溫度的影響及其控制

發(fā)酵過程控制技術(shù)|食品生物技術(shù)/藥品生物技術(shù)|

陳珊時間：2021.5第六章

發(fā)酵工藝控制

-------溫度的影響及其控制

1、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生長，嗜溫菌適應(yīng)于15～430C生長，嗜熱菌適應(yīng)于37～650C生長，嗜高溫菌適應(yīng)于650C以上生長。（一）溫度的影響

溫度影響微生物生長的機(jī)理

(1)影響酶活性。

(2)影響細(xì)胞膜的流動性。

(3)影響物質(zhì)的溶解度。

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。

微生物受高溫的傷害比低溫的傷害大，即超過最高溫度，微生物很快死亡；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。2.溫度對產(chǎn)物形成的影響⑴從整個發(fā)酵過程來看，提高溫度可促使產(chǎn)物提前生成。但影響酶后，代謝產(chǎn)物最終產(chǎn)量不高。⑵溫度會影響某些產(chǎn)物的生物合成方向。⑶溫度對某些微生物代謝具有調(diào)節(jié)作用。3.溫度對發(fā)酵液物理性質(zhì)的影響

溫度可以改變培養(yǎng)液的物理性質(zhì)，從而間接影響到微生物細(xì)胞的生長。（二）發(fā)酵熱引起溫度的變化

發(fā)酵過程中，發(fā)酵液溫度變化取決于上面幾個因素：

Q發(fā)酵

=Q生物

+Q攪拌

-Q蒸發(fā)

-Q輻射發(fā)酵過程中，隨著微生物對培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)的利用、機(jī)械攪拌的作用，將會產(chǎn)生一定的熱量；同時由于發(fā)酵罐壁的散熱、水分的蒸發(fā)等將會帶走部分熱量。習(xí)慣上將發(fā)酵過程中釋放出來的引起溫度變化的凈熱量稱為發(fā)酵熱。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。在不同生長階段，微生物的呼吸、發(fā)酵作用的強(qiáng)度不同，所產(chǎn)生的熱量也不同。發(fā)酵周期內(nèi)生物熱的產(chǎn)生具有明顯的階段性。

2.攪拌熱Q攪拌

在機(jī)械攪拌通氣發(fā)酵罐中，由于機(jī)械攪拌帶動發(fā)酵液作機(jī)械運(yùn)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(jì)算：

Q攪拌＝×3600（焦耳/小時）

P——發(fā)酵罐的攪拌功率，kwV——發(fā)酵液的體積，m33600——機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒峁Ξ?dāng)量，J/(kw·h)3.蒸發(fā)熱（Q蒸發(fā)）散熱的情況：

蒸發(fā)熱：空氣經(jīng)發(fā)酵液時，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)=qm（h出-h進(jìn)），qm

：空氣流量；h：氣體熱焓；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％。（三）溫度的測量與控制1.溫度的測量目前普遍采用熱電偶測量發(fā)酵溫度。2.發(fā)酵熱的測量及計(jì)算①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冷卻水流量來計(jì)算發(fā)酵熱。

Q發(fā)酵

=qm*Cw（t2–t1）/VCw——水的比熱G——冷卻水流量V——發(fā)酵液的體積②利用溫度變化率S（℃/h）：先使罐溫恒定，再關(guān)閉冷卻水，測定發(fā)酵液溫度隨時間上升的速度，

Q發(fā)酵

=·S③熱力學(xué)方法：根據(jù)蓋斯定律：“在恒壓和橫容條件下，一個反應(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)殪剩℉）是狀態(tài)函數(shù)，過程的焓變與途徑無關(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。

ΔH＝∑（△H）反應(yīng)物－∑（△H）產(chǎn)物計(jì)算時，首先查出發(fā)酵所用的各種原料及產(chǎn)物的標(biāo)準(zhǔn)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焓變。△H反應(yīng)物——△H產(chǎn)物——底物的燃燒熱，kJ生成的燃燒熱，kJ

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。

3.發(fā)酵溫度的控制最適溫度的選擇1）根據(jù)菌種及生長階段選擇

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30～320C，青霉菌生長溫度為300C。

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，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。四環(huán)素生長階段28℃，合成期26℃后期再升溫；黑曲霉生長37℃

，產(chǎn)糖化酶32～34℃

。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30～32℃

，產(chǎn)酸34～37℃

。最適溫度選擇要根據(jù)菌種與發(fā)酵階段做試驗(yàn)。如：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？結(jié)論：前60h按31℃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小時后將罐溫降至3O℃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31℃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代謝產(chǎn)物。變溫培養(yǎng)的正交設(shè)計(jì)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，溶氧濃度也可高些。培養(yǎng)基稀薄時，溫度也該低些。因?yàn)闇囟雀郀I養(yǎng)利用快，會使菌過早自溶。菌生長快，維持在較高溫度時間要短些；菌生長慢，維持較高溫度時間可長些。培養(yǎng)條件適宜，如營養(yǎng)豐富，通氣能滿足，那么前期溫度可髙些，以利于菌的生長。總的來說，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。3）根據(jù)菌生長情況

利用溫度控制提高產(chǎn)量的實(shí)例：熱沖擊處理技術(shù)提高發(fā)酵甘油的產(chǎn)量實(shí)驗(yàn)：甘油發(fā)酵是在髙滲透壓環(huán)境中進(jìn)行的，因此可望通過熱沖擊來提高發(fā)酵甘油的產(chǎn)量實(shí)驗(yàn)：正交條件A沖擊溫度（0C）40，45，50B開始時機(jī)（h）8，16，30C沖擊時間（分）15，30，60

結(jié)果發(fā)酵16小時，450C沖擊30分鐘最佳，發(fā)酵96小時后甘油濃度提高32.6％。（A）16h,450C,30min（B）12h,450C,30min（1）酵母在比常規(guī)發(fā)酵溫度髙10～200C的