發(fā)酵工程8-2溫度對發(fā)酵過程的影響與控制課件

8.2溫度對發(fā)酵的影響及其控制

一、溫度對生長的影響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0～260C嗜溫菌適應(yīng)于15～430C嗜熱菌適應(yīng)于37～650C嗜高溫菌適應(yīng)于650C以上生長。

不同溫度對各類菌生長的影響每種微生物對溫度的要求可用最適溫度、最高溫度、最低溫度來表征。在最適溫度下，微生物生長迅速；超過最高溫度微生物即受到抑制或死亡；在最低溫度范圍內(nèi)微生物尚能生長，但生長速度非常緩慢，世代時間無限延長。在最低和最高溫度之間，微生物的生長速率隨溫度升高而增加，超過最適溫度后，隨溫度升高，生長速率下降，最后停止生長，引起死亡。

二、溫度對發(fā)酵的影響1、溫度影響反應(yīng)速率發(fā)酵過程的反應(yīng)速率實際是酶反應(yīng)速率，酶反應(yīng)有一個最適溫度。從阿累尼烏斯方程式可以看到E——活化能K——速率常數(shù)酶反應(yīng)的E值，通常是正值。反應(yīng)速率常數(shù)與溫度成正相關(guān)，當(dāng)溫度升高時，酶反應(yīng)速率增大，生長代謝加快，生產(chǎn)期提前。

但酶本身很易因過熱而失去活性，表現(xiàn)在菌體容易衰老，發(fā)酵周期縮短，影響最終產(chǎn)量。三、發(fā)酵過程引起溫度變化的因素（一）發(fā)酵熱Q發(fā)酵發(fā)酵熱是引起發(fā)酵過程溫度變化的原因。所謂發(fā)酵熱就是發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量。在發(fā)酵過程中產(chǎn)生菌分解基質(zhì)產(chǎn)生熱量，機械攪拌產(chǎn)生熱量，而罐壁散熱、水分蒸發(fā)、空氣排氣帶走熱量。這各種產(chǎn)生的熱量和各種散失的熱量的代數(shù)和就叫做凈熱量。發(fā)酵熱引起發(fā)酵液的溫度上升。發(fā)酵熱大，溫度上升快，發(fā)酵熱小，溫度上升慢。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。微生物進行有氧呼吸產(chǎn)生的熱比厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的熱多。

培養(yǎng)過程中生物熱的產(chǎn)生具有強烈的時間性。生物的大小與呼吸作用強弱有關(guān)在培養(yǎng)初期，菌體處于適應(yīng)期，菌數(shù)少，呼吸作用緩慢，產(chǎn)生熱量較少。菌體在對數(shù)生長期時，菌體繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌體也較多，所以產(chǎn)生的熱量多，溫度上升快，必須注意控制溫度。2、攪拌熱Q攪拌在機械攪拌通氣發(fā)酵罐中，由于機械攪拌帶動發(fā)酵液作機械運動，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)，可用下式計算：

Q攪拌＝P×860×4186.8（焦耳/小時）

P——攪拌軸功率

4186.8——機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒峁Ξ?dāng)量電機功率P=E——額定電壓，I——額定電流cosφ——功率因素，1千瓦時＝860×4186.8焦耳3、蒸發(fā)熱Q蒸發(fā)

通氣時，引起發(fā)酵液的水分蒸發(fā)，水分蒸發(fā)所需的熱量叫蒸發(fā)熱。此外，排氣也會帶走部分熱量叫顯熱Q顯熱，顯熱很小，一般可以忽略不計。4、輻射熱Q輻射發(fā)酵罐內(nèi)溫度與環(huán)境溫度不同，發(fā)酵液中有部分熱通過罐體向外輻射。輻射熱的大小取決于罐溫與環(huán)境的溫差。冬天大一些，夏天小一些，一般不超過發(fā)酵熱的5％。Q發(fā)酵＝Q生物＋Q攪拌－Q蒸發(fā)－Q輻射（二）發(fā)酵熱的測定有二種發(fā)酵熱測定的方法。一種是用冷卻水進出口溫度差計算發(fā)酵熱。在工廠里，可以通過測量冷卻水進出口的水溫，再從水表上得知每小時冷卻水流量來計算發(fā)酵熱。Q發(fā)酵＝GCm(T出－T進)Cm——水的比熱G——冷卻水流量因為熱效應(yīng)決定于系統(tǒng)的初態(tài)和終態(tài)，而與變化途徑無關(guān)，反應(yīng)的熱效應(yīng)可以用燃燒值來計算，特別是有機化合物，燃燒熱可以直接測定。反應(yīng)熱效應(yīng)等于反應(yīng)物的燃燒熱總和減去生成物的燃燒熱的總和。ΔH＝∑（△H）反應(yīng)物－∑（△H）產(chǎn)物如谷氨酸發(fā)酵中主要物質(zhì)的燃燒熱為：葡萄糖159555.9KJ/Kg谷氨酸15449.3KJ/Kg玉米漿12309.2KJ/Kg菌體20934KJ/Kg尿素10634.5KJ/Kg四、最適溫度的選擇最適溫度的選擇應(yīng)從菌體的生長和產(chǎn)物的合成兩方面加以考慮。整個發(fā)酵周期內(nèi)僅選一個最適溫度不一定好，因適合菌體生長的溫度不一定適合產(chǎn)物的合成。如谷氨酸生產(chǎn)菌的最適生長溫度為30-34℃，產(chǎn)谷氨酸的溫度為34-37℃。

（1）微生物種類不同，所具有的酶系及其性質(zhì)不同，所要求的溫度范圍也不同。如黑曲霉生長溫度為370C，谷氨酸產(chǎn)生菌棒狀桿菌的生長溫度為30～340C，青霉菌生長溫度為300C。1、根據(jù)菌種及生長階段選擇如四環(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32～340C。但也有的菌種產(chǎn)物形成比生長溫度高。如谷氨酸產(chǎn)生菌生長30～340C，產(chǎn)酸34～370C。最適溫度選擇要根據(jù)菌種與發(fā)酵階段做試驗。2、根據(jù)培養(yǎng)條件選擇溫度選擇還要根據(jù)培養(yǎng)條件綜合考慮，靈活選擇。通氣條件差時可適當(dāng)降低溫度，使菌呼吸速率降低些，溶氧濃度也可髙些。培養(yǎng)基稀薄時，溫度也該低些。因為溫度高營養(yǎng)利用快，會使菌過早自溶。3、根據(jù)菌生長情況