发酵技术中的温度控制

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1、发酵技术中的温度控制发酵技术中的温度控制1 发酵热发酵热伴随发酵的进行而产生的热量叫发酵热；发酵热的产生引起发酵液温度变化。在发酵伴随发酵的进行而产生的热量叫发酵热；发酵热的产生引起发酵液温度变化。在发酵 过程中，某些因素导致热的产生，另外一些因素又导致热量散失。过程中，某些因素导致热的产生，另外一些因素又导致热量散失。产热产热散热散热 净热量堆积净热量堆积 发酵液的温度上升；发酵液的温度上升；相反，产热小于耗热，温度下降。相反，产热小于耗热，温度下降。下面具体分析产热和散热的因素。下面具体分析产热和散热的因素。 1) 生物热生物热 Q生物生物 在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，将

2、其分解氧化而产生的能量，其中一在发酵过程中，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）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。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。微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。 生物热与发酵类型有关生物热与发酵类型有关 微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多 一

3、摩尔葡萄糖彻底氧化成一摩尔葡萄糖彻底氧化成 CO2和水和水 好氧：产生好氧：产生 287.2 千焦耳热量，千焦耳热量， 183 千焦耳转变为高能化合物千焦耳转变为高能化合物 104.2 千焦以热的形式释放千焦以热的形式释放 厌氧：产生厌氧：产生 22.6 千焦耳热量，千焦耳热量， 9.6 千焦耳转变为高能化合物千焦耳转变为高能化合物 13 千焦以热的形式释放千焦以热的形式释放 二个例子中转化为高能化合物分别为二个例子中转化为高能化合物分别为 63.7和和 42.6 特点：特点： 具有时间性；具有时间性； 具有生物特异性；具有生物特异性； 与营养有关；与营养有关；如果培养前期温度上升缓慢，说明菌

4、体代谢缓慢，发酵不正常。如果发酵前期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。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。 2) 搅拌热搅拌热 Q搅拌搅拌 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：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搅拌搅拌P86041

5、86.8（焦耳（焦耳/小时）小时）P搅拌轴功率搅拌轴功率 1 千瓦时千瓦时8604186.8 焦耳焦耳 散热的情况散热的情况：蒸发热：空气经发酵液时，发酵液中有部分水汽化，变成水蒸气，随空气一起排出罐蒸发热：空气经发酵液时，发酵液中有部分水汽化，变成水蒸气，随空气一起排出罐 外，这部分水汽化时带走的热量用外，这部分水汽化时带走的热量用 Q蒸发蒸发表示，假设进出口气体温度相同，则由通气带走表示，假设进出口气体温度相同，则由通气带走 的热量为：的热量为：Q蒸发蒸发=G（I出出-I进进） ，G：空气流量；：空气流量；I：气体热焓；：气体热焓；辐射热：通过罐体表面向环境中发射红外线而散失的热量。热量的

6、大小决定于罐内外辐射热：通过罐体表面向环境中发射红外线而散失的热量。热量的大小决定于罐内外 温度差大小、罐的表面积等。冬天大一些，夏天小一些，一般不超过发酵热的温度差大小、罐的表面积等。冬天大一些，夏天小一些，一般不超过发酵热的 5。 发酵过程中，发酵液温度变化取决于上面几个因素发酵过程中，发酵液温度变化取决于上面几个因素：Q发酵发酵 = Q生物生物 + Q搅拌搅拌 - Q蒸发蒸发 - Q辐射辐射 2 发酵热的测量及计算发酵热的测量及计算 发酵热的测定可采用以下几种方法：发酵热的测定可采用以下几种方法： 利用热交换原理利用热交换原理: 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

7、算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。发酵热。Q发酵发酵 = G*Cm（t2 t1）/V Cm水的比热水的比热 G冷却水流量冷却水流量 利用温度变化率利用温度变化率 S（/h）：先使罐温恒定，再关闭自控装置，测量）：先使罐温恒定，再关闭自控装置，测量 S，根据，根据Q发酵发酵 = （M1*C1 + M2*C2）S 热力学方法：热力学方法：根据盖斯定律：根据盖斯定律：“在恒压和横容条件下，一个反应不论是一步完成或几步完成，其在恒压和横容条件下，一个反应不论是一步完成或几步完成，其 反应热是相同的反应热是相同的” 。这实际上是热力学第一定律的必然推论，因为焓（。这

8、实际上是热力学第一定律的必然推论，因为焓（H）是状态函数，过）是状态函数，过 程的焓变与途径无关，只决定于过程的始态和终态。发酵热可根据标准燃烧热或标准生成程的焓变与途径无关，只决定于过程的始态和终态。发酵热可根据标准燃烧热或标准生成 热来计算。热来计算。H（H）反应物）反应物（H）产物）产物 计算时，首先查出发酵所用的各种原料及产物的标准生成热或燃烧热，再根据实际计算时，首先查出发酵所用的各种原料及产物的标准生成热或燃烧热，再根据实际 发酵中，各原料的消耗及产物的生成量，利用上述公式即可求出过程的焓变。发酵中，各原料的消耗及产物的生成量，利用上述公式即可求出过程的焓变。 3 温度对微生物生长

9、的影响温度对微生物生长的影响任何微生物的生长温度均在一定范围内，可用最高温度、最适温度和最低生长温度进任何微生物的生长温度均在一定范围内，可用最高温度、最适温度和最低生长温度进 行描述；行描述；温度影响微生物生长的机理温度影响微生物生长的机理(1)影响酶活性。影响酶活性。(2)影响细胞膜的流动性。影响细胞膜的流动性。(3)影响物质的溶解度。影响物质的溶解度。 、 均与温度有关，其关系可由均与温度有关，其关系可由 Arrchnius 公式来描述：公式来描述： RTEaRTEaeAAe11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：嗜冷菌适不同微生物的生长对温度的要求不同

10、，根据它们对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适 应于应于 0260C 生长，嗜温菌适应于生长，嗜温菌适应于 15430C 生长，嗜热菌适应于生长，嗜热菌适应于 37650C 生长，嗜高温生长，嗜高温 菌适应于菌适应于 650C 以上生长。以上生长。温度对微生物生长的影响具体表现在：温度对微生物生长的影响具体表现在： (1)有最适宜温度范围。有最适宜温度范围。 (2)高温使蛋白质凝固。耐热能力与高温使蛋白质凝固。耐热能力与 pH 值有关值有关 微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围相一致。液晶状态是指某些有机物在发微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围相一致。液晶状态是指某些有机物在发 生固相到

11、液相转变时的过渡状态称为液晶态。生固相到液相转变时的过渡状态称为液晶态。 酶在低温条件下的结构完整性和催化功能酶在低温条件下的结构完整性和催化功能 不能低温合成蛋白质，一方面是由于其核糖体对低温的不适应，翻译过程中不能形不能低温合成蛋白质，一方面是由于其核糖体对低温的不适应，翻译过程中不能形 成有效的起始复合物，另一方面是由于低温下细胞膜的破坏导致氨基酸等内容物的成有效的起始复合物，另一方面是由于低温下细胞膜的破坏导致氨基酸等内容物的 泄露。泄露。 低温微生物可合成冷休克蛋白低温微生物可合成冷休克蛋白 微生物受高温的伤害比低温的伤害大，低于最低温度，微生物代谢受到很大抑制，微生物受高温的伤害比

12、低温的伤害大，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。并不马上死亡。这就是菌种保藏的原理。温度对发酵的影响温度对发酵的影响 (1)影响产物生成速度影响产物生成速度 (2)影响发酵液性质影响发酵液性质 (3)影响产物种类影响产物种类 a.改变体内酶系改变体内酶系中间产物种类中间产物种类产物种类产物种类; b.使代谢比例失调；使代谢比例失调； (4)影响产物特性影响产物特性 影响合成方向：用米曲霉制曲时，如温度在低限时，得到蛋白酶，此时影响合成方向：用米曲霉制曲时，如温度在低限时，得到蛋白酶，此时 -淀粉酶淀粉酶 的合成受到抑制。金色链霉菌在低于的合成受到抑制。

13、金色链霉菌在低于 30C 时合成链霉素，温度到达时合成链霉素，温度到达 35C 时，只产时，只产 四环素四环素 影响产物生成量：黑曲霉生长最适温度影响产物生成量：黑曲霉生长最适温度 33-37C，积累柠檬酸的最适温度在，积累柠檬酸的最适温度在 32C 影响产物质量：凝结芽孢杆菌合成影响产物质量：凝结芽孢杆菌合成 -淀粉酶时，发酵温度控制在淀粉酶时，发酵温度控制在 55时，合成的时，合成的-淀粉酶较耐高温，在淀粉酶较耐高温，在 90、60min 条件下，其活性丧失仅条件下，其活性丧失仅 10左右，而发酵温左右，而发酵温 度控制在度控制在 35时，合成的时，合成的 -淀粉酶在相同条件下丧失淀粉酶在

14、相同条件下丧失 90。 温度对菌的生长、产物合成的影响可能是不同的温度对菌的生长、产物合成的影响可能是不同的5 温度的控制温度的控制由于微生物在生长和发酵过程中，对温度有以上要求，在生产上，为获得较高的生由于微生物在生长和发酵过程中，对温度有以上要求，在生产上，为获得较高的生 产率，针对所用菌种的特性，在发酵周期的各阶段需要进行温度控制，提供该阶段微生物产率，针对所用菌种的特性，在发酵周期的各阶段需要进行温度控制，提供该阶段微生物 活动的最适温度。活动的最适温度。温度还影响基质溶解度，氧在发酵液中的溶解度也影响菌对某些基质的分解吸收。温度还影响基质溶解度，氧在发酵液中的溶解度也影响菌对某些基质

15、的分解吸收。 因此对发酵过程中的温度要严格控制。因此对发酵过程中的温度要严格控制。 前期菌量少，取稍高的温度，使菌生长迅速；前期菌量少，取稍高的温度，使菌生长迅速； 中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期，从而提高产量，因此温度要稍低中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期，从而提高产量，因此温度要稍低 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。严密有利于产物合成。 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。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。 如：如： 四环素生长阶段四环素生长阶段 280C，合成期，合成期 260C 后期再升温；后期再升温； 黑曲霉生长黑曲霉生长 370C，产糖化酶，产糖化酶 32340C。 但也有的菌种产物形成比生长温度高但也有的菌种产物形成比生长温度高谷氨酸产生菌生长谷氨酸产生菌生长 30320C，产酸，产酸34370C。 最适温度选择要根据菌种与发酵阶段做试验。最适温度选择要根据菌种与发酵阶段做试验。 例：林可霉素发酵的变