發(fā)酵過程溫度控制

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1、09 發(fā) 酵 過 程 控 制 一 、 引 起 發(fā) 酵 溫 度 變 化 的 因 素 發(fā) 酵 熱1、 發(fā) 酵 熱 ： 發(fā) 酵 過 程 中 釋 放 出 來 的 凈 熱 量 。輻射顯蒸發(fā)攪拌生物發(fā)酵QQQQQQ 生 物 熱 ： 生 產(chǎn) 菌 在 生 長 繁 殖 過 程 中 本 身 產(chǎn) 生 大 量的 熱 ， 叫 生 物 熱 。影 響 生 物 熱 的 因 素 ：菌 株 ； 對 營 養(yǎng) 物 利 用 速 率 越 大 ， 產(chǎn) 熱 越 多 。培 養(yǎng) 基 成 份 ： 成 份 越 豐 富 ， 產(chǎn) 熱 越 多發(fā) 酵 時 期 ： 對 數(shù) 生 長 期 產(chǎn) 熱 量 大發(fā) 酵 類 型 ： 好 氧 發(fā) 酵 比 厭 氧 發(fā) 酵 產(chǎn)

2、熱 多 。一摩爾葡萄糖徹底氧化成CO2和水好氧：產(chǎn)生287.2千焦耳熱量， 183千焦耳轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芑衔?104.2千焦以熱的形式釋放厭氧：產(chǎn)生22.6千焦耳熱量， 9.6千焦耳轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芑衔?13千焦以熱的形式釋放 92.0: 3600取功熱轉(zhuǎn)化率攪拌功率攪拌，KW；，P kJPQg g 蒸 發(fā) 熱 ： 液 體 蒸 發(fā) 帶 走 的 熱 量 。 通 氣 時 ， 引 起 發(fā)酵 液 的 水 分 蒸 發(fā) ， 水 分 蒸 發(fā) 所 需 的 熱 量 叫 蒸 發(fā) 熱 。顯 熱 ： 空 氣 帶 走 的 熱 量 ,顯 熱 很 小 ， 一 般 可 以忽 略 不 計 。輻 射 熱 ： 罐 壁 向 外 散 失 的

3、熱 量 。 輻 射 熱 的 大 小 取決 于 罐 溫 與 環(huán) 境 的 溫 差 。 冬 天 大 一 些 ， 夏 天 小 一 些 ，一 般 不 超 過 發(fā) 酵 熱 的 5 。 通 過 生 物 合 成 熱 進(jìn) 行 計 算 1%203:3 92.0);(36002:2 :1 321 QQ。Q ，gPkJgP，QQ 。，Q t QQQQ 可近似計算向周圍散發(fā)的熱汽化熱及由于溫差罐壁為經(jīng)驗值為攪拌軸功率機(jī)械攪拌熱焓來進(jìn)行估算可以通過化合物的燃燒生物合成熱 如 谷 氨 酸 發(fā) 酵 中 主 要 物 質(zhì) 的 燃 燒 熱 為 ：葡 萄 糖 159555.9KJ/Kg谷 氨 酸 15449.3KJ/Kg玉 米 漿

4、12309.2KJ/Kg菌 體 20934KJ/Kg尿 素 10634.5KJ/Kg 例 如 ： 某 味 精 廠 50M3發(fā) 酵 罐 發(fā) 酵 過 程 測 定結(jié) 果 的 主 要 物 質(zhì) 變 化 如 表 ： 發(fā) 酵 12 18小 時 的 生 物 熱 為 ：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 時 的 生 物 熱 為 31849.7KJ/M3 通 過 發(fā) 酵 液 的 溫 度 升 高 進(jìn) 行 計 算 內(nèi)發(fā)酵液升高的溫度發(fā)酵液和罐材料比熱發(fā)酵液和發(fā)酵罐

5、質(zhì)量min30 )3/()(221 21 2211T、cc 、mm hmkJV Tcmcmt LQ 在 不 采 取 任 何 冷 卻 措 施 情 況 下 ， 使 罐 溫 自然 上 升 ， 根 據(jù) 罐 溫 變 化 的 速 率 計 算 出 發(fā) 酵 熱 。 通 過 冷 卻 水 帶 走 的 熱 量 進(jìn) 行 計 算 發(fā)酵液體積出口溫度冷卻水進(jìn)冷卻水比熱冷卻水流量: :,: : )3/()(21 12L LV 、TTcW hmkJV TTWctQ 通 冷 卻 水 控 制 恒 溫 ， 根 據(jù) 冷 卻 水 進(jìn) 出 口 溫 度差 計 算 發(fā) 酵 熱 。 在 工 廠 里 ， 可 以 通 過 測 量 冷 卻 水進(jìn) 出

6、 口 的 水 溫 ， 再 從 水 表 上 得 知 每 小 時 冷 卻 水 流量 來 計 算 發(fā) 酵 熱 。 1、 溫 度 對 微 生 物 生 長 的 影 響 不同微生物的生長對溫度的要求不同，根據(jù)它們對溫度的要求大致可分為四類：嗜冷菌適應(yīng)于0260C生長，嗜溫菌適應(yīng)于15430C生長，嗜熱菌適應(yīng)于37650C生長，嗜高溫菌適應(yīng)于650C以上生長 隨 著 溫 度 上 升 ， 微 生 物 的 生 長 和 繁 殖 加 快 ， 但 隨著 溫 度 的 上 升 ， 酶 失 活 的 速 度 也 加 快 ， 菌 體 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

7、。1、 溫 度 對 微 生 物 生 長 的 影 響 微生物受高溫的傷害比低溫的傷害大，即超過最高溫度，微生物很快死亡； 低于最低溫度，微生物代謝受到很大抑制，并不馬上死亡。這就是菌種保藏的原理。 (1) 微 生 物 對 溫 度 的 要 求 不 同 與 它 們 的 膜 結(jié) 構(gòu) 物理 化 學(xué) 性 質(zhì) 有 密 切 關(guān) 系 根 據(jù) 細(xì) 胞 膜 的 液 體 鑲 嵌 模 型 ， 細(xì) 胞 在 正 常 生理 條 件 下 ， 膜 中 的 脂 質(zhì) 成 分 應(yīng) 保 持 液 晶 狀 態(tài) ， 只有 當(dāng) 細(xì) 胞 膜 處 于 液 晶 狀 態(tài) ， 才 能 維 持 細(xì) 胞 的 正 常生 理 功 能 ， 使 細(xì) 胞 處 于 最

8、佳 生 長 狀 態(tài) 微 生 物 的 生 長 溫 度 與 細(xì) 胞 膜 的 液 晶 溫 度 范 圍相 一 致 。微 生 物 與 溫 度 相 關(guān) 性 的 原 理 什 么 是 液 晶 狀 態(tài) ？ 液 晶 狀 態(tài) 是 指 某 些 有 機(jī) 物 在 發(fā) 生 固 相 到 液 相 轉(zhuǎn) 變時 的 過 渡 狀 態(tài) 稱 為 液 晶 態(tài) 。 由 固 態(tài) 轉(zhuǎn) 變 為 液 晶 態(tài) 的 溫 度 稱 為 熔 點 ， 以 T1表 示 ；由 液 晶 態(tài) 轉(zhuǎn) 變 為 液 態(tài) 的 溫 度 稱 為 清 亮 點 ， 以 T2表 示 。T1與 T2之 間 的 溫 度 稱 為 液 晶 溫 度 范 圍 。 那 么 為 什 么 不 同 微 生 物

9、 對 溫 度 的 要 求 不 同 呢 ？ 根據(jù) 細(xì) 胞 膜 脂 質(zhì) 成 分 分 析 表 明 ， 不 同 最 適 溫 度 生 長 的 微生 物 ， 其 膜 內(nèi) 磷 脂 組 成 有 很 大 區(qū) 別 。 嗜 熱 菌 只 含 飽 和脂 肪 酸 ， 而 嗜 冷 菌 含 有 較 高 的 不 飽 和 脂 肪 酸 。 (2)蛋 白 質(zhì) 結(jié) 構(gòu) 通 過 對 嗜 冷 酶 的 蛋 白 質(zhì) 模 型 和 x一 射 線 衍射 分 析 表 明 ， 嗜 冷 酶 分 子 間 的 作 用 力 減 弱 ，與 溶 劑 的 作 用 加 強(qiáng) ， 酶 結(jié) 構(gòu) 的 柔 韌 性 增 加 ，使 酶 在 低 溫 下 容 易 被 底 物 誘 導(dǎo) 產(chǎn)

10、 生 催 化 作 用 嗜 冷 菌 具 有 在 0 合 成 蛋 白 質(zhì) 的 能 力 。 這是 由 于 其 核 糖 體 、 酶 類 以 及 細(xì) 胞 中 的 可 溶 性因 子 等 對 低 溫 的 適 應(yīng) ， 蛋 白 質(zhì) 翻 譯 的 錯 誤 率最 低 。 許 多 中 溫 菌 不 能 在 O0C合 成 蛋 白 質(zhì) ， 一 方面 是 由 于 其 核 糖 體 對 低 溫 的 不 適 應(yīng) ， 翻 譯 過程 中 不 能 形 成 有 效 的 起 始 復(fù) 合 物 ， 另 一 方 面是 由 于 低 溫 下 細(xì) 胞 膜 的 破 壞 導(dǎo) 致 氨 基 酸 等 內(nèi)容 物 的 泄 露 。(3) 蛋 白 質(zhì) 合 成 (4) 產(chǎn)

11、生 冷 休 克 蛋 白 低 溫 微 生 物 適 應(yīng) 低 溫 的 另 一 機(jī) 制 是 合 成 冷 休 克 蛋 白 . 將 大 腸 桿 菌 從 370C突 然 轉(zhuǎn) 移 到 100C條 件 時 細(xì) 胞 中 會 誘 導(dǎo) 合 成一 組 冷 休 克 蛋 白 ， 它 們 對 低 溫 的 生 理 適 應(yīng) 過 程 中 發(fā) 揮 著 重 要 作用 ， 檢 測 嗜 冷 酵 母 的 冷 休 克 反 應(yīng) ， 發(fā) 現(xiàn) 冷 刺 激 后 冷 休 克 蛋 白 在很 短 時 間 內(nèi) 大 量 產(chǎn) 生 。 耐 冷 菌 由 于 生 活 在 溫 度 波 動 的 環(huán) 境 中 ， 它 們 必 須 忍 受 溫 度的 快 速 降 低 ， 這 與

12、它 們 產(chǎn) 生 的 冷 休 克 蛋 白 是 密 切 相 關(guān) 的 。 2、 溫 度 對 產(chǎn) 物 形 成 的 影 響 溫 度 對 參 與 繁 殖 、 呼 吸 、 產(chǎn) 素 的 生 物 過 程的 酶 的 影 響 是 不 同 的 。 青 霉 素 生 產(chǎn) 菌 最 適 生 長 溫 度 為 30 ， 而最 適 于 產(chǎn) 素 的 溫 度 為 20 。 所 以 適 合 微 生 物 生 長 的 溫 度 并 不 一 定 是 適合 產(chǎn) 物 形 成 的 溫 度 ， 這 一 點 對 于 發(fā) 酵 控 制 特 別重 要 。 溫 度 不 但 影 響 微 生 物 的 各 種 反 應(yīng) 速 率 ， 還 通過 發(fā) 酵 液 的 物 理 性

13、質(zhì) 間 接 地 影 響 微 生 物 的 生 物 合 成。 影 響 氧 的 溶 解 度 。 影 響 菌 對 一 些 基 質(zhì) 的 分 解 吸 收 速 率 。 （ 硫 酸 鹽， 25 時 吸 收 最 小 ） 4、 溫 度 影 響 產(chǎn) 物 合 成 的 方 向金 色 鏈 霉 菌 金 霉 素四 環(huán) 素30 35 最 適 發(fā) 酵 溫 度 ： 是 指 最 適 于 某 種 生 產(chǎn) 菌 的 生 長或 產(chǎn) 物 合 成 的 溫 度 。 對 于 不 同 的 菌 種 、 不 同 的 培 養(yǎng) 條 件 、 不 同 的 酶促 反 應(yīng) 及 不 同 的 生 長 階 段 ， 最 適 溫 度 有 所 不 同 。 微 生 物 種 類 不

14、 同 ， 所 具 有 的 酶 系 及 其 性 質(zhì)不 同 ， 所 要 求 的 溫 度 范 圍 也 不 同 。 如 黑 曲 霉 生 長 溫 度 為 370C;谷 氨 酸 產(chǎn) 生 菌 棒狀 桿 菌 的 生 長 溫 度 為 30 320C;青 霉 菌 生 長 溫 度為 300C。1、 根 據(jù) 不 同 的 菌 種 選 擇 。 在 發(fā) 酵 前 期 ， 取 稍 高 的 溫 度 ， 促 使 菌 的 呼 吸 與 代 謝 ，使 菌 生 長 迅 速 ； 在 中 期 菌 量 已 達(dá) 到 合 成 產(chǎn) 物 的 最 適 量 ， 發(fā) 酵 需 要 延長 中 期 ， 從 而 提 高 產(chǎn) 量 ， 因 此 中 期 溫 度 要 稍 低

15、 一 些 ， 可以 推 遲 衰 老 。 因 為 在 稍 低 溫 度 下 氨 基 酸 合 成 蛋 白 質(zhì) 和 核酸 的 正 常 途 徑 關(guān) 閉 得 比 較 嚴(yán) 密 有 利 于 產(chǎn) 物 合 成 。 發(fā) 酵 后 期 ， 產(chǎn) 物 合 成 能 力 降 低 ， 延 長 發(fā) 酵 周 期 沒 有必 要 ， 就 又 提 高 溫 度 ， 刺 激 產(chǎn) 物 合 成 到 放 罐 。 如 四 環(huán) 素 生 長 階 段 280C， 合 成 期 260C， 后 期 再 升 溫 ；黑 曲 霉 生 長 37 0C， 產(chǎn) 糖 化 酶 32 340C。 但 也 有 的 菌 種 產(chǎn)物 形 成 比 生 長 溫 度 高 。 如 谷 氨 酸

16、產(chǎn) 生 菌 生 長 30 320C，產(chǎn) 酸 34 370C。 2、 根 據(jù) 生 長 階 段 選 擇 4、 最 適 溫 度 的 選 擇 還 要 考 慮 培 養(yǎng) 基 的 成 份 及 濃 度 。 例 如 在 紅 霉 素 發(fā) 酵 中 ， 可 用 玉 米 漿 或 黃 豆 粉 作 培養(yǎng) 基 ， 用 黃 豆 粉 作 培 養(yǎng) 基 時 ， 可 適 當(dāng) 提 高 培 養(yǎng) 溫 度。3、 最 適 溫 度 會 因 發(fā) 酵 條 件 不 同 而 變 化 。 比 如 在 通 氣 條 件 差 時 ， 最 適 的 發(fā) 酵 溫 度 可 能比 良 好 通 氣 條 件 下 低 一 些 ， 這 是 由 于 較 低 溫 度 下， 氧 溶 解

17、 度 大 ， 從 而 彌 補(bǔ) 了 通 氣 不 足 造 成 的 代 謝異 常 。5、 根 據(jù) 菌 生 長 情 況 菌 生 長 快 ， 維 持 在 較 高 溫 度 時 間 要 短 些 ； 菌 生長 慢 ， 維 持 較 高 溫 度 時 間 可 長 些 。 例 如 ， 在 四 環(huán) 素 的 發(fā) 酵 過 程 中 ， 采 用 變 溫控 制 ， 在 中 后 期 保 持 一 個 較 低 的 溫 度 以 延 長 抗生 素 分 泌 期 ， 放 罐 前 24小 時 提 高 2-3 ， 這 能使 最 后 24小 時 抗 生 素 產(chǎn) 量 提 高 50%。 青 霉 素 發(fā) 酵 ， 最 初 5小 時 維 持 30 ， 6-35小時 為 35 ， 36-85小 時 為 20 ， 最 后 40小 時 再升 到 25 這 樣 比 恒 溫 培 養(yǎng) 可 提 高 14.7%的 產(chǎn) 量 。 1 發(fā) 酵 熱 的 定 義2 生 物 熱 的 大 小 與 哪 些 因 素 有 關(guān) ？3 溫 度 對 發(fā) 酵 有 哪 些 影 響 ？4 發(fā) 酵 過 程 溫 度 的 選 擇 有 什 么 依 據(jù) ？思 考 題