發(fā)酵工藝控制——溫度對發(fā)酵的影響及控制

溫度對發(fā)酵的影響及其調節控制是影響有機體生長(cháng)繁殖最重要的因素之一，因為任何生物化學(xué)的酶促反應與溫度變化有關(guān)的。溫度對發(fā)酵的影響是多方面且錯綜復雜的，主要表現在對細胞生長(cháng)、產(chǎn)物合成、發(fā)酵液的物理性質(zhì)和生物合成方向等方面。

 

    隨著(zhù)溫度的上升，細胞的生長(cháng)繁殖加快。這是由于生長(cháng)代謝以及繁殖都是酶參加的。根據酶促反應的動(dòng)力學(xué)來(lái)看，溫度升高，反應速度加快，呼吸強度增加，最終導致細胞生長(cháng)繁殖加快。但隨著(zhù)溫度的上升，酶失活的速度也越大，使衰老提前，發(fā)酵周期縮短，這對發(fā)酵生產(chǎn)是極為不利的。

（二）、溫度影響產(chǎn)物的生成量。

（三）、溫度影響生物合成的方向。例如，在四環(huán)類(lèi)抗生素發(fā)酵中，金色鏈絲菌能同時(shí)產(chǎn)生四環(huán)素和金霉素，在30℃時(shí)，它合成金霉素的能力較強。隨著(zhù)溫度的提高，合成四環(huán)素的比例提高。當溫度超過(guò)35℃時(shí)，金霉素的合成幾乎停止，只產(chǎn)生四環(huán)素。

（四）、溫度影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)

溫度除了影響發(fā)酵過(guò)程中各種反應速率外，還可以通過(guò)改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)間接影響微生物的生物合成。例如，溫度對氧在發(fā)酵液中的溶解度就有很大響，隨著(zhù)溫度的升高，氣體在溶液中的溶解度減小，氧的傳遞速率也會(huì )改變。另外溫度還影響基質(zhì)的分解速率，例如，菌體對硫酸鹽的吸收在25℃時(shí)最小。

 

是生產(chǎn)菌在生長(cháng)繁殖時(shí)產(chǎn)生的大量熱量。生物熱主要是培養基中碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)等物質(zhì)被分解為CO₂、NH₃時(shí)釋放出的大量能量。主要用于合成高能化合物，      供微生物生命代謝活動(dòng)及熱能散發(fā)。菌體在生長(cháng)繁殖過(guò)程中，釋放出大量熱量。

生物熱的大小與菌種遺傳特性、菌齡有關(guān)，還與營(yíng)養基質(zhì)有關(guān)。在相同條件下，培養基成分越豐富，產(chǎn)生的生物熱也就越大。

通風(fēng)發(fā)酵都有大功率攪拌，攪拌的機械運動(dòng)造成液體之間，液體與設備之間的摩擦而產(chǎn)生的熱。

      Q_攪拌=3600（P/V）

      3600：熱功當量（kJ/（kW.h））

     （P/V）：通氣條件下單位體積發(fā)酵液所消耗的功率（ kW/m³）

蒸發(fā)熱的計算： Q_蒸發(fā)=G（I₂-I₁）， G：空氣流量，按干重計算，kg/h；

               I₁、I₂：進(jìn)出發(fā)酵罐的空氣的熱焓量，J/kg（干空氣）

由于發(fā)酵罐內外溫度差，通過(guò)罐體向外輻射的熱量。輻射熱可通過(guò)罐內外的溫差求得，一般不超過(guò)發(fā)酵熱的5%。輻射熱的大小取決于罐內外的溫差，受環(huán)境溫度變化的影響，冬天影響大一些，夏季影響小些。

5、顯熱 （Q顯）

排出氣體所帶的熱。

 

①通過(guò)測量一定時(shí)間冷卻水的流量和冷卻水的進(jìn)、出口溫度，由下式計算出發(fā)酵熱：

Q發(fā)酵=G.C_W.（t₂-t₁）/V

式中  G——冷卻水的流量(kg/h)；C_W——水的比熱[kJ／(kg•℃)]；

t₂ t₁——分別為冷卻水的進(jìn)、出口溫度(℃)；    V--發(fā)酵液的體積(m³)。

②通過(guò)發(fā)酵罐溫度的自動(dòng)控制，先使罐溫達到恒定，再關(guān)閉自動(dòng)控制裝置,測定溫度隨時(shí)間上升的速率，按下式計算發(fā)酵熱

Q發(fā)酵=(M_lC_l+M₂c₂).S

M_l一系統中發(fā)酵液的質(zhì)量(kg)；M₂一發(fā)酵罐的質(zhì)量(kg)；

C_l—發(fā)酵液的比熱[kJ／(kg•℃)]；C₂—發(fā)酵罐材料的比熱[kJ／(kg•℃))；

S—溫度上升速率(℃／h)。

 

（一）溫度的選擇

最適溫度是一種相對概念，是指在該溫度下最適于菌的生長(cháng)或發(fā)酵產(chǎn)物的生成。選擇最適溫度應該考慮微生物生長(cháng)的最適溫度和產(chǎn)物合成的最適溫度。最適發(fā)酵溫度與菌種，培養基成分，培養條件和菌體生長(cháng)階段有關(guān)。

 

在抗生素發(fā)酵中，細胞生長(cháng)和代謝產(chǎn)物積累的最適溫度往往不同。例如，青霉素產(chǎn)生菌生長(cháng)的最適溫度為30℃，但產(chǎn)生青霉素的最適溫度是24．7℃。至于何時(shí)應該選擇何種溫度，則要看當時(shí)生長(cháng)與生物合成哪一個(gè)是主要方面。在生長(cháng)初期，抗生素還未開(kāi)始合成，菌絲體濃度很低時(shí)，以促進(jìn)菌絲體迅速生長(cháng)繁殖為目的時(shí)，應該選擇最適于菌絲體生長(cháng)的溫度。當菌絲體濃度達到一定程度，到了抗生素分泌期時(shí)，此時(shí)生物合成成為主要方面，就應該滿(mǎn)足生物合成的最適溫度，這樣才能促進(jìn)抗生素的大量合成。在乳酸發(fā)酵中也有這種情況，乳酸鏈球菌的最適生長(cháng)溫度是34℃，而產(chǎn)酸的最適溫度不超過(guò)30℃。因此需要在不同的發(fā)酵階段選擇不同的最適溫度。

 

最適發(fā)酵溫度的選擇實(shí)際上是相對的，還應根據其他發(fā)酵條件進(jìn)行合理地調整，需要考慮的因素包括菌種、培養基成分和濃度、菌體生長(cháng)階段和培養條件等。例如，溶解氧濃度是受溫度影響的，其溶解度隨溫度的下降而增加。因此當通氣條件較差時(shí)，可以適當降低溫度以增加溶解氧濃度。在較低的溫度下，既可使氧的溶解度相應大一些，又能降低菌體的生長(cháng)速率，減少氧的消耗量，這樣可以彌補較差的通氣條件造成的代謝異常。最適溫度的選擇還應考慮培養基成分和濃度的不同，在使用濃度較稀或較易利用的培養基時(shí)，過(guò)高的培養溫度會(huì )使營(yíng)養物質(zhì)過(guò)早耗竭，而導致菌體過(guò)早自溶，使產(chǎn)物合成提前終止，產(chǎn)量下降。例如，玉米漿比黃豆餅粉更容易利用，因此在紅霉素發(fā)酵中，提高發(fā)酵溫度使用玉米漿培養基的效果就不如黃豆餅粉培養基的好，提高溫度有利于菌體對黃豆餅粉的利用。

 

因此，在各種微生物的培養過(guò)程中，各個(gè)發(fā)酵階段的最適溫度的選擇是從各方面綜合進(jìn)行考慮確定的。例如，在四環(huán)素發(fā)酵中，采用變溫控制，在中后期保持較低的溫度，以延長(cháng)抗生素分泌期，放罐前24h提高2—3℃培養，能使最后24h的發(fā)酵單位提高50％以上。又如，青霉素發(fā)酵最初5h維持30℃，6-35h為25℃，36--85h為20℃，最后40h再升到25℃。采用這種變溫培養比25℃恒溫培養的青霉素產(chǎn)量提高14．7％。

    工業(yè)上使用大體積發(fā)酵罐的發(fā)酵過(guò)程，一般不須要加熱，因為釋放的發(fā)酵熱常常超過(guò)微生物的最適培養溫度，所以需要冷卻的情況較多。

（二）、溫度的控制

  發(fā)酵罐：夾套（10M³以下）；盤(pán)管（蛇管）（10M³以上）。