發(fā)酵技術(shù)中的溫度控制

1、發(fā)酪技術(shù)中的溫度控制1發(fā)酵熱伴隨發(fā)酵的進(jìn)行而產(chǎn)生的熱量叫發(fā)酵熱；發(fā)酵熱的產(chǎn)生引起發(fā)酵液溫度變化。在發(fā)酵過程中，某些因素導(dǎo)致熱的產(chǎn)生，另外一些因素又導(dǎo)致熱量散失。產(chǎn)熱>散熱凈熱量堆積發(fā)酵液的溫度上升；相反，產(chǎn)熱小于耗熱，溫度下降。下面具體分析產(chǎn)熱和散熱的因素。1）生物熱Q生物在發(fā)酵過程中，菌體不斷利用培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)，將其分解氧化而產(chǎn)生的能量，其中一部分用于合成高能化合物（如ATP）提供細(xì)胞合成和代謝產(chǎn)物合成需要的能量，其余一部分以熱的形式散發(fā)出來，這散發(fā)出來的熱就叫生物熱。微生物進(jìn)行有氧呼吸產(chǎn)生的熱比厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的熱多。生物熱與發(fā)酵類型有關(guān)微生物進(jìn)行有氧呼吸產(chǎn)生的熱比厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的熱多

2、一摩爾葡萄糖徹底氧化成CO2和水好氧：產(chǎn)生287.2千焦耳熱量，183千焦耳轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芑衔?04.2千焦以熱的形式釋放厭氧:產(chǎn)生22.6千焦耳熱量，9.6千焦耳轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芑衔?3千焦以熱的形式釋放二個(gè)例子中轉(zhuǎn)化為高能化合物分別為63.7%和42.6%特點(diǎn)：?具有時(shí)間性；?具有生物特異性；?與營養(yǎng)有關(guān)；如果培養(yǎng)前期溫度上升緩慢，說明菌體代謝緩慢，發(fā)酵不正常。如果發(fā)酵前期溫度上升劇烈，有可能染菌，此外培養(yǎng)基營養(yǎng)越豐富，生物熱也越大。2）攪拌熱Q攪拌在機(jī)械攪拌通氣發(fā)酵罐中，由于機(jī)械攪拌帶動(dòng)發(fā)酵液作機(jī)械運(yùn)動(dòng)，造成液體之間，液體與攪拌器等設(shè)備之間的摩擦，產(chǎn)生可觀的熱量。攪拌熱與攪拌軸功率有關(guān)，可用下

3、式計(jì)算：Q攪拌=PX860>4186.8（焦耳/小時(shí)）P攪拌軸功率1千瓦時(shí)=860>4186.8焦耳散熱的情況:蒸發(fā)熱：空氣經(jīng)發(fā)酵液時(shí)，發(fā)酵液中有部分水汽化，變成水蒸氣，隨空氣一起排出罐外，這部分水汽化時(shí)帶走的熱量用Q蒸發(fā)表示，假設(shè)進(jìn)出口氣體溫度相同，則由通氣帶走的熱量為：Q蒸發(fā)=G（I出-I進(jìn)）,G:空氣流量；I:氣體熱燃；輻射熱：通過罐體表面向環(huán)境中發(fā)射紅外線而散失的熱量。熱量的大小決定于罐內(nèi)外溫度差大小、罐的表面積等。冬天大一些，夏天小一些，一般不超過發(fā)酵熱的5%。發(fā)酵過程中,發(fā)酵液溫度變化取決于上面幾個(gè)因素：Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q輻射2發(fā)酵熱的測量及計(jì)算發(fā)酵熱的

4、測定可采用以下幾種方法：利用熱交換原理：測量冷卻水進(jìn)出口的水溫，再從水表上得知每小時(shí)冷卻水流量來計(jì)算發(fā)酵熱。Q發(fā)酵=G*Cm(t2ti)NCm水的比熱G冷卻水流量利用溫度變化率S(C/h):先使罐溫恒定，再關(guān)閉自控裝置，測量S,根據(jù)Q發(fā)酵=(Mi*Ci+M2*C2)S熱力學(xué)方法：根據(jù)蓋斯定律：“在恒壓和橫容條件下，一個(gè)反應(yīng)不論是一步完成或幾步完成，其反應(yīng)熱是相同的”。這實(shí)際上是熱力學(xué)第一定律的必然推論，因?yàn)槭?H)是狀態(tài)函數(shù)，過程的始變與途徑無關(guān)，只決定于過程的始態(tài)和終態(tài)。發(fā)酵熱可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱或標(biāo)準(zhǔn)生成熱來計(jì)算。AH=E(H)反應(yīng)物一匯(H)產(chǎn)物計(jì)算時(shí)，首先查出發(fā)酵所用的各種原料及產(chǎn)物的標(biāo)準(zhǔn)

5、生成熱或燃燒熱，再根據(jù)實(shí)際發(fā)酵中，各原料的消耗及產(chǎn)物的生成量，利用上述公式即可求出過程的始變。3溫度對微生物生長的影響任何微生物的生長溫度均在一定范圍內(nèi)，可用最高溫度、最適溫度和最低生長溫度進(jìn)行描述；溫度影響微生物生長的機(jī)理(1)影響酶活性。(2)影響細(xì)胞膜的流動(dòng)性。(3)影響物質(zhì)的溶解度。(1、a均與溫度有關(guān)，其關(guān)系可由Arrchnius公式來描述：-Ea=AerEa1.Aek不同微生物的生長對溫度的要求不同，根據(jù)它們對溫度的要求大致可分為四類：嗜冷菌適應(yīng)于0260C生長，嗜溫菌適應(yīng)于15430C生長，嗜熱菌適應(yīng)于37650C生長，嗜高溫菌適應(yīng)于650C以上生長。IS5*。jI一J313.2

6、3.33.43.5溫度對微生物生長的影響具體表現(xiàn)在：(1)有最適宜溫度范圍。(2)高溫使蛋白質(zhì)凝固。耐熱能力與pH值有關(guān)微生物的生長溫度與細(xì)胞膜的液晶溫度范圍相一致。液晶狀態(tài)是指某些有機(jī)物在發(fā)生固相到液相轉(zhuǎn)變時(shí)的過渡狀態(tài)稱為液晶態(tài)。酶在低溫條件下的結(jié)構(gòu)完整性和催化功能不能低溫合成蛋白質(zhì)，一方面是由于其核糖體對低溫的不適應(yīng)，翻譯過程中不能形成有效的起始復(fù)合物，另一方面是由于低溫下細(xì)胞膜的破壞導(dǎo)致氨基酸等內(nèi)容物的泄露。低溫微生物可合成冷休克蛋白微生物受高溫的傷害比低溫的傷害大，低于最低溫度，微生物代謝受到很大抑制，并不馬上死亡。這就是菌種保藏的原理。溫度對發(fā)酵的影響(1)影響產(chǎn)物生成速度(2)影響

7、發(fā)酵液性質(zhì)(3)影響產(chǎn)物種類a.改變體內(nèi)酶系一中間產(chǎn)物種類一產(chǎn)物種類；b.使代謝比例失調(diào)；(4)影響產(chǎn)物特性影響合成方向：用米曲霉制曲時(shí)，如溫度在低限時(shí)，得到蛋白酶，此時(shí)“淀粉酶的合成受到抑制。金色鏈霉菌在低于30C時(shí)合成鏈霉素，溫度到達(dá)35C時(shí)，只產(chǎn)四環(huán)素影響產(chǎn)物生成量：黑曲霉生長最適溫度33-37C,積累檸檬酸的最適溫度在32C影響產(chǎn)物質(zhì)量：凝結(jié)芽抱桿菌合成a-淀粉酶時(shí)，發(fā)酵溫度控制在55c時(shí)，合成的”-淀粉酶較耐高溫，在90C、60min條件下，其活性喪失僅10%左右，而發(fā)酵溫度控制在35c時(shí)，合成的a-淀粉酶在相同條件下喪失90%。溫度對菌的生長、產(chǎn)物合成的影響可能是不同的109B76

8、64B39S可fl43S1.63.03-9T4青建電呼眼海疾的關(guān)系1-9屈嫉1.5溫度的控制由于微生物在生長和發(fā)酵過程中，對溫度有以上要求，在生產(chǎn)上，為獲得較高的生產(chǎn)率，針對所用菌種的特性，在發(fā)酵周期的各階段需要進(jìn)行溫度控制，提供該階段微生物活動(dòng)的最適溫度。溫度還影響基質(zhì)溶解度，氧在發(fā)酵液中的溶解度也影響菌對某些基質(zhì)的分解吸收。因此對發(fā)酵過程中的溫度要嚴(yán)格控制。前期菌量少，取稍高的溫度，使菌生長迅速；中期菌量已達(dá)到合成產(chǎn)物的最適量，發(fā)酵需要延長中期，從而提高產(chǎn)量，因此溫度要稍低一些，可以推遲衰老。因?yàn)樵谏缘蜏囟认掳被岷铣傻鞍踪|(zhì)和核酸的正常途徑關(guān)閉得比較嚴(yán)密有利于產(chǎn)物合成。后期產(chǎn)物合成能力降低

9、，延長發(fā)酵周期沒有必要，就又提高溫度，刺激產(chǎn)物合成到放罐。如：四環(huán)素生長階段280C,合成期260C后期再升溫；黑曲霉生長370C,產(chǎn)糖化酶32340C。但也有的菌種產(chǎn)物形成比生長溫度高谷氨酸產(chǎn)生菌生長30320C,產(chǎn)酸34370C。最適溫度選擇要根據(jù)菌種與發(fā)酵階段做試驗(yàn)。例：林可霉素發(fā)酵的變溫培養(yǎng)問題的提出接種后10h左右已進(jìn)入對數(shù)生長期，隨后是10h左右的加速生長期，在40h左右對數(shù)生長期基本完成，在50h左右轉(zhuǎn)入生產(chǎn)期主要問題：如何維持適度的菌體濃度和延長分泌期？適當(dāng)降低培養(yǎng)溫度可以延緩菌體的衰老和維持相當(dāng)數(shù)量的有強(qiáng)生產(chǎn)能力的菌絲體存在變溫培養(yǎng)的正交設(shè)計(jì)表1變溫培養(yǎng)因素位級(jí)表因素一.位級(jí)

10、0工60-130h13。h后培養(yǎng)溫度培養(yǎng)溫度（C）培養(yǎng)溫度13029'2923130303323131結(jié)論：前60h按31c控制，縮短了適應(yīng)期使發(fā)酵提前轉(zhuǎn)入生產(chǎn)階段，同時(shí)菌絲體已有相當(dāng)量的積累，為大量分泌抗生素提供了物質(zhì)基礎(chǔ)60小時(shí)后將罐溫降至30c使與抗生素合成有關(guān)的酶的活性增強(qiáng)，抗生素分泌量有所增加，同時(shí)因分泌期的延長有利于進(jìn)一步積累抗生素發(fā)酵進(jìn)入后期罐溫再回升至31C使生產(chǎn)菌在生命的最后階段最大限度的合成和排出次級(jí)代謝產(chǎn)物。2）根據(jù)培養(yǎng)條件選擇根據(jù)菌生長情況菌生長快，維持在較高溫度時(shí)間要短些；菌生長慢，維持較高溫度時(shí)間可長些。培養(yǎng)條件適宜，如營養(yǎng)豐富，通氣能滿足，那么前期溫度可高些，以利于菌的生長?？偟膩碚f，溫度的選擇根據(jù)菌種生長階段及培養(yǎng)條件綜合考慮。要通過反復(fù)實(shí)踐來定出最適溫度。利用溫度控制