيتروجين أيضًا أحد العوامل المهمة التي تؤثر على نمو الكائنات الحية الدقيقة وإنتاج المستقلبات. إذا كان محتوى النيتروجين في ركيزة تخمير الحالة الصلبة مرتفعًا جدًا أو منخفضًا جدًا، فسيؤثر ذلك على نمو الكائنات الحية الدقيقة واستقلابها. بالنسبة لأنواع مختلفة من الكائنات الحية الدقيقة، تختلف نسبة الكربون إلى النيتروجين المطلوبة أيضًا.
لذلك، في ركيزة التخمير الصلبة المستخدمة في زراعة الكائنات الحية الدقيقة، يجب الحفاظ على نسبة الكربون إلى النيتروجين ضمن نطاق مناسب لضمان وجود العناصر الغذائية الكافية لنموها واستقلابها.
1.4 درجة الحرارة
في نظام تخمير الحالة الصلبة المغلق، سيتم توليد كمية كبيرة من الحرارة الأيضية مع استمرار عملية التخمير. ارتفاع درجة الحرارة له تأثير سلبي على نمو الميكروبات وتكوين المنتج، ودرجة الحرارة المنخفضة لا تساعد على نمو الميكروبات والتفاعلات الكيميائية الحيوية.
نظرًا لاختلاف كفاءة تبديد الحرارة لأنظمة التخمير المختلفة، تعتمد درجة الحرارة التي يمكن تحقيقها على التفاعل المعقد بين الكائنات الحية الدقيقة ونوع نظام التخمير وطريقة تشغيله. لذلك، فإن كيفية التحكم في تأثير درجة حرارة نظام التخمير على الكائنات الحية الدقيقة وحل مشكلة توليد الحرارة وتبديد الحرارة في طبقة المصفوفة تلعب دورًا حيويًا في تحسين أداء الإنتاج لنظام تخمير الحالة الصلبة المغلق.
1.5 التهوية
تعتبر التهوية معلمة مهمة جدًا في نظام تخمير الحالة الصلبة المغلق، والتي يمكنها الحفاظ على الظروف الهوائية في نظام تخمير الحالة الصلبة المغلق، وإزالة ثاني أكسيد الكربون في
سرير الركيزة، والتحكم في درجة الحرارة في سرير الركيزة والحفاظ على رطوبة سرير الركيزة.
ومع ذلك، إذا تم إدخال الهواء غير المشبع في نظام تخمير الحالة الصلبة المغلق، فسوف يتسبب في تبخر قوي لطبقة الركيزة، مما يؤدي إلى تفاقم فقدان الماء لركيزة تخمير الحالة الصلبة، ويمنع نمو واستقلاب الكائنات الحية الدقيقة. ولذلك، أثناء عملية التهوية، يجب إيلاء اهتمام كبير لهذه المشكلة.
1.6 الاختيار الميكروبي
قد يكون لاختيار الكائنات الحية الدقيقة التأثير الأكثر أهمية على أداء التخمير لأنظمة تخمير الحالة الصلبة المغلقة. وهذا ليس فقط لأن اختيار الكائنات الحية الدقيقة يحدد المنتج النهائي لعملية التخمير، ولكن أيضًا لأن أداء التخمير يختلف باختلاف شكل ونمط نمو الكائنات الحية الدقيقة.
على سبيل المثال، يمكن لبعض الفطريات الخيطية، مثل Rhizopus oryzae، أن تشكل طبقات سميكة تقلل من انتقال الأكسجين والحرارة بين البيئة والركيزة. ونتيجة لذلك، فإن استهلاك الأكسجين وتراكم الحرارة الأيضية في المصفوفة يجعل البيئة غير مواتية لنمو الكائنات الحية الدقيقة، وبالتالي الإضرار بأداء عملية التخمير.
ولذلك، فإن الاختيار الميكروبي الأمثل سيعتمد على نوع ركيزة تخمير الحالة الصلبة، ومتطلبات النمو، والمنتجات النهائية المستهدفة.
1.7 محتوى الرطوبة والنشاط المائي
عادة ينبغي تحديد الاحتياجات المائية للكائنات الحية الدقيقة من حيث النشاط المائي (Aw) بدلاً من محتوى الماء في الركيزة الصلبة. يؤثر النشاط المائي بشكل مباشر على نوع وعدد الكائنات الحية الدقيقة التي يمكن أن تنمو أثناء تخمير الحالة الصلبة، مما يؤثر على الناتج النهائي للأيضات الميكروبية.
في عملية تخمير الحالة الصلبة، تتطلب الكائنات الحية الدقيقة المختلفة قيمًا مختلفة لنشاط الماء. إذا كانت قيمة النشاط المائي منخفضة، فسوف يتأثر نمو الكائنات الحية الدقيقة وينخفض المحصول. على العكس من ذلك، إذا كانت عالية جدًا، فإنها ستؤدي إلى تراكم جزيئات المصفوفة الصلبة، مما سيحد من نقل الأكسجين ويؤدي إلى انخفاض في إنتاج المستقلبات الميكروبية. لذلك، من المهم جدًا ضبط قيمة النشاط المائي على النطاق المناسب.
1.8 التصميم الذاتي لنظام التخمير
أثناء عملية التخمير بأكملها، باستثناء الأكسجين، لا تتم إضافة أي شيء إلى ركيزة التخمير الصلبة لضمان الحفاظ على بيئة نمو الكائنات الحية الدقيقة في حالة مثالية.
على الرغم من أن تكوين وتركيز ركائز تخمير الحالة الصلبة يتم تغييرهما عادة عن طريق التمثيل الغذائي الميكروبي، إلا أن بعض المعلمات في أنظمة تخمير الحالة الصلبة، مثل الأكسجين ونقل الحرارة الأيضية، تحتاج إلى تعديل عن طريق التحكم في التهوية، والإثارة، ومحتوى الرطوبة، ودرجة الحرارة ودرجة الحرارة. الكائنات الحية الدقيقة والمغذيات المستخدمة. تتم إدارة نوع ركيزة تخمير الحالة الصلبة لضمان التقدم السلس لعملية التخمير بأكملها.
لذلك، تتطلب كل عملية تخمير محددة تصميمًا محددًا وإعدادًا لمعلمات التخمير المناسبة لضمان فعالية وموثوقية نظام تخمير الحالة الصلبة المغلق.
2. التنظيم الأمثل لنظام تخمير الحالة الصلبة المغلق
يمكن لقيم معلمات العملية المثالية أن تزيد من نمو الخلايا وإنتاج المستقلبات. لذلك، من المهم بشكل خاص تحسين وتنظيم أنظمة تخمير الحالة الصلبة المغلقة.
2.1 التحكم PID (التناسبي - التكاملي - المشتق).
في العديد من أنظمة تخمير الحالة الصلبة المغلقة واسعة النطاق، لا يمكن للتحريك والتبريد بالحمل الحراري إزالة أكثر من 50% من الحرارة الأيضية، ولا يمكن إزالة الـ 50% المتبقية من الحرارة إلا بوسائل أخرى. ولذلك، التبريد التبخيري هو الطريقة الأكثر فعالية لإزالة الحرارة الأيضية.
عند استخدام أنظمة تخمير الحالة الصلبة المغلقة على نطاق واسع
التبريد بالتبخير، ستصبح الاستجابة الديناميكية وتكوين التحكم في العملية معقدًا للغاية. عادةً، لا يمكن التحكم في مثل هذه العملية بواسطة خوارزمية PID وحدها، وتتطلب هذه العملية وقتًا طويلاً للاستجابة للتغيرات في متغيرات التشغيل، مما يجلب صعوبات كبيرة في ضبط PID.
بالإضافة إلى ذلك، الاستجابة الديناميكية للنظام غير خطية، واستجابة نظام التخمير غير متسقة طوال وقت التخمير. سيؤدي هذا الموقف إلى أن تكون معلمات ضبط PID قابلة للتطبيق فقط لفترة من الوقت، لذلك يجب تغيير إعدادات معلمات PID بشكل متكرر. لتحقيق الأداء الأمثل في هذه المواقف المعقدة، تعتبر أساليب التحكم القائمة على النموذج ضرورية.
2.2 تحسين النمذجة الرياضية
تعد النمذجة الرياضية أداة أساسية لتحسين العمليات البيولوجية، ليس فقط لتوجيه تصميم وتشغيل أنظمة تخمير الحالة الصلبة المغلقة، ولكن أيضًا توفير نظرة ثاقبة حول كيفية دمج الظواهر المختلفة داخل أنظمة التخمير للتحكم في العملية الشاملة.
قام بعض الباحثين بمحاكاة استهلاك الأكسجين وإنتاج الحرارة ونمو الخلايا في نظام تخمير الحالة الصلبة من خلال نماذج رياضية، مما سيساعد على فهم أفضل لعملية هجرة تخمير الحالة الصلبة، وبالتالي المساهمة في التصميم الأمثل لأنظمة تخمير الحالة الصلبة المغلقة. أنظمة تخمير الدولة.
في الوقت الحاضر، وصل النموذج الرياضي إلى مستوى ناضج، وفقط باستخدام النموذج الرياضي كأداة في عملية التصميم وعملية التحسين، يمكن لنظام تخمير الحالة الصلبة أن يحقق إمكاناته بالكامل، وبالتالي تعظيم الأداء الاقتصادي للمادة الصلبة. -عملية التخمير الدولة.
3 الخاتمة
مع التقدم المستمر للتكنولوجيا الحيوية الحديثة وطرق المراقبة، ستصبح أنظمة تخمير الحالة الصلبة المغلقة أكثر آلية وذكاء، وسيتم تحسين أدوات المراقبة وأنظمة التحكم الآلي بشكل أكبر، وسيصبح التحكم في التخمير أكثر دقة.
