发酵工程82温度对发酵过程的影响与控制课件

1、8.2 8.2 温度对发酵的影响及其控制温度对发酵的影响及其控制 一、温度对生长的影响一、温度对生长的影响 不同微生物的生长对温度的要求不同，根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：据它们对温度的要求大致可分为四类： 嗜冷菌适应于嗜冷菌适应于0260C生长，生长， 嗜温菌适应于嗜温菌适应于15430C生长，生长， 嗜热菌适应于嗜热菌适应于37650C生长，生长， 嗜高温菌适应于嗜高温菌适应于650C以上生长。以上生长。 不同温度对各类菌生长的影响不同温度对各类菌生长的影响 每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高 温度、

2、最低温度来表征。温度、最低温度来表征。 在最适温度下，微生物生长迅速；超过最高温在最适温度下，微生物生长迅速；超过最高温 度微生物即受到抑制或死亡；度微生物即受到抑制或死亡； 在最低温度范围内微生物尚能生长，但生长速在最低温度范围内微生物尚能生长，但生长速 度非常缓慢，世代时间无限延长。度非常缓慢，世代时间无限延长。 在最低和最高温度之间，微生物的生长速率随在最低和最高温度之间，微生物的生长速率随 温度升高而增加，超过最适温度后，随温度升高，温度升高而增加，超过最适温度后，随温度升高， 生长速率下降，最后停止生长，引起死亡。生长速率下降，最后停止生长，引起死亡。 v微生物受高温的伤害比低温的伤

3、害大，即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。死亡。这就是菌种保藏的原理。 二、温度对发酵的影响二、温度对发酵的影响 1 1、温度影响反应速率、温度影响反应速率 发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反应发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反应 有一个最适温度。有一个最适温度。 从阿累尼乌斯方程式可以看到从阿累尼乌斯方程式可以看到 E活化能活化能K速率常数速率常数 RT E Aek 酶反应的酶反应的E E值，通

4、常是正值。反应速率常数与温度成正值，通常是正值。反应速率常数与温度成正 相关，当温度升高时，酶反应速率增大，生长代谢加相关，当温度升高时，酶反应速率增大，生长代谢加 快，生产期提前。快，生产期提前。 1 2 12 21 ln k k TT TRT E A RT E klnln 但酶本身很易因过热而失去活性，表现在但酶本身很易因过热而失去活性，表现在 菌体容易衰老，发酵周期缩短，影响最终菌体容易衰老，发酵周期缩短，影响最终 产量。产量。 2 2、温度影响发酵方向、温度影响发酵方向 四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和四四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和四 环素，当温度低于环素，当温度低于3

5、00C时，这种菌合成金霉素能时，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，力较强；温度提高，合成四环素的比例也提高， 温度达到温度达到350C时，金霉素的合成几乎停止，只产时，金霉素的合成几乎停止，只产 生四环素。生四环素。 温度还通过改变发酵液的物理性质（如氧的溶温度还通过改变发酵液的物理性质（如氧的溶 解度、基质的传质速率等）、某些基质的溶解度解度、基质的传质速率等）、某些基质的溶解度 等间接影响产物的合成。等间接影响产物的合成。因此对发酵过程中的温因此对发酵过程中的温 度要严格控制。度要严格控制。 三、发酵过程引起温度变化的因素三、发酵过程引起温度变化的因素 （一）发

6、酵热（一）发酵热Q Q发酵 发酵 发酵热是引起发酵过程温度变化的原因。发酵热是引起发酵过程温度变化的原因。 所谓发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。所谓发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。 在发酵过程中产生菌分解基质产生热量，机械在发酵过程中产生菌分解基质产生热量，机械 搅拌产生热量，而罐壁散热、水分蒸发、空气排搅拌产生热量，而罐壁散热、水分蒸发、空气排 气带走热量。这各种产生的热量和各种散失的热气带走热量。这各种产生的热量和各种散失的热 量的代数和就叫做净热量。发酵热引起发酵液的量的代数和就叫做净热量。发酵热引起发酵液的 温度上升。发酵热大，温度上升快，发酵热小，温度上升。发酵热大，温度

7、上升快，发酵热小， 温度上升慢。温度上升慢。 1 1、生物热、生物热Q Q生物 生物 在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营 养物质，将其分解氧化而产生的能量，其中养物质，将其分解氧化而产生的能量，其中 一部分用于合成高能化合物（如一部分用于合成高能化合物（如ATP）提供）提供 细胞合成和代谢产物合成需要的能量，其余细胞合成和代谢产物合成需要的能量，其余 一部分以热的形式散发出来，这散发出来的一部分以热的形式散发出来，这散发出来的 热就叫生物热。热就叫生物热。 微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产 生的热多。生的热多

8、。 培养过程中生物热的产生具有培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性强烈的时间性。 生物的大小与呼吸作用强弱有关生物的大小与呼吸作用强弱有关 在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用 缓慢，产生热量较少。缓慢，产生热量较少。 菌体在对数生长期时，菌体繁殖迅速，呼吸作用激菌体在对数生长期时，菌体繁殖迅速，呼吸作用激 烈，菌体也较多，所以产生的热量多，温度上升快，烈，菌体也较多，所以产生的热量多，温度上升快， 必须注意控制温度。必须注意控制温度。 培养后期，菌体已基本上停止繁殖，主要靠菌体内培养后期，菌体已基本上停止繁殖，主要靠菌体内 的酶系进行代谢

9、作用，产生热量不多，温度变化不大，的酶系进行代谢作用，产生热量不多，温度变化不大， 且逐渐减弱。且逐渐减弱。 如果培养前期温度上升缓慢，说明菌体代谢缓慢，如果培养前期温度上升缓慢，说明菌体代谢缓慢， 发酵不正常。如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染发酵不正常。如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染 菌，此外培养基营养越丰富，生物热也越大。菌，此外培养基营养越丰富，生物热也越大。 2 2、搅拌热、搅拌热Q Q搅拌 搅拌 在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发 酵液作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等酵液作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等 设备之间

10、的摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅拌设备之间的摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅拌 轴功率有关，可用下式计算：轴功率有关，可用下式计算： Q搅拌 搅拌 P8604186.8（焦耳（焦耳/小时）小时） P搅拌轴功率搅拌轴功率 4186.8机械能转变为热能的热功当量机械能转变为热能的热功当量 电机功率电机功率P= cos3EI E额定电压，额定电压，I额定电流额定电流 cos功率因素，功率因素，1千瓦时千瓦时8604186.8焦耳焦耳 3 3、蒸发热、蒸发热Q Q蒸发 蒸发 通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分蒸发所通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分蒸发所 需的热量叫蒸发热。此外，排气也会带走部分热需

11、的热量叫蒸发热。此外，排气也会带走部分热 量叫显热量叫显热Q显热 显热，显热很小，一般可以忽略不计。 ，显热很小，一般可以忽略不计。 4 4、辐射热、辐射热Q Q辐射 辐射 发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分热发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分热 通过罐体向外辐射。辐射热的大小取决于罐温与环境通过罐体向外辐射。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，一般不超过发酵的温差。冬天大一些，夏天小一些，一般不超过发酵 热的热的5。 Q发酵 发酵 Q生物 生物 Q搅拌 搅拌 Q蒸发 蒸发 Q辐射 辐射 （二）发酵热的测定（二）发酵热的测定 有二种发酵热测定的方法。有

12、二种发酵热测定的方法。 一种是用冷却水进出口温度差计算发酵热。一种是用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，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再从水表上得知每小时冷却水流量来计算发酵 热。热。 Q发酵 发酵 GCm(T出 出 T进 进) Cm水的比热水的比热 G冷却水流量冷却水流量 另一种是根据罐温上升速率来计算。先自另一种是根据罐温上升速率来计算。先自 控，让发酵液达到某一温度，然后停止加热控，让发酵液达到某一温度，然后停止加热 或冷却，使罐温自然上升或下降，根据罐温或冷却，使罐温自然上升或下降，根据罐温

13、变化的速率计算出发酵热。变化的速率计算出发酵热。 也可以根据化合物的燃烧值估算发酵过程生也可以根据化合物的燃烧值估算发酵过程生 物热的近似值。物热的近似值。 因为热效应决定于系统的初态和终态，而与变因为热效应决定于系统的初态和终态，而与变 化途径无关，反应的热效应可以用燃烧值来计算，化途径无关，反应的热效应可以用燃烧值来计算， 特别是有机化合物，燃烧热可以直接测定。特别是有机化合物，燃烧热可以直接测定。 反应热效应等于反应物的燃烧热总和减去生成反应热效应等于反应物的燃烧热总和减去生成 物的燃烧热的总和。物的燃烧热的总和。 H（H）反应物 反应物 （H）产物 产物 如谷氨酸发酵中主要物质的燃烧热

14、为：如谷氨酸发酵中主要物质的燃烧热为： 葡萄糖葡萄糖 159555.9KJ/Kg 谷氨酸谷氨酸 15449.3KJ/Kg 玉米浆玉米浆 12309.2KJ/Kg 菌体菌体 20934KJ/Kg 尿素尿素 10634.5KJ/Kg 四、最适温度的选择四、最适温度的选择 最适温度的选择应从菌体的生长和产物的合最适温度的选择应从菌体的生长和产物的合 成两方面加以考虑。整个发酵周期内仅选一成两方面加以考虑。整个发酵周期内仅选一 个最适温度不一定好，因适合菌体生长的温个最适温度不一定好，因适合菌体生长的温 度不一定适合产物的合成。度不一定适合产物的合成。 如谷氨酸生产菌的最适生长温度为如谷氨酸生产菌的最

15、适生长温度为30-3430-34， 产谷氨酸的温度为产谷氨酸的温度为34-3734-37。 （1）微生物种类不同，所具有的酶系及其性质）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。不同，所要求的温度范围也不同。 如黑曲霉生长温度为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谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为30340C， 青霉菌生长温度为青霉菌生长温度为300C。 1 1、根据菌种及生长阶段选择、根据菌种及生长阶段选择 在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大 量的菌体，取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使

16、量的菌体，取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使 菌生长迅速；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，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。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。必要，就又提高温度，刺激产物合成到放罐。 （2）根据生长阶段选择）根据生长阶段选择 2 2、根据培养条件选择、根据培养条件选择 温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵 活选择。活选择。 通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸 速率降低些，溶氧浓度也可髙些。速率降低些，溶氧浓度也可髙些。 培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度 高营养利用快，会使菌过早自溶。高营养利用快，会