简明微生物工程 61发酵的中间控制-温度、pH.ppt

第六章发酵的中间控制之二,温度、pH的控制,第一节、温度控制,一、发酵热定义：发酵过程中释放出来的净热量，以J/（m3.h)为单位，由产热因素和散热因素两方面所决定的.Q发酵Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射发酵热包括：生物热、搅拌热、蒸发热、辐射热,1、生物热（Q生物）主要来源：碳水化合物、脂肪和蛋白质被微生物分解成CO2、水和其他物质时释放出来的。释放的能量：高能化合物+热,2、搅拌热(Q搅拌)主要来源：液体之间、液体与搅拌器等设备之间的摩擦产生。搅拌热与搅拌轴功率有关，可用下式计Q搅拌P/V*3600(kJh)式中：P/V通气条件下，单位体积发酵液搅拌功率，(kW/m3)；3600机械能转变为热能的热功当量，(kJ(kWh)。,3、蒸发热主要来源：通气引起发酵液水分的蒸发，被空气和蒸发水分带走的热量叫做蒸发热或汽化热。可按下式计算：Q蒸发G(I出一I进)式中：G空气的重量流量，(kg干空气h)；I出、I进发酵罐排气、进气的热焓，(kJkg干空气)。,4、辐射热(Q辐射)主要来源：因发酵罐内外温度不同，发酵液中有部分热通过罐体向外辐射。Q发酵Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射,二、发酵热的测定及计算,(1)通过测量一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度，用下式计算P61：Q发酵Gcw(t2t1)V如果需要求生物热时：Q生物Q发酵-Q搅拌+Q蒸发+Q辐射,(2)通过罐温度的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自控装置，测量温度随时间上升的速率，按下式求出发酵热：Q发酵=(m1cl+m2c2)*u,其中：m1发酵液的质量，kg;cl发酵液的比热，kJ/(kg*C)；m2发酵罐的质量，kg；c2发酵液的比热,kJ/(kg*C)；u温度上升速率,C/h。,抗生素发酵过程中的最大发酵热约为300050000kJ(m3.h)；谷氨酸发酵过程中的最大发酵热约为70008000kJ(m3.h)。,三、温度对生长的影响：生物体的生命活动可以看作是相互连续进行酶反应的表现，任何酶促反应又都和温度有关，通常在生物学的范围内每升高10，生长速度就加快一倍，所以温度直接影响酶反应，从而影响着生命体的生命活动。高温杀菌的机理：温度与微生物生长的关系：温度三基点,嗜热微生物嗜热微生物是一类生活在高温环境中的微生物，如火山口及其周围区域、温泉、工厂高温废水排放区等。,兼性嗜热菌,专性嗜热菌,极端嗜热菌,耐热菌,超嗜热菌,嗜热菌的类型：,隐蔽热网菌（Pyrodictiumoccultum）,嗜酸热硫化叶菌-105（Sulfolobusacidocaldarius）,水生嗜热杆菌95.95(Thermusaquaticus),四、温度对发酵的影响：从酶反应动力学来说，温度越高，反应越快；温度越高，酶失活越快，菌体易衰老；通过影响溶氧从而影响发酵；温度影响生物合成方向金霉素；同一菌种的生长和产物合成的最适温度往往不同。影响酶系组成及酶的特性米曲霉（蛋白酶、淀粉酶和纤维素酶）。青霉素：3024.7乳酸链球菌：34不超过30,温度影响生物合成方向,四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和四环素，当温度低于30时，这种菌合成金霉素能力较强；温度提高，合成四环素的比例也提高，温度达到35时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。,五、最适温度的控制,最适合成,略高,最适生长,放罐,1、不同生长阶段，不同培养目的而改变；,其它发酵条件：通气，培养基情况四环素：030h，稍高；30150h，稍低，以延长抗生素的分泌期，150h后，升温刺激抗生素的分泌，能使最后24h的发酵单位提高50以上.青霉素：05h,30;635h,25;3685h,20最后40h,25.采用这种变温培养比25恒温培养的抗生素产量提高14.7%.,第二节、pH值的控制,一、pH值对菌体生长和代谢产物形成的影响(一)影响1、每种微生物都有自己的生长最适pH值。2、同种微生物，pH值的不同，会形成不同的发酵产物黑曲酶（pH23时产生柠檬酸，pH近中性时，积累草酸和葡萄糖酸）。3、微生物生长的最适pH值和发酵的最适pH值往往不一定相同P62表71。,(二)、pH值影响的主要原因：1、发酵液的pH值影响细胞质膜上的电荷。2、发酵液的pH值直接影响酶的活性。3、发酵液的pH值影响营养物和中间代谢产物的离解，从而影响微生物的利用。,二、影响pH值变化的因素,在发酵过程中pH值变化决定于微生物种类、基础培养基的组成和发酵条件。,引起变化的途径,糖和脂肪在通气充足时，糖和脂肪得到完全氧化，产物为二氧化碳和水；在通气不充足时，糖和脂肪的氧化不完全，产生有机酸类的中间产物。这些都使培养基的pH值下降，其差别仅是下降程度不同。,如果无机氮源被同化，则培养基pH值也会随其种类而变化。属于生理酸性盐(被微生物利用后生酸的盐)的铵盐利用后，与其结合的酸游离，使pH值下降；属于生理碱性盐的硝酸盐(或有机酸盐)被利用后，则释放碱使其pH值上升。,如果有机氮源被利用，则培养液的pH值随酶作用的情况不同也有不同的结果。在脱氮的情况下，蛋白质被分解而放出氨，同时生成酸类使其pH值下降，在脱羧的情况下，蛋白质分解放出氨，同时生成碱性胺，使pH值上升。,一般说来，培养基中的碳氮值(CN值)高，则发酵液倾向于酸性，反之则倾向于碱性或中性。,三、发酵过程pH值的调节及控制,1添加碳酸钙法采用生理酸性铵盐作为氮源时，由于NH4+被菌体利用后，剩下的酸根引起发酵液pH下降，在培养基中加入碳酸钙，就能调节pH值作用。但是，碳酸钙的用量甚大，操作上易引起染菌的危险，此法一般不采用。,2氨水流加法（硫酸胺）在发酵过程中根据pH值的变化流加氨水调节pH值，且作为氮源，供给NH4+。氨水价格便宜，来源容易。但是，氨水作用快，对发酵液的pH值波动影响大，应采用少量多次流加，以免造成pH值过高，抑制菌体生长，或pH值过低，NH4+不足等现象。最好能够采用自动控制连续流加方法。,3尿素流加法是目前国内味精厂普通遍采用的方法。以尿素作为氮源进行流加调节pH值，由于pH值变化具有一定的规律性，易于操作控制。氨和培养基成分被菌体利用并形成有机酸等中间代谢产物，使pH值降低，这时就需要及时流加尿素，以调节pH值和补充氮源。由于通风、搅