發(fā)酵工程8-2溫度對(duì)發(fā)酵過程的影響與控制課件

8.2溫度對(duì)發(fā)酵的影響及其控制

一、溫度對(duì)生長(zhǎng)的影響不同微生物的生長(zhǎng)對(duì)溫度的要求不同，根據(jù)它們對(duì)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(zhǎng)。

不同溫度對(duì)各類菌生長(zhǎng)的影響每種微生物對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)，但生長(zhǎng)速度非常緩慢，世代時(shí)間無限延長(zhǎng)。在最低和最高溫度之間，微生物的生長(zhǎng)速率隨溫度升高而增加，超過最適溫度后，隨溫度升高，生長(zhǎng)速率下降，最后停止生長(zhǎng)，引起死亡。

二、溫度對(duì)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(shí)際是酶反應(yīng)速率，酶反應(yīng)有一個(gè)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(shí)，酶反應(yīng)速率增大，生長(zhǎng)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(jī)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(yíng)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。

培養(yǎng)過程中生物熱的產(chǎn)生具有強(qiáng)烈的時(shí)間性。生物的大小與呼吸作用強(qiáng)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(duì)數(shù)生長(zhǎng)期時(shí)，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(jī)械攪拌通氣發(fā)酵罐中，由于機(jī)械攪拌帶動(dòng)發(fā)酵液作機(jī)械運(yùn)動(dòng)，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＝P×860×4186.8（焦耳/小時(shí)）

P——攪拌軸功率

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

通氣時(shí)，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(huì)帶走部分熱量叫顯熱Q顯熱，顯熱很小，一般可以忽略不計(jì)。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(cè)定有二種發(fā)酵熱測(cè)定的方法。一種是用冷卻水進(jìn)出口溫度差計(jì)算發(fā)酵熱。在工廠里，可以通過測(cè)量冷卻水進(jìn)出口的水溫，再?gòu)乃砩系弥啃r(shí)冷卻水流量來計(jì)算發(fā)酵熱。Q發(fā)酵＝GCm(T出－T進(jìn))Cm——水的比熱G——冷卻水流量因?yàn)闊嵝?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(jì)算，特別是有機(jī)化合物，燃燒熱可以直接測(cè)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(zhǎng)和產(chǎn)物的合成兩方面加以考慮。整個(gè)發(fā)酵周期內(nèi)僅選一個(gè)最適溫度不一定好，因適合菌體生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)溫度為370C，谷氨酸產(chǎn)生菌棒狀桿菌的生長(zhǎng)溫度為30～340C，青霉菌生長(zhǎng)溫度為300C。1、根據(jù)菌種及生長(zhǎng)階段選擇如四環(huán)素生長(zhǎng)階段280C，合成期260C后期再升溫；黑曲霉生長(zhǎng)370C，產(chǎn)糖化酶32～340C。但也有的菌種產(chǎn)物形成比生長(zhǎng)溫度高。如谷氨酸產(chǎn)生菌生長(zhǎng)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(yàn)。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(shí)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(shí)，溫度也該低些。因?yàn)闇囟雀郀I(yíng)養(yǎng)利用快，會(huì)使菌過早自溶。3、根據(jù)菌生長(zhǎng)情況