发酵过程温度控制

09 发 酵 过 程 控 制 一 、 引 起 发 酵 温 度 变 化 的 因 素 发 酵 热1、 发 酵 热 ： 发 酵 过 程 中 释 放 出 来 的 净 热 量 。辐射显蒸发搅拌生物发酵QQQQQQ 生 物 热 ： 生 产 菌 在 生 长 繁 殖 过 程 中 本 身 产 生 大 量的 热 ， 叫 生 物 热 。影 响 生 物 热 的 因 素 ：菌 株 ； 对 营 养 物 利 用 速 率 越 大 ， 产 热 越 多 。培 养 基 成 份 ： 成 份 越 丰 富 ， 产 热 越 多发 酵 时 期 ： 对 数 生 长 期 产 热 量 大发 酵 类 型 ： 好 氧 发 酵 比 厌 氧 发 酵 产 热 多 。一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2和水好氧：产生287.2千焦耳热量， 183千焦耳转变为高能化合物 104.2千焦以热的形式释放厌氧：产生22.6千焦耳热量， 9.6千焦耳转变为高能化合物 13千焦以热的形式释放 92.0: 3600取功热转化率搅拌功率搅拌，KW；，P kJPQg g 蒸 发 热 ： 液 体 蒸 发 带 走 的 热 量 。 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 。显 热 ： 空 气 带 走 的 热 量 ,显 热 很 小 ， 一 般 可 以忽 略 不 计 。辐 射 热 ： 罐 壁 向 外 散 失 的 热 量 。 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 。 通 过 生 物 合 成 热 进 行 计 算 1%203:3 92.0);(36002:2 :1 321 QQ。Q ，gPkJgP，QQ 。，Q t QQQQ 可近似计算向周围散发的热汽化热及由于温差罐壁为经验值为搅拌轴功率机械搅拌热焓来进行估算可以通过化合物的燃烧生物合成热 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 例 如 ： 某 味 精 厂 50M3发 酵 罐 发 酵 过 程 测 定结 果 的 主 要 物 质 变 化 如 表 ： 发 酵 12 18小 时 的 生 物 热 为 ：Q生 物 24 159555.9 0.6 12309.26 10634.5 1.2 20934 15.4 15449.3 191098.1KJ/M3191098.1 6 31849.7每 小 时 的 生 物 热 为 31849.7KJ/M3 通 过 发 酵 液 的 温 度 升 高 进 行 计 算 内发酵液升高的温度发酵液和罐材料比热发酵液和发酵罐质量min30 )3/()(221 21 2211T、cc 、mm hmkJV Tcmcmt LQ 在 不 采 取 任 何 冷 却 措 施 情 况 下 ， 使 罐 温 自然 上 升 ， 根 据 罐 温 变 化 的 速 率 计 算 出 发 酵 热 。 通 过 冷 却 水 带 走 的 热 量 进 行 计 算 发酵液体积出口温度冷却水进冷却水比热冷却水流量: :,: : )3/()(21 12L LV 、TTcW hmkJV TTWctQ 通 冷 却 水 控 制 恒 温 ， 根 据 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 。 1、 温 度 对 微 生 物 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 随 着 温 度 上 升 ， 微 生 物 的 生 长 和 繁 殖 加 快 ， 但 随着 温 度 的 上 升 ， 酶 失 活 的 速 度 也 加 快 ， 菌 体 衰 老 提 前， 发 酵 周 期 缩 短 ， 这 对 发 酵 生 产 是 极 为 不 利 的 。1、 温 度 对 微 生 物 生 长 的 影 响 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。 (1) 微 生 物 对 温 度 的 要 求 不 同 与 它 们 的 膜 结 构 物理 化 学 性 质 有 密 切 关 系 根 据 细 胞 膜 的 液 体 镶 嵌 模 型 ， 细 胞 在 正 常 生理 条 件 下 ， 膜 中 的 脂 质 成 分 应 保 持 液 晶 状 态 ， 只有 当 细 胞 膜 处 于 液 晶 状 态 ， 才 能 维 持 细 胞 的 正 常生 理 功 能 ， 使 细 胞 处 于 最 佳 生 长 状 态 微 生 物 的 生 长 温 度 与 细 胞 膜 的 液 晶 温 度 范 围相 一 致 。微 生 物 与 温 度 相 关 性 的 原 理 什 么 是 液 晶 状 态 ？ 液 晶 状 态 是 指 某 些 有 机 物 在 发 生 固 相 到 液 相 转 变时 的 过 渡 状 态 称 为 液 晶 态 。 由 固 态 转 变 为 液 晶 态 的 温 度 称 为 熔 点 ， 以 T1表 示 ；由 液 晶 态 转 变 为 液 态 的 温 度 称 为 清 亮 点 ， 以 T2表 示 。T1与 T2之 间 的 温 度 称 为 液 晶 温 度 范 围 。 那 么 为 什 么 不 同 微 生 物 对 温 度 的 要 求 不 同 呢 ？ 根据 细 胞 膜 脂 质 成 分 分 析 表 明 ， 不 同 最 适 温 度 生 长 的 微生 物 ， 其 膜 内 磷 脂 组 成 有 很 大 区 别 。 嗜 热 菌 只 含 饱 和脂 肪 酸 ， 而 嗜 冷 菌 含 有 较 高 的 不 饱 和 脂 肪 酸 。 (2)蛋 白 质 结 构 通 过 对 嗜 冷 酶 的 蛋 白 质 模 型 和 x一 射 线 衍射 分 析 表 明 ， 嗜 冷 酶 分 子 间 的 作 用 力 减 弱 ，与 溶 剂 的 作 用 加 强 ， 酶 结 构 的 柔 韧 性 增 加 ，使 酶 在 低 温 下 容 易 被 底 物 诱 导 产 生 催 化 作 用 嗜 冷 菌 具 有 在 0 合 成 蛋 白 质 的 能 力 。 这是 由 于 其 核 糖 体 、 酶 类 以 及 细 胞 中 的 可 溶 性因 子 等 对 低 温 的 适 应 ， 蛋 白 质 翻 译 的 错 误 率最 低 。 许 多 中 温 菌 不 能 在 O0C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 泄 露 。(3) 蛋 白 质 合 成 (4) 产 生 冷 休 克 蛋 白 低 温 微 生 物 适 应 低 温 的 另 一 机 制 是 合 成 冷 休 克 蛋 白 . 将 大 肠 杆 菌 从 370C突 然 转 移 到 100C条 件 时 细 胞 中 会 诱 导 合 成一 组 冷 休 克 蛋 白 ， 它 们 对 低 温 的 生 理 适 应 过 程 中 发 挥 着 重 要 作用 ， 检 测 嗜 冷 酵 母 的 冷 休 克 反 应 ， 发 现 冷 刺 激 后 冷 休 克 蛋 白 在很 短 时 间 内 大 量 产 生 。 耐 冷 菌 由 于 生 活 在 温 度 波 动 的 环 境 中 ， 它 们 必 须 忍 受 温 度的 快 速 降 低 ， 这 与 它 们 产 生 的 冷 休 克 蛋 白 是 密 切 相 关 的 。 2、 温 度 对 产 物 形 成 的 影 响 温 度 对 参 与 繁 殖 、 呼 吸 、 产 素 的 生 物 过 程的 酶 的 影 响 是 不 同 的 。 青 霉 素 生 产 菌 最 适 生 长 温 度 为 30 ， 而最 适 于 产 素 的 温 度 为 20 。 所 以 适 合 微 生 物 生 长 的 温 度 并 不 一 定 是 适合 产 物 形 成 的 温 度 ， 这 一 点 对 于 发 酵 控 制 特 别重 要 。 温 度 不 但 影 响 微 生 物 的 各 种 反 应 速 率 ， 还 通过 发 酵 液 的 物 理 性 质 间 接 地 影 响 微 生 物 的 生 物 合 成。 影 响 氧 的 溶 解 度 。 影 响 菌 对 一 些 基 质 的 分 解 吸 收 速 率 。 （ 硫 酸 盐， 25 时 吸 收 最 小 ） 4、 温 度 影 响 产 物 合 成 的 方 向金 色 链 霉 菌 金 霉 素四 环 素30 35 最 适 发 酵 温 度 ： 是 指 最 适 于 某 种 生 产 菌 的 生 长或 产 物 合 成 的 温 度 。 对 于 不 同 的 菌 种 、 不 同 的 培 养 条 件 、 不 同 的 酶促 反 应 及 不 同 的 生 长 阶 段 ， 最 适 温 度 有 所 不 同 。 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 30 320C;青 霉 菌 生 长 温 度为 300C。1、 根 据 不 同 的 菌 种 选 择 。 在 发 酵 前 期 ， 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 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 。 如 四 环 素 生 长 阶 段 280C， 合 成 期 260C， 后 期 再 升 温 ；黑 曲 霉 生 长 37 0C， 产 糖 化 酶 32 340C。 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 30 320C，产 酸 34 370C。 2、 根 据 生 长 阶 段 选 择 4、 最 适 温 度 的 选 择 还 要 考 虑 培 养 基 的 成 份 及 浓 度 。 例 如 在 红 霉 素 发 酵 中 ， 可 用 玉 米 浆 或 黄 豆 粉 作 培养 基 ， 用 黄 豆 粉 作 培 养 基 时 ， 可 适 当 提 高 培 养 温 度。3、 最 适 温 度 会 因 发 酵 条 件 不 同 而 变 化 。 比 如 在 通 气 条 件 差 时 ， 最 适 的 发 酵 温 度 可 能比 良 好 通 气 条 件 下 低 一 些 ， 这 是 由 于 较 低 温 度 下， 氧 溶 解 度 大 ， 从 而 弥 补 了 通 气 不 足 造 成 的 代 谢异 常 。5、 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 。 例 如 ， 在 四 环 素 的 发 酵 过 程 中 ， 采 用 变 温控 制 ， 在 中 后 期 保 持 一 个 较 低 的 温 度 以 延 长 抗生 素 分 泌 期 ， 放 罐 前 24小 时 提 高 2-3 ， 这 能使 最 后 24小 时 抗 生 素 产 量 提 高 50%。 青 霉 素 发 酵 ， 最 初 5小 时 维 持 30 ， 6-35小时 为 35 ， 36-85小 时 为 20 ， 最 后 40小 时 再升 到 25 这 样 比 恒 温 培 养 可 提 高 14.7%的 产 量 。 1 发 酵 热 的 定 义2 生 物 热 的 大 小 与 哪 些 因 素 有 关 ？3 温 度 对 发 酵 有 哪 些 影 响 ？4 发 酵 过 程 温 度 的 选 择 有 什 么 依 据 ？思 考 题