Fermentace pomocí Tibi krystalů
Úvodní odstavec
Contents
Definice problému
V dnešní době je velmi známá kombucha což je "houba" díky které může vznikat proces fermentace a vznikne nám kefírový nápoj. Kombucha však není jediný způsob této fermentace. Jako další existují tzv. Tibi krystaly, které obsahují mikroorganismy, které rozkládají cukr na další látky jako Ethanol, oxid uhličitý a laktát. Když jsou Tibi krystaly přidány do cukrového roztoku, začnou mikroorganismy růst a množit se, což vede k fermentaci nápoje. Po dokončení fermentace se tibi krystaly vyndají. Pokud nejsou tibi krystaly vyndány po dokončení fermentace, fermentace se zastaví a vznikne tzv. nežádoucí vedlejší produkt. V případě kvašení alkoholu se může jednat například o vznik octové kyseliny, která může způsobit nežádoucí chuťové změny. Proto je důležité, aby byly tibi krystaly vyndány z fermentační nádoby po dokončení fermentace a aby byla fermentace pečlivě monitorována, aby nedošlo k přetrvávání fermentace a vzniku nežádoucích produktů.
Metoda
Cílem simulace je vytvořit zjednodušený model simulace, který bude ilustrovat rozmnožování jednotek TIBI krystalů pomocí principu fermentace, tedy v nádobě, ve které bude jako vstupní medium hlavně voda, dále TIBI krystaly a glukóza tedy třtinový cukr, který je hlavní přísadou pro počátek fermentace. Fermentace může probíhat ve vodě, která má pH mezi 4–7 jednotek. Aby fermentace vůbec začala, je nutné mít medium mezi teplotou 5 – 35°C. Pokud bychom měli nižší teplotu, mikroorganismy přecházejí do stavu hibernace a nepracují (respektive minimálně). Poslední částí pro práci mikroorganismů je kyslík, který spotřebovávají při přeměně glukózy na laktát a vedlejší látky jako ethanol či CO2.
Model
Model sleduje období 5 dnů. Zhruba takovou dobu trvá, než je fermentace dokončena. U fermentace pomocí známější kombuchy je doba řádově týdnů, Tibi krystaly ale mají větší nárust aktivity a růstová křivka je taktéž rychlejší z počátku, a tudíž fermentace trvá řádově ve dnech. Proces lze navrhnout mnoha způsoby, jelikož záleží, jaké proměnné se berou v úvahu a jaké látky kdy ovlivní jakou část fermentace. Nakonec vznikl následující diagram kauzálních smyček, je více propojený, ale vystihuje lépe elementy, které jsou mezi sebou propojené:
Z modelu Kauzálních smyček vznikl model stack and flow diagram, ve kterém jsou nastavené vazby a proměnné abychom získali výsledky.
Proměnné modelu
Nastavení modelu je následující:
• Units for Time = Day
• INITIAL TIME = 0
• FINAL TIME = 5
• TIME STEP = 1
Proměnné modelu jsou nastaveny následovně:
• Vychozi hodnota množství třtinového cukru = 10
• Objem vstupniho media = 1000
• Vychozi hodnota množství vody = 800
• Cekaci doba = 1
• Vychozi hodnota množství TIBI krystalu = 10
• Koncentrace glukozy = IF THEN ELSE(Mnozstvi vyslednych velicin > 1, 0 , (Vychozi hodnota mnozstvi trtinoveho cukru-0.9*Mnozstvi vyslednych velicin)/Objem vstupniho media )
• Koncentrace vstupniho media = IF THEN ELSE( Pocet TIBI krystalu <= 0 ,(Vychozi hodnota mnozstvi TIBI krystalu+Vychozi hodnota mnozstvi vody)/Objem vstupniho media+Koncentrace glukozy , IF THEN ELSE(Koncentrace glukozy = 0, 0.01 , ((Pocet TIBI krystalu+Vychozi hodnota mnozstvi vody)/Objem vstupniho media)+Koncentrace glukozy ))
• Konzumace glukozy = DELAY FIXED( (Koncentrace vstupniho media)*Aktivita TIBI krystalu*Produkce ethanolu+1 , Cekaci doba , Koncentrace vstupniho media*Aktivita TIBI krystalu )
• Rustovy koeficient = IF THEN ELSE(Pocet TIBI krystalu <=0, (Vychozi hodnota mnozstvi TIBI krystalu/Konzumace glukozy)/100 , ((Pocet TIBI krystalu)/Konzumace glukozy)/100 )
• Počet TIBI krystalu = IF THEN ELSE(Pocet TIBI krystalu = 0, Aktivita TIBI krystalu/Rustovy koeficient*Vychozi hodnota mnozstvi TIBI krystalu /1e+06, Aktivita TIBI krystalu/Rustovy koeficient*Vychozi hodnota mnozstvi TIBI krystalu /1e+06 )
• Aktivita TIBI krystalu = IF THEN ELSE( Vychozi hodnota teploty prostredi < 5 :OR: Vychozi hodnota teploty prostredi > 35, 0, IF THEN ELSE( Vychozi hodnota pH prostredi > 4 :AND: Vychozi hodnota pH prostredi < 7, Pocet TIBI krystalu+Koncentrace O2 ,Pocet TIBI krystalu*Koncentrace O2/Vychozi hodnota pH prostredi))
• Vychozi hodnota množství O2 = 100
• Koncentrace O2 = IF THEN ELSE( ((Vychozi hodnota mnozstvi O2-0.1*Mnozstvi vyslednych velicin)/Objem vstupniho media) <= 0, 0.01 , (Vychozi hodnota mnozstvi O2-0.1*Mnozstvi vyslednych velicin)/Objem vstupniho media )
• Vychozi hodnota teploty prostředí = 20
• Vychozi hodnota pH prostředí = 5
• Mnozstvi výsledných velicin = Aktivita TIBI krystalu+Mnozstvi vyslednych velicin+Produkce laktatu-Produkce ethanolu+Produkce CO2
• Produkce laktatu = Mnozstvi vyslednych velicin*0.2*0.8
• Produkce ethanolu = Mnozstvi vyslednych velicin*0.2*0.1
• Produkce CO2 = Mnozstvi vyslednych velicin*0.2*0.1
Výsledky
Koncentrace vstupních veličin vůči vodě z počátku stoupá, ale rázem klesá z důvodu při pojení výsledných veličin do koncentrace, a hlavně úbytkem koncentrace glukózy, která je hlavní složkou pro fungování fermentace. Konzumace glukózy se stále zvětšuje dle aktivity TIBI krystalů. Ty zvětšují svoji aktivitu při rozmnožení a přístupu dalších živin a kyslíku.
Počet Tibi krystalu se zvětšuje dle růstového koeficientu a aktivity krystalu a určité maximum, ve kterém se stabilizuje. V této simulaci je ukázána část růstu fermentace. Po této fázi následuje po nějaké době fáze kdyby se TIBI krystaly začaly kazit a postupně umírat mikroorganismy. Pro tuto část simulace jsem nedokázal nalézt dostatečné vzorce a vazby a tato část nebyla hlavním cílem simulace. Roli hraje také čekací doba, jelikož fermentace nezačne ihned, ale až po nějaké době.
Závěr
Simulace bylo znázornění zjednodušeného modelu fermentace nápojů a vytvoření tak nápoje zvaného vodní kefír. Problematika se ukázala složitější, než se zdálo. Simulace ukazuje, že TIBI krystaly jsou závislé na živinách tedy glukóze, vodě a kyslíku. Po uplynutí fermentace je nutné TIBI krystaly vyndat z nádoby a celý proces začít od znova. Růstový koeficient poukazuje na fázi čekání a dále na fázi růstu a úbytku. Ve fázi růstu se aktivita a počet zvětšuje a při fázi úbytku je se růst TIBI krystalů zastaví a je dále konstantní.
Kód
V zip souboru jsou uloženy diagram kauzálních smyček a diagram stock and flow
Zdroje
Zdroje použité při návrhu simulace:
MATEMATICKÉ MODELOVÁNÍ RŮSTU MIKROORGANISMŮ
Mathematical Modeling of Microbial Community Dynamics: A Methodological Review
