温度对发酵的影响及其控制

1、制作团队 制作总监 沈俊秀主讲人 祁娟 技术顾问 周戴内容编辑：李程 张正涛 叶强研究内容研究内容1、影响发酵温度的因素2、温度对微生物发酵的影响3、最适温度的选择与控制 （一）影响发酵温度（一）影响发酵温度的因素的因素发酵热Q发酵生物热Q生物搅拌热Q搅拌蒸发热Q蒸发辐射热Q辐射 （一）影响发酵温度（一）影响发酵温度的因素的因素 发酵热是引起发酵过程温变化的原因。发酵热是引起发酵过程温变化的原因。 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，机械搅拌产生热量，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

2、壁散热、水分蒸发、空气排气带走热量。而罐壁散热、水分蒸发、空气排气带走热量。发酵热发酵热Q发酵发酵 在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，将其在发酵过程中，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，其中一部分用于合成高能化合物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（如ATP）提供细胞合成和代谢产物合成需要的能量，其）提供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，这散发出来的热就叫生物余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。 微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热

3、多。生物热生物热Q生物生物（一）影响发酵温度（一）影响发酵温度的因素的因素 培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性。培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性。 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，呼吸作用缓在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生热量较少。慢，产生热量较少。 菌体在对数生长期时，菌体繁殖迅速，呼吸作用激烈，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，必须菌体也较多，所以产生的热量多，温度上升快，必须注意控制温度。注意控制温度。 （一）影响发酵温度（一）影响发酵温度

4、的因素的因素 培养后期，菌体已基本上停止繁殖，主要靠菌体内的培养后期，菌体已基本上停止繁殖，主要靠菌体内的酶系进行代谢作用，产生热量不多，温度变化不大，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，发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，有可能染菌，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。此外培养基营养越丰富，生物热也越大。（一）影响发酵温度（一）影响发酵温度的因素的因素 在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵液在机械搅拌通气发酵罐

5、中，由于机械搅拌带动发酵液作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等设备之作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等设备之间的摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴功率有间的摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴功率有关，可用下式计算：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= 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cos3EI 通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分蒸发所需的热量叫通气时，引

6、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量叫显热蒸发热。此外，排气也会带走部分热量叫显热Q显热显热，显热，显热很小，一般可以忽略不计。很小，一般可以忽略不计。蒸发热蒸发热Q蒸发蒸发（一）影响发酵温度（一）影响发酵温度的因素的因素 发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分热通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的过罐体向外辐射。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，一般不超过发酵热温差。冬天大一些，夏天小一些，一般不超过发酵热的的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

7、辐射热辐射热Q辐射辐射（一）影响发酵温度（一）影响发酵温度的因素的因素 （二）温度对微生物发酵的影响（二）温度对微生物发酵的影响 1、温度对微生物细胞生长的影响；、温度对微生物细胞生长的影响； 一方面，最适温度范围内，生长速率随温度的一方面，最适温度范围内，生长速率随温度的上升而增加，一般每升高上升而增加，一般每升高10，生长速率大致增长一，生长速率大致增长一倍。当温度超过最适生长温度时，生长速率随温度增倍。当温度超过最适生长温度时，生长速率随温度增加而迅速下降。另一方面，不同生长阶段的微生物对加而迅速下降。另一方面，不同生长阶段的微生物对温度的反应不同。温度的反应不同。2、温度对产物形成的影

8、响；、温度对产物形成的影响； 从酶反应动力学来看，发酵温度升高，酶反应速率增从酶反应动力学来看，发酵温度升高，酶反应速率增大，生长代谢速度加快，但酶本身容易过热而失活，大，生长代谢速度加快，但酶本身容易过热而失活，表现在菌体容易衰老，发酵周期缩短，影响最终的产表现在菌体容易衰老，发酵周期缩短，影响最终的产量。量。（二）温度对微生物发酵的影响（二）温度对微生物发酵的影响3、温度影响产物合成的方向。 例如，四环素发酵中所用的金色链霉菌，其发酵过程中能同时产生金霉素，在温度低于30时，合成金霉素的能力较强；合成四环霉素的能力随温度的升高而增大，当达到35时，只产生四环霉素，金霉素的合成几乎停止。 （

9、二）温度对微生物发酵的影响（二）温度对微生物发酵的影响（三）（三）最适温度的选择最适温度的选择 各种微生物按照其生长速度的适宜温度可各种微生物按照其生长速度的适宜温度可分为最低温度、最适温度和最高温度。分为最低温度、最适温度和最高温度。最高温度 最低温度 最适温度 （三）（三）最适温度的选择最适温度的选择 最适温度的选择应从菌体的生长和产物的合成两方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个最适温度不面加以考虑。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度不一定适合产物的一定好，因适合菌体生长的温度不一定适合产物的合成。合成。（三）（三）最适

10、温度的选择最适温度的选择 1 1、根据菌种及生长阶段选择、根据菌种及生长阶段选择 2 2、根据培养条件选择、根据培养条件选择 3 3、根据菌生长情况、根据菌生长情况1 1、根据菌种及生长阶段选择、根据菌种及生长阶段选择（1）微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要）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。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。（2）根据生长阶段选择）根据生长阶段选择 在发酵在发酵前期前期由于菌量

11、少，发酵目的是要尽快达到大量的菌体，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，使菌生长迅速；取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使菌生长迅速； 在在中期中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期，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。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。得比较严密有利于产物合成。 发酵发酵后期后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要

12、，就，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。又提高温度，刺激产物合成到放罐。（三）（三）最适温度的选择最适温度的选择如四环素生长阶段280C，合成期260C后期再升温；黑曲霉生长370C，产糖化酶32340C。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30340C，产酸34370C。最适温度选择要根据菌种与发酵阶段做试验。（三）（三）最适温度的选择最适温度的选择 2、根据培养条件选择 温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。 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。 培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利用快，会

13、使菌过早自溶。（三）（三）最适温度的选择最适温度的选择菌生长快，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。培养条件适宜，如营养丰富，通气能满足，那么前期温度可髙些，以利于菌的生长。（三）（三）最适温度的选择最适温度的选择（三）（三）最适温度的选择最适温度的选择 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%的产量温度对发酵的影响及其控制温度对发酵的影响及其控制 温度直接影响酶的反应，从而影响生物