Семь типов закрытых твердотельных ферментационных систем

С развитием науки и техники твердофазная ферментация изменилась от традиционной открытой ферментации к закрытой ферментации, от эмпирической ферментации к контролируемой ферментации и от ручной ферментации к механизированной ферментации, реализующей контроль параметров в процессе ферментации.

Технология закрытой твердофазной ферментации

Твердофазная ферментация (SSF) — это метод ферментации микроорганизмов на твердой матрице без или почти без свободной воды. Матрица не только обеспечивает питательные вещества и среду роста для микроорганизмов, но также имеет непрерывную газовую фазу и небольшое количество жидкой воды, что делает систему постоянно стабильной.

К поверхности твердой матрицы прикреплен слой водной пленки, но жидкая фаза не является сплошной, и большая часть промежутков заполнена газовыми фазами. Вода в системе в основном адсорбируется между частицами твердой матрицы. Следовательно, при отсутствии или очень небольшом количестве свободной воды микроорганизмы все равно могут использовать достаточно воды в твердой матрице для завершения роста и метаболизма.

Закрытая система твердофазной ферментации представляет собой пространство, которое обеспечивает подходящую среду и условия для роста и метаболизма микроорганизмов на твердой матрице. Она может предотвратить проникновение внешних микроорганизмов и утечку внутренних веществ. Она должна быть нетоксичной, устойчивой к вибрации и не подверженной коррозии.

Он должен иметь хорошую систему перемешивания, вентиляции, отвода тепла и охлаждения, а также иметь возможность выполнять асептические операции. Из-за природы используемых субстратов и организмов смесь в закрытой системе твердофазной ферментации обычно неравномерна, что не способствует тепло- и массообмену. Поэтому использование различных типов закрытых систем твердофазной ферментации может решить соответствующие проблемы.

01 Дисковая система твердофазной ферментации

Обычно она состоит из нескольких лотков, сложенных в закрытой культуральной комнате или инкубаторе, с определенным зазором между лотками, чтобы воздух мог циркулировать между лотками и поверхностью ферментационной матрицы. Система не содержит перемешивающего устройства или мер принудительной вентиляции, достигая истинно статической твердофазной ферментации.

Система ферментации имеет простую конструкцию, легко изготавливается и имеет низкую стоимость, но имеет плохую теплоотдачу. В процессе ферментации рост и метаболизм микроорганизмов будут генерировать много тепла, а дисковая система ферментации твердого тела без мер принудительной вентиляции приведет к появлению перепадов температурного градиента, влияющих на качество и выход конечного продукта.

02 Система твердофазной ферментации с насадочным слоем

Его основной корпус представляет собой вертикально расположенный цилиндрический цилиндр с пористой пластиной или экраном в нижней части, который используется для поддержки ферментационной матрицы для формирования колонного слоя определенной высоты. Верхний и нижний концы соответственно снабжены входными и выходными отверстиями для циркуляции воздуха для поддержания нормального хода ферментации.

Система ферментации эффективна, проста в эксплуатации, имеет простую структуру и использует меры принудительной вентиляции для улучшения процессов тепло- и массопередачи, но коэффициент массопередачи и коэффициент теплопередачи относительно низкие. По мере увеличения высоты слоя скорость вентиляции уменьшается, а градиент температуры в системе ферментации постепенно увеличивается. Когда температура превышает определенное значение, рост и метаболизм микроорганизмов подавляются, что приводит к повреждению бактерий.
Кроме того, хотя принудительная вентиляция может способствовать испарению за счет циркуляции воздуха и, таким образом, обеспечивать контроль температуры, чрезмерная вентиляция приведет к высыханию ферментационной матрицы, а чрезмерная потеря воды не будет способствовать процессу ферментации.

03 Система ферментации твердого вещества с вращающимся барабаном

Его основной корпус представляет собой горизонтальный или наклонный цилиндр, заполненный ферментационной матрицей. Кислород вводится сверху и циркулирует внутри ферментационной системы, удовлетворяя потребности роста и метаболизма микроорганизмов. Закрытая конструкция может предотвратить переполнение горячим и влажным воздухом и обеспечить хорошие санитарные условия ферментации.

При вращении цилиндра матрица ферментации может поворачиваться и перемешиваться, что способствует переносу кислорода и тепла, повышает эффективность ферментации, а также предотвращает прилипание матрицы к внутренней стенке системы ферментации. Однако, если скорость вращения слишком высока, большая создаваемая сила сдвига будет препятствовать росту и метаболизму микроорганизмов и даже приводить к их гибели.

04 Система ферментации твердого вещества с перемешивающим барабаном

Похож на базовую структуру и рабочие параметры системы твердой ферментации с вращающимся барабаном. Разница в том, что основная часть перемешивающего барабана остается неподвижной, а слой — динамичным.

Система ферментации оснащена перемешивающим устройством на центральной оси для поддержания равномерного перемешивания ферментационной матрицы посредством непрерывного или периодического перемешивания, предотвращения конденсации ферментационной матрицы в блоки и улучшения теплопередачи, вентиляции и неравномерного распределения воды. Это может способствовать росту и метаболизму микроорганизмов, увеличивать перенос и использование кислорода и питательных веществ, а также повышать эффективность и выход ферментации.

05 Система ферментации твердого вещества с перемешиваемым слоем

Она похожа на систему ферментации твердого материала с насадочным слоем, но разница заключается в том, что в перемешиваемом слое имеется перемешивающее устройство, встроенное в слой слоя, которое может периодически или непрерывно перемешивать матрицу твердого материала для ферментации.

Такая конструкция делает матрицу ферментации более равномерно перемешанной, а внутренняя вентиляция регулирует влажность внутри системы ферментации, достигая более равномерного эффекта ферментации с внутренним рассеиванием тепла. Поэтому при проектировании и эксплуатации перемешиваемого слоя конструкция и эксплуатация мешалки также являются важным фактором.

06 Система твердофазной ферментации с встряхивающим барабаном

Это ферментационное оборудование, которое вызывает перемешивание посредством собственного движения. Оно в основном состоит из трех горизонтально расположенных перфорированных внутренних цилиндров, перфорированных внешних цилиндров и самого внешнего цилиндра с твердой оболочкой. Ферментационная матрица расположена между двумя перфорированными цилиндрами и свободно размещена.

В процессе ферментации воздух и небольшое количество воды вводятся во внутренний цилиндр, воздух движется радиально, а вода проникает вниз в слой. В то же время два цилиндра снаружи ферментационной системы вращаются вокруг центрального цилиндра, способствуя перемешиванию в слое и достигая базового перемешивания ферментационной матрицы.

В этой системе ферментации поток воздуха и воды может контролировать температуру, влажность и концентрацию кислорода, что благоприятствует росту и метаболизму микроорганизмов. Однако эффект перемешивания, вызванный собственным движением, не идеален и требует дальнейшего улучшения.

07 Система твердофазной ферментации с псевдоожиженным слоем газ-твердое тело

Он состоит из вертикальной камеры с пористой нижней пластиной. Газ вводится снизу слоя ферментации. На дне также установлено устройство дезинтеграции для дезинтеграции агломерированных материалов и их подвешивания, тем самым улучшая эффект ферментации газо-твердого псевдоожиженного слоя.

Матрица ферментационной системы равномерно смешана, что может предотвратить градиенты температуры и влажности во время процесса ферментации и способствует контролю параметров процесса ферментации. Эффекты вентиляции, массопереноса и теплопереноса превосходны, а также способствуют росту аэробных микроорганизмов.

Однако, если вязкость матрицы ферментации слишком высока или размер частиц непостоянен, это приведет к различиям в суспензии частиц в процессе ферментации. Необходимо отрегулировать поведение псевдоожижения слоя в системе ферментации, оптимизировав рабочие параметры, такие как толщина слоя и скорость потока воздуха.