溫度對微生物發(fā)酵的影響及其控制

1、溫度對微生物發(fā)酵的影響及其控制一、溫度對發(fā)酵的影響微生物發(fā)酵所用的菌體絕大多數(shù)是中溫菌，如霉菌、放線菌和一般細(xì)菌。它們的最適生長溫度一般在2040°C。在發(fā)酵過程中，需要維持適當(dāng)?shù)臏囟?，才能使菌體生長和代謝產(chǎn)物的生成順利地進(jìn)行。溫度對發(fā)酵有很大的影響。它會影響各種酶反應(yīng)的速率，改變菌體代謝產(chǎn)物的合成方向，影響微生物的代謝調(diào)控機(jī)制，影響發(fā)酵液的理化性質(zhì)，進(jìn)而影響發(fā)酵的動力學(xué)特性和產(chǎn)物的生物合成。溫度對化學(xué)反應(yīng)速度的影響常用溫度系數(shù)（Q10）（溫度每升高10C,化學(xué)反應(yīng)速度所增加的倍數(shù)）來表示。在不同溫度范圍內(nèi)，Q10的數(shù)值是不同的，一般是23。而酶反應(yīng)速度與溫度變化的關(guān)系也完全符合此規(guī)

2、律，也就是說，在一定范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，酶反應(yīng)速率也增加，但有一個最適溫度，超過這個溫度，酶的催化活力會下降。溫度對菌體生長的酶反應(yīng)和代謝產(chǎn)物合成的酶反應(yīng)的影響往往是不同的。有人考察了不同溫度（1335C）對青霉菌的生長速率、呼吸強(qiáng)度和青霉素生成速率的影響，結(jié)果是，溫度對這三種代謝的影響是不同的。按照阿倫尼烏斯方程計(jì)算，青霉菌生長的活化能E=34kJ/mol，呼吸活化能E=71kJ/mol,青霉素合成的活化能E=112kJ/mol。從這些數(shù)據(jù)得知：青霉素生成速率對溫度的影響最為敏感，微小的溫度變化，就會引起生成速率產(chǎn)生明顯的改變，偏離最適溫度就會引起產(chǎn)物產(chǎn)量發(fā)生比較明顯的下降，這說明次級代

3、謝發(fā)酵溫度控制的重要性。因此，溫度對菌體的生長和合成代謝的影響是極其復(fù)雜的，需要考察它對發(fā)酵的影響。溫度還能改變菌體代謝產(chǎn)物的合成方向。如在高濃度Cl-和低濃度ci-的培養(yǎng)基中利用金霉素鏈霉菌NRRLBT287進(jìn)行四環(huán)素發(fā)酵過程中，發(fā)酵溫度愈高，愈有利于四環(huán)素的合成，30°C以下時合成的金霉素增多，在35C時就只產(chǎn)四環(huán)素，而金霉素合成幾乎停止。溫度變化還對多組分次級代謝產(chǎn)物的組分比例產(chǎn)生影響。如黃曲霉產(chǎn)生的多組分黃曲霉毒素，在20C、25C和30C下發(fā)酵所產(chǎn)生的黃曲霉毒素(aflatoxin)Gl與Bl的比例分別為3:1、1:2、1:1。又如赭曲霉在1020C發(fā)酵時，有利于合成青霉素

4、，在28C時則有利于合成赭曲霉毒素Ao這些例子，都說明溫度變化不僅影響酶反應(yīng)的速率，還影響產(chǎn)物的合成方向(當(dāng)然，這也是酶反應(yīng))。據(jù)報(bào)道，溫度還能影響微生物的代謝調(diào)控機(jī)制，在氨基酸生物合成途徑中的終產(chǎn)物對第一個合成酶的反饋抑制作用，在20C低溫時就比在正常生長溫度37C時抑制更嚴(yán)重。除上述直接影響外，溫度還對發(fā)酵液的物理性質(zhì)產(chǎn)生影響，如發(fā)酵液的黏度、基質(zhì)和氧在發(fā)酵液中的溶解度和傳遞速率、某些基質(zhì)的分解吸收速率等，都受溫度變化的影響，進(jìn)而影響發(fā)酵動力學(xué)特性和產(chǎn)物的生物合成。二、影響發(fā)酵溫度變化的因素在發(fā)酵過程中，既有產(chǎn)生熱能的因素，又有散失熱能的因素，因而引起發(fā)酵溫度的變化。產(chǎn)熱的因素有生物熱（Q

5、生物）和攪拌熱（Q攪拌）；散熱因素有蒸發(fā)熱（Q蒸發(fā)）、輻射熱（Q輻射）和顯熱（Q顯）。產(chǎn)生的熱能減去散失的熱能，所得的凈熱量就是發(fā)酵熱Q發(fā)酵，kJ/（m3h）,即Q發(fā)酵二Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q顯-Q輻射。這就是發(fā)酵溫度變化的主要因素?，F(xiàn)將這些產(chǎn)熱和散熱的因素分述如下。1.生物熱（Q生物）產(chǎn)生菌在生長繁殖過程中產(chǎn)生的熱能，叫做生物熱。營養(yǎng)基質(zhì)被菌體分解代謝產(chǎn)生大量的熱能，部分用于合成高能化合物ATP,供給合成代謝所需要的能量，多余的熱量則以熱能的形式釋放出來，形成了生物熱。生物熱的大小，是隨菌種和培養(yǎng)基成分不同而變化。一般來說，對某一菌株而言，在同一條件下，培養(yǎng)基成分愈豐富，營養(yǎng)成分被利用的

6、速度愈快，產(chǎn)生的生物熱就愈大。生物熱的大小還隨培養(yǎng)時間不同而不同：當(dāng)菌體處在孢子發(fā)芽和停滯期時，產(chǎn)生的生物熱是有限的；進(jìn)入對數(shù)期，就釋放出大量的熱能，并與細(xì)胞的生成量成正比；在對數(shù)期以后，熱能就開始減少，并隨菌體逐步衰老而下降。因此，在對數(shù)期釋放的發(fā)酵熱最大，常作為發(fā)酵熱平衡的主要依據(jù)。例如，四環(huán)素發(fā)酵在2050h時的發(fā)酵熱最大，最高值達(dá)29330kJ/(m3h)，其他時間的最低值約為8380kJ/(m3h)，平均值為16760kJ/(m3h)。另外，還發(fā)現(xiàn)抗生素高產(chǎn)量批次的生物熱高于低產(chǎn)量批次的生物熱。這說明抗生素合成時菌的新陳代謝十分旺盛。生物熱的大小與菌體的呼吸強(qiáng)度有對應(yīng)關(guān)系，呼吸強(qiáng)度愈

7、大，所產(chǎn)生的生物熱也愈大。在四環(huán)素發(fā)酵中，這兩者的變化是一致的，生物熱的高峰也是碳利用速度的高峰。有人已證明，在一定條件下，發(fā)酵熱與菌體的攝氧率成正比關(guān)系，即Q發(fā)酵=0.12。2. 攪拌熱(Q攪拌)發(fā)酵罐攪拌器轉(zhuǎn)動引起的液體之間和液體與設(shè)備之間的摩擦所產(chǎn)生的熱量，即攪拌熱。攪拌熱可根據(jù)下式近似算出來。3. 蒸發(fā)熱(Q蒸發(fā))空氣進(jìn)入發(fā)酵罐與發(fā)酵液廣泛接觸后再排出，引起水分蒸發(fā)所需的熱能，即為蒸發(fā)熱。水的蒸發(fā)熱和廢氣因溫度差異所帶的部分顯熱(Q顯)一起都散失到外界。由于進(jìn)入的空氣溫度和濕度是隨外界的氣候和控制條件而變，所以Q蒸發(fā)和Q顯是變化的。4.輻射熱（Q輻射）由于罐外壁和大氣間的溫度差異而使發(fā)

8、酵液中的部分熱能通過罐體向大氣輻射的熱量，即為輻射熱。輻射熱的大小取決于罐內(nèi)溫度與外界氣溫的差值，差值愈大，散熱愈多。由于Q生物、Q蒸發(fā)和Q顯，特別是Q生物在發(fā)酵過程中是隨時間變化的，因此發(fā)酵熱在整個發(fā)酵過程中也隨時間變化，引起發(fā)酵溫度經(jīng)常波動。為了使發(fā)酵能在一定溫度下進(jìn)行，故要設(shè)法進(jìn)行控制。三、溫度的控制1最適溫度的選擇最適發(fā)酵溫度是既適合菌體的生長、又適合代謝產(chǎn)物合成的溫度。但最適生長溫度與最適生產(chǎn)溫度往往是不一致的。各種微生物在一定條件下，都有一個最適的溫度范圍。微生物種類不同，所具有的酶系不同，所要求的溫度不同。同一微生物，培養(yǎng)條件不同，最適溫度不同。如谷氨酸產(chǎn)生菌的最適生長溫度為30

9、34°C，產(chǎn)生谷氨酸的溫度為3637°C。在谷氨酸發(fā)酵的前期菌生長階段和種子培養(yǎng)階段應(yīng)滿足菌體生長的最適溫度。若溫度過高，菌體容易衰老。在發(fā)酵的中后期菌體生長已經(jīng)停止，為了大量積累谷氨酸，需要適當(dāng)提高溫度。又如初級代謝產(chǎn)物乳酸的發(fā)酵，乳酸鏈球菌的最適生長溫度為34C，而產(chǎn)酸最多的溫度為30°C,但發(fā)酵速度最快的溫度最高達(dá)40°C。次級代謝產(chǎn)物發(fā)酵更是如此，如在加有2%乳糖、玉米漿和適量無機(jī)鹽的培養(yǎng)基中對青霉素產(chǎn)生菌產(chǎn)黃青霉進(jìn)行發(fā)酵研究，測得菌體的最適生長溫度為30C,而青霉素合成的最適溫度僅為24.7C。因此需要選擇一個最適的發(fā)酵溫度。最適發(fā)酵溫度隨著菌

10、種、培養(yǎng)基成分、培養(yǎng)條件和菌體生長階段不同而改變。理論上，整個發(fā)酵過程中不應(yīng)只選一個培養(yǎng)溫度，而應(yīng)根據(jù)發(fā)酵不同階段，選擇不同的培養(yǎng)溫度。在生長階段，應(yīng)選擇最適生長溫度；在產(chǎn)物生成階段，應(yīng)選擇最適生產(chǎn)溫度。發(fā)酵溫度可根據(jù)不同菌種，不同產(chǎn)品進(jìn)行控制。有人試驗(yàn)青霉素變溫發(fā)酵，其溫度變化過程是，起初5h，維持在30C，以后降到25C培養(yǎng)35h，再降到20C培養(yǎng)85h，最后又提高到25C，培養(yǎng)4Oh放罐。在這樣條件下所得青霉素產(chǎn)量比在25C恒溫培養(yǎng)提高了14.7%。又如四環(huán)素發(fā)酵，在中后期保持稍低的溫度，可延長產(chǎn)物生產(chǎn)期，放罐前的24h，培養(yǎng)溫度提高23C，就能使最后這一天的發(fā)酵單位增加率提高50%以上。這些都說明變溫發(fā)酵產(chǎn)生的良好結(jié)果。但在工業(yè)發(fā)酵中，由于發(fā)酵液的體積很大，升降溫度都比較困難，所以在整個發(fā)酵過程中，往往采用一個比較適合的恒定培養(yǎng)溫度，使得到的產(chǎn)物產(chǎn)量最高，或者在可能條件下進(jìn)行變溫發(fā)酵。實(shí)際生產(chǎn)中，為了得到較高的發(fā)酵效率，獲得滿意的產(chǎn)物得率，往往采用二級或三級管理溫度。2.溫度的控制工業(yè)生產(chǎn)上，所用的大發(fā)酵罐在發(fā)酵過程中一般不需要加熱，因發(fā)酵中釋放了大量的發(fā)酵熱，而需要冷卻的