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1、温度对微生物发酵的影响及其控制一、温度对发酵的影响微生物发酵所用的菌体绝大多数是中温菌，如霉菌、放线菌和一般细菌。 它们的最适生长温度一般在2040C。在发酵过程中，需要维持适当的 温度，才能使菌体生长和代谢产物的生成顺利地进行。温度对发酵有很大的影响。它会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢 产物的合成方向，影响微生物的代谢调控机制，影响发酵液的理化性质， 进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。温度对化学反应速度的影响常用温度系数（Q10）（温度每升高10C， 化学反应速度所增加的倍数）来表示。在不同温度范围内，Q10的数值 是不同的，一般是23。而酶反应速度与温度变化的关系也完全符合此
2、规律，也就是说，在一定范围内，随着温度的升高，酶反应速率也增加， 但有一个最适温度，超过这个温度，酶的催化活力会下降。温度对菌体 生长的酶反应和代谢产物合成的酶反应的影响往往是不同的。有人考察了不同温度（1335C）对青霉菌的生长速率、呼吸强度和青霉 素生成速率的影响，结果是，温度对这三种代谢的影响是不同的。按照 阿伦尼乌斯方程计算，青霉菌生长的活化能E=34kJ/mol，呼吸活化能E=71kJ/mol,青霉素合成的活化能E=112kJ/molo从这些数据得知： 青霉素生成速率对温度的影响最为敏感，微小的温度变化，就会引起生 成速率产生明显的改变，偏离最适温度就会引起产物产量发生比较明显 的下
3、降，这说明次级代谢发酵温度控制的重要性。因此，温度对菌体的 生长和合成代谢的影响是极其复杂的，需要考察它对发酵的影响。温度还能改变菌体代谢产物的合成方向。如在高浓度Cl-和低浓度Cl- 的培养基中利用金霉素链霉菌NRRLB-1287进行四环素发酵过程中，发 酵温度愈高，愈有利于四环素的合成，30C以下时合成的金霉素增多， 在35C时就只产四环素，而金霉素合成几乎停止。温度变化还对多组分次级代谢产物的组分比例产生影响。如黄曲霉产生 的多组分黄曲霉毒素，在20C、25C和30C下发酵所产生的黄曲霉毒 素(aflatoxin)G1与B1的比例分别为3:1、1:2、1:1。又如赭曲霉在1 020C发酵
4、时，有利于合成青霉素，在28C时则有利于合成赭曲霉毒 素Ao这些例子，都说明温度变化不仅影响酶反应的速率，还影响产物 的合成方向(当然，这也是酶反应)。据报道，温度还能影响微生物的 代谢调控机制，在氨基酸生物合成途径中的终产物对第一个合成酶的反 馈抑制作用，在20C低温时就比在正常生长温度37C时抑制更严重。除上述直接影响外，温度还对发酵液的物理性质产生影响，如发酵液的 黏度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率、某些基质的分解吸收 速率等，都受温度变化的影响，进而影响发酵动力学特性和产物的生物 合成。二、影响发酵温度变化的因素在发酵过程中，既有产生热能的因素，又有散失热能的因素，因而引起 发
5、酵温度的变化。产热的因素有生物热（Q生物）和搅拌热（Q搅拌）；散 热因素有蒸发热（Q蒸发）、辐射热（Q辐射）和显热（Q显）。产生的热能减 去散失的热能，所得的净热量就是发酵热Q发酵，kJ/（m3h），即Q 发酵二Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q显-Q辐射。这就是发酵温度变化的主要因 素。现将这些产热和散热的因素分述如下。1.生物热（Q生物）产生菌在生长繁殖过程中产生的热能，叫做生物热。营养基质被菌体分 解代谢产生大量的热能，部分用于合成高能化合物ATP，供给合成代谢 所需要的能量，多余的热量则以热能的形式释放出来，形成了生物热。生物热的大小，是随菌种和培养基成分不同而变化。一般来说，对某一 菌株而言
6、，在同一条件下，培养基成分愈丰富，营养成分被利用的速度愈快，产生的生物热就愈大。生物热的大小还随培养时间不同而不同：当菌体处在孢子发芽和停滞期时，产生的生物热是有限的；进入对数期， 就释放出大量的热能，并与细胞的生成量成正比；在对数期以后，热能 就开始减少，并随菌体逐步衰老而下降。因此，在对数期释放的发酵热 最大，常作为发酵热平衡的主要依据。例如，四环素发酵在2050h时 的发酵热最大，最高值达29330kJ / (m3 h)，其他时间的最低值约为8 380kJ / (m3 - h)，平均值为16760kJ/ (m3 - h)。另外，还发现抗生素高 产量批次的生物热高于低产量批次的生物热。这说
7、明抗生素合成时菌的 新陈代谢十分旺盛。生物热的大小与菌体的呼吸强度有对应关系，呼吸强度愈大，所产生的 生物热也愈大。在四环素发酵中，这两者的变化是一致的，生物热的高 峰也是碳利用速度的高峰。有人已证明，在一定条件下，发酵热与菌体 的摄氧率成正比关系，即Q发酵=0.12。2. 搅拌热(Q搅拌)发酵罐搅拌器转动引起的液体之间和液体与设备之间的摩擦所产生的 热量，即搅拌热。搅拌热可根据下式近似算出来。3. 蒸发热(Q蒸发)空气进入发酵罐与发酵液广泛接触后再排出，引起水分蒸发所需的热 能，即为蒸发热。水的蒸发热和废气因温度差异所带的部分显热Q显) 一起都散失到外界。由于进入的空气温度和湿度是随外界的气
8、候和控制 条件而变，所以Q蒸发和Q显是变化的。4.辐射热（Q辐射）由于罐外壁和大气间的温度差异而使发酵液中的部分热能通过罐体向 大气辐射的热量，即为辐射热。辐射热的大小取决于罐内温度与外界气 温的差值，差值愈大，散热愈多。由于Q生物、Q蒸发和Q显，特别是Q生物在发酵过程中是随时间变 化的，因此发酵热在整个发酵过程中也随时间变化，引起发酵温度经常 波动。为了使发酵能在一定温度下进行，故要设法进行控制。三、温度的控制1.最适温度的选择最适发酵温度是既适合菌体的生长、又适合代谢产物合成的温度。但最 适生长温度与最适生产温度往往是不一致的。各种微生物在一定条件 下，都有一个最适的温度范围。微生物种类不
9、同，所具有的酶系不同， 所要求的温度不同。同一微生物，培养条件不同，最适温度不同。如谷 氨酸产生菌的最适生长温度为3034C，产生谷氨酸的温度为363 7C。在谷氨酸发酵的前期菌生长阶段和种子培养阶段应满足菌体生长 的最适温度。若温度过高，菌体容易衰老。在发酵的中后期菌体生长已 经停止，为了大量积累谷氨酸，需要适当提高温度。又如初级代谢产物 乳酸的发酵，乳酸链球菌的最适生长温度为34C，而产酸最多的温度为 30C,但发酵速度最快的温度最高达40C。次级代谢产物发酵更是如此， 如在加有2%乳糖、2%玉米浆和适量无机盐的培养基中对青霉素产生菌 产黄青霉进行发酵研究，测得菌体的最适生长温度为30C,
10、而青霉素合 成的最适温度仅为24.7C。因此需要选择一个最适的发酵温度。最适发酵温度随着菌种、培养基成分、培养条件和菌体生长阶段不同而 改变。理论上，整个发酵过程中不应只选一个培养温度，而应根据发酵 不同阶段，选择不同的培养温度。在生长阶段，应选择最适生长温度； 在产物生成阶段，应选择最适生产温度。发酵温度可根据不同菌种，不 同产品进行控制。有人试验青霉素变温发酵，其温度变化过程是，起初5h，维持在30C， 以后降到25C培养35h，再降到20C培养85h，最后又提高到25C，培 养40h放罐。在这样条件下所得青霉素产量比在25C恒温培养提高了 1 4.7%。又如四环素发酵，在中后期保持稍低的
11、温度，可延长产物生产 期，放罐前的24h，培养温度提高23C，就能使最后这一天的发酵单 位增加率提高50%以上。这些都说明变温发酵产生的良好结果。但在工 业发酵中，由于发酵液的体积很大，升降温度都比较困难，所以在整个 发酵过程中，往往采用一个比较适合的恒定培养温度，使得到的产物产 量最高，或者在可能条件下进行变温发酵。实际生产中，为了得到较高 的发酵效率，获得满意的产物得率，往往采用二级或三级管理温度。2.温度的控制工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热，因发酵中 释放了大量的发酵热，而需要冷却的情况较多。利用自动控制或手动调 整的阀门，将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇形管中，通过热交换来降温， 保持恒温发酵。如果气温较高（特别是我国南方的夏季气温），作为冷却 水的地表水温度又高，致使冷却效果很差，达不到预定的温度，须采用 冷冻盐水进行循环式降温，以迅速降到最适发酵温度。因此大工厂需要 建立冷冻站，提高冷却能力，以保证发酵在最适温度下进行。
