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1、1,8.2 温度对发酵的影响及其控制,一、温度对生长的影响,不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们对温度的要求大致可分为四类： 嗜冷菌适应于0260C生长， 嗜温菌适应于15430C生长， 嗜热菌适应于37650C生长， 嗜高温菌适应于650C以上生长。,2,不同温度对各类菌生长的影响,3,每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温度、最低温度来表征。 在最适温度下，微生物生长迅速；超过最高温度微生物即受到抑制或死亡； 在最低温度范围内微生物尚能生长，但生长速度非常缓慢，世代时间无限延长。 在最低和最高温度之间，微生物的生长速率随温度升高而增加，超过最适温度后，随温度升高，生长速率下降，最
2、后停止生长，引起死亡。,4,微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超过最高温度，微生物很快死亡；低于最低温度，微生物代谢受到很大抑制，并不马上死亡。这就是菌种保藏的原理。,5,二、温度对发酵的影响,1、温度影响反应速率,发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反应有一个最适温度。 从阿累尼乌斯方程式可以看到,E活化能,K速率常数,6,酶反应的E值，通常是正值。反应速率常数与温度成正相关，当温度升高时，酶反应速率增大，生长代谢加快，生产期提前。,7,但酶本身很易因过热而失去活性，表现在菌体容易衰老，发酵周期缩短，影响最终产量。,8,2、温度影响发酵方向,四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和四环素，
3、当温度低于300C时，这种菌合成金霉素能力较强；温度提高，合成四环素的比例也提高，温度达到350C时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。 温度还通过改变发酵液的物理性质（如氧的溶解度、基质的传质速率等）、某些基质的溶解度等间接影响产物的合成。因此对发酵过程中的温度要严格控制。,9,三、发酵过程引起温度变化的因素,（一）发酵热Q发酵,发酵热是引起发酵过程温度变化的原因。 所谓发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。 在发酵过程中产生菌分解基质产生热量，机械搅拌产生热量，而罐壁散热、水分蒸发、空气排气带走热量。这各种产生的热量和各种散失的热量的代数和就叫做净热量。发酵热引起发酵液的温度上升。发酵热
4、大，温度上升快，发酵热小，温度上升慢。,10,1、生物热Q生物,在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，将其分解氧化而产生的能量，其中一部分用于合成高能化合物（如ATP）提供细胞合成和代谢产物合成需要的能量，其余一部分以热的形式散发出来，这散发出来的热就叫生物热。 微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。,11,培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性。 生物的大小与呼吸作用强弱有关 在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生热量较少。 菌体在对数生长期时，菌体繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌体也较多，所以产生的热量多，温度上升快，必须注意控制温度。,12,培养后期，菌体已基
5、本上停止繁殖，主要靠菌体内的酶系进行代谢作用，产生热量不多，温度变化不大，且逐渐减弱。 如果培养前期温度上升缓慢，说明菌体代谢缓慢，发酵不正常。如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染菌，此外培养基营养越丰富，生物热也越大。,13,2、搅拌热Q搅拌,在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵液作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等设备之间的摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴功率有关，可用下式计算： Q搅拌P8604186.8（焦耳/小时） P搅拌轴功率 4186.8机械能转变为热能的热功当量,电机功率P=,E额定电压，I额定电流 cos功率因素，1千瓦时8604186.8焦耳,14,3、蒸发热
6、Q蒸发,通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分蒸发所需的热量叫蒸发热。此外，排气也会带走部分热量叫显热Q显热，显热很小，一般可以忽略不计。,4、辐射热Q辐射,发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分热通过罐体向外辐射。辐射热的大小取决于罐温与环境的温差。冬天大一些，夏天小一些，一般不超过发酵热的5。 Q发酵Q生物Q搅拌Q蒸发Q辐射,15,（二）发酵热的测定,有二种发酵热测定的方法。 一种是用冷却水进出口温度差计算发酵热。在工厂里，可以通过测量冷却水进出口的水温，再从水表上得知每小时冷却水流量来计算发酵热。 Q发酵GCm(T出T进) Cm水的比热 G冷却水流量,16,另一种是根据罐温上升速率来计算
7、。先自控，让发酵液达到某一温度，然后停止加热或冷却，使罐温自然上升或下降，根据罐温变化的速率计算出发酵热。,也可以根据化合物的燃烧值估算发酵过程生物热的近似值。,17,因为热效应决定于系统的初态和终态，而与变化途径无关，反应的热效应可以用燃烧值来计算，特别是有机化合物，燃烧热可以直接测定。 反应热效应等于反应物的燃烧热总和减去生成物的燃烧热的总和。,H（H）反应物（H）产物 如谷氨酸发酵中主要物质的燃烧热为： 葡萄糖 159555.9KJ/Kg 谷氨酸 15449.3KJ/Kg 玉米浆 12309.2KJ/Kg 菌体 20934KJ/Kg 尿素 10634.5KJ/Kg,18,四、最适温度的选
8、择,最适温度的选择应从菌体的生长和产物的合成两方面加以考虑。整个发酵周期内仅选一个最适温度不一定好，因适合菌体生长的温度不一定适合产物的合成。 如谷氨酸生产菌的最适生长温度为30-34，产谷氨酸的温度为34-37。,19,（1）微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要求的温度范围也不同。 如黑曲霉生长温度为370C， 谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为30340C， 青霉菌生长温度为300C。,1、根据菌种及生长阶段选择,20,在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌体，取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使菌生长迅速； 在中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期，从而提高
9、产量，因此中期温度要稍低一些，可以推迟衰老。因为在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关闭得比较严密有利于产物合成。 发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，就又提高温度，刺激产物合成到放罐。,（2）根据生长阶段选择,21,如四环素生长阶段280C，合成期260C后期再升温；黑曲霉生长370C，产糖化酶32340C。 但也有的菌种产物形成比生长温度高。如谷氨酸产生菌生长30340C，产酸34370C。 最适温度选择要根据菌种与发酵阶段做试验。,22,2、根据培养条件选择,温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。 通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低些，溶氧浓度也可髙些。 培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利用快，会使菌过早自溶。,23,3、根据菌生长情况 菌生长快，维持在较高温度时间要短些； 菌生长慢，维持较高温度时间可长些。 培养条件适宜，如营养丰富，通气能满足，那么前期温度可髙些，以利于菌的生长。 总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。,
