Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Kinerja Fermentasi Padat Tertutup

sistem fermentasi solid-state

1. Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Kinerja Fermentasi Padat Tertutup

1.1 Kondisi pengadukan atau pencampuran

Pengadukan bermanfaat untuk memastikan suhu tempat tidur, kelembapan, dll., dan juga dapat meningkatkan perpindahan massa dan panas dalam sistem fermentasi. Namun pengadukan juga dapat merusak miselium, mempengaruhi pertumbuhan mikroorganisme, bahkan mempengaruhi sintesis metabolit.

Kebanyakan jamur berfilamen sensitif terhadap gaya geser. Oleh karena itu, dalam memilih sistem fermentasi tertutup dengan alat pengaduk, selain mempertimbangkan frekuensi pengadukan, waktu pengadukan, dan intensitas pengadukan, juga perlu mempertimbangkan apakah pengadukan akan mempengaruhi mikroorganisme atau produk akhir. Hasil dari

1.2 Ukuran partikel vs. porositas

Ukuran partikel substrat fermentasi keadaan padat berhubungan dengan luas permukaan spesifik dan kepadatan bahan. Pada proses fermentasi zat padat aerobik, pertumbuhan mikroorganisme umumnya dimulai dari permukaan partikel dan secara bertahap menembus ke bagian dalam partikel. Luas permukaan spesifik yang lebih besar kondusif bagi pertumbuhan mikroorganisme dan perolehan nutrisi. Partikel yang terlalu kecil akan membuat bahan menjadi terlalu padat sehingga oksigen menjadi faktor pembatas pertumbuhannya.

Selain itu, ukuran partikel juga mempengaruhi porositas substrat fermentasi padat, yang pada gilirannya mempengaruhi transportasi massal. Pori-pori antar partikel terutama mempengaruhi difusi gas, dan dampaknya terhadap mikroorganisme juga lebih rumit. Misalnya, mempengaruhi apakah enzim yang dihasilkan oleh mikroorganisme atau enzim hidrolitik eksternal dapat menembus ke dalam partikel dan berperan, dan juga mempengaruhi apakah mikroorganisme dapat masuk ke dalam partikel untuk tumbuh. .

1.3 Matriks Nutrisi

Substrat fermentasi keadaan padat menyediakan nutrisi penting bagi mikroorganisme seperti karbon, nitrogen, fosfor, dan elemen anorganik untuk mempertahankan aktivitas kehidupan mikroorganisme dan mensintesis metabolit ekstraseluler, yang memiliki dampak penting pada kelangsungan hidup mikroorganisme.

Rasio karbon terhadap nitrogen juga merupakan salah satu faktor penting yang mempengaruhi pertumbuhan mikroorganisme dan produksi metabolit. Jika kandungan nitrogen pada substrat fermentasi solid-state terlalu tinggi atau terlalu rendah akan mempengaruhi pertumbuhan dan metabolisme mikroorganisme. Untuk jenis mikroorganisme yang berbeda, rasio karbon-nitrogen yang dibutuhkan juga berbeda.

Oleh karena itu, dalam substrat fermentasi padat yang digunakan untuk membudidayakan mikroorganisme, rasio karbon terhadap nitrogen harus dijaga dalam kisaran yang tepat untuk memastikan bahwa terdapat cukup nutrisi untuk pertumbuhan dan metabolismenya.

1.4 Suhu

Dalam sistem fermentasi keadaan padat tertutup, sejumlah besar panas metabolik akan dihasilkan selama fermentasi berlangsung. Suhu tinggi berdampak negatif terhadap pertumbuhan mikroba dan pembentukan produk, sedangkan suhu rendah tidak kondusif bagi pertumbuhan mikroba dan reaksi biokimia.

Karena efisiensi pembuangan panas yang berbeda dari berbagai sistem fermentasi, suhu yang dapat dicapai bergantung pada interaksi kompleks antara mikroorganisme dan jenis sistem fermentasi serta cara operasinya. Oleh karena itu, bagaimana mengontrol pengaruh suhu sistem fermentasi terhadap mikroorganisme dan memecahkan masalah pembangkitan panas dan pembuangan panas dalam lapisan matriks memainkan peran penting dalam meningkatkan kinerja produksi sistem fermentasi keadaan padat tertutup.

1.5 Ventilasi

Aerasi merupakan parameter yang sangat penting dalam sistem fermentasi solid-state tertutup, yang dapat menjaga kondisi aerobik dalam sistem fermentasi solid-state tertutup, menghilangkan karbon dioksida dalam  

alas media, kendalikan suhu pada alas media dan jaga kelembapan alas media.

Namun, jika udara tak jenuh dimasukkan ke dalam sistem fermentasi keadaan padat tertutup, hal ini akan menyebabkan penguapan yang kuat pada lapisan substrat, memperburuk hilangnya air pada substrat fermentasi keadaan padat, dan menghambat pertumbuhan dan metabolisme mikroorganisme. Oleh karena itu, selama proses ventilasi, masalah ini harus mendapat perhatian besar.

1.6 Seleksi mikroba

Pemilihan mikroorganisme mungkin memiliki dampak paling penting terhadap kinerja fermentasi sistem fermentasi solid-state tertutup. Hal ini bukan hanya karena pemilihan mikroorganisme menentukan produk akhir fermentasi, namun juga karena kinerja fermentasi bervariasi sesuai dengan morfologi dan pola pertumbuhan mikroorganisme.

Misalnya, beberapa jamur berfilamen, seperti Rhizopus oryzae, dapat membentuk lapisan hifa tebal yang mengurangi perpindahan oksigen dan panas antara lingkungan dan substrat. Akibatnya, konsumsi oksigen dan akumulasi panas metabolik dalam matriks membuat lingkungan tidak mendukung pertumbuhan mikroorganisme, sehingga merusak kinerja fermentasi.

Oleh karena itu, pemilihan mikroba yang optimal akan bergantung pada jenis substrat fermentasi padat, kebutuhan pertumbuhan, dan target produk akhir.

1.7 Kadar air dan aktivitas air

Biasanya kebutuhan air mikroorganisme harus didefinisikan dalam aktivitas air (Aw) daripada kandungan air substrat padat. Aktivitas air secara langsung mempengaruhi jenis dan jumlah mikroorganisme yang dapat tumbuh selama fermentasi padat, sehingga mempengaruhi hasil akhir metabolit mikroba.

Dalam proses fermentasi solid-state, mikroorganisme yang berbeda memerlukan nilai aktivitas air yang berbeda. Jika nilai aktivitas air rendah maka pertumbuhan mikroorganisme akan terganggu dan hasil panen akan berkurang. Sebaliknya jika terlalu tinggi akan menyebabkan agregasi partikel matriks padat yang akan membatasi transfer oksigen dan menyebabkan penurunan produksi metabolit mikroba. Oleh karena itu, sangat penting untuk menyesuaikan nilai aktivitas air pada kisaran yang sesuai.

1.8 Desain sistem fermentasi sendiri

Selama seluruh proses fermentasi, kecuali oksigen, tidak ada yang ditambahkan ke substrat fermentasi padat untuk memastikan bahwa lingkungan pertumbuhan mikroorganisme dipertahankan dalam keadaan ideal.

Meskipun komposisi dan konsentrasi substrat fermentasi padat biasanya diubah oleh metabolisme mikroba, beberapa parameter dalam sistem fermentasi padat, seperti oksigen dan perpindahan panas metabolik, perlu disesuaikan dengan mengendalikan aerasi, agitasi, kadar air, suhu dan mikroorganisme dan nutrisi yang digunakan. Jenis substrat fermentasi padat dikelola untuk memastikan kelancaran seluruh proses fermentasi.

Oleh karena itu, setiap proses fermentasi tertentu memerlukan desain khusus dan pengaturan parameter fermentasi yang sesuai untuk memastikan efektivitas dan keandalan sistem fermentasi keadaan padat tertutup.

2. Pengaturan Optimal Sistem Fermentasi Solid State Tertutup

Nilai parameter proses yang optimal dapat memaksimalkan pertumbuhan sel dan produksi metabolit. Oleh karena itu, sangat penting untuk mengoptimalkan dan mengatur sistem fermentasi solid-state tertutup.

2.1 Pengendalian PID (proporsional-integral-derivatif).

   Dalam banyak sistem fermentasi keadaan padat tertutup skala besar, pengadukan dan pendinginan konvektif tidak dapat menghilangkan lebih dari 50% panas metabolik, dan 50% sisanya hanya dapat dihilangkan dengan cara lain. Oleh karena itu, pendinginan evaporatif adalah cara paling efektif untuk menghilangkan panas metabolik.

   Ketika sistem fermentasi solid-state tertutup skala besar digunakan  

pendinginan evaporatif, respon dinamis dan konfigurasi kontrol proses akan menjadi sangat kompleks. Biasanya, proses seperti itu tidak dapat dikontrol hanya dengan algoritma PID, dan proses ini memerlukan waktu yang lama untuk merespons perubahan variabel operasi, sehingga menimbulkan kesulitan besar dalam penyetelan PID.

   Selain itu, respon dinamis sistem bersifat nonlinier, dan respon sistem fermentasi tidak konsisten sepanjang waktu fermentasi. Keadaan ini akan menyebabkan parameter tuning PID hanya berlaku untuk jangka waktu tertentu, sehingga pengaturan parameter PID perlu sering diubah. Untuk mencapai kinerja optimal dalam situasi kompleks ini, diperlukan metode pengendalian berbasis model.

2.2 Optimasi pemodelan matematika

Pemodelan matematis merupakan alat penting untuk mengoptimalkan proses biologis, tidak hanya memandu desain dan pengoperasian sistem fermentasi solid-state tertutup, namun juga memberikan wawasan tentang bagaimana berbagai fenomena dalam sistem fermentasi digabungkan untuk mengendalikan proses secara keseluruhan.

Beberapa peneliti telah mensimulasikan konsumsi oksigen, produksi panas, dan pertumbuhan sel dalam sistem fermentasi zat padat melalui model matematika, yang akan membantu untuk lebih memahami proses migrasi fermentasi zat padat, dan dengan demikian berkontribusi pada desain optimal zat padat tertutup. sistem fermentasi negara.

Saat ini, model matematika telah mencapai tingkat yang matang, dan hanya dengan menggunakan model matematika sebagai alat dalam proses desain dan operasi optimasi, sistem fermentasi solid-state dapat sepenuhnya mewujudkan potensinya, sehingga memaksimalkan kinerja ekonomi dari solid-state fermentasi. -proses fermentasi negara.

3 Epilog

Dengan kemajuan berkelanjutan dalam metode bioteknologi dan pemantauan modern, sistem fermentasi solid-state tertutup akan menjadi lebih otomatis dan cerdas, alat pemantauan dan sistem kontrol otomatis akan lebih dioptimalkan, dan kontrol fermentasi akan menjadi lebih tepat.