发酵工艺控制——温度对发酵的影响及控制

来源：青岛海博《微生物工程》

---

      微生物发酵生产的水平最基本的是取决于生产菌种的性能，但有了优良的菌种还需要有最佳的环境条件即发酵工艺加以配合，才能使其生产能力充分。因此必须研究生产菌种的最佳发酵工艺条件，如营养要求、培养温度、对氧的需求等，据此设计合理的发酵工艺，使生产菌种处于最佳成长条件下，才能取得优质高产的效果。 温度对发酵的影响及控制 温度对发酵的影响及其调节控制是影响有机体生长繁殖最重要的因素之一，因为任何生物化学的酶促反应与温度变化有关的。温度对发酵的影响是多方面且错综复杂的，主要表现在对细胞生长、产物合成、发酵液的物理性质和生物合成方向等方面。   一、温度对发酵的影响 （一）、温度影响微生物细胞生长     随着温度的上升，细胞的生长繁殖加快。这是由于生长代谢以及繁殖都是酶参加的。根据酶促反应的动力学来看，温度升高，反应速度加快，呼吸强度增加，最终导致细胞生长繁殖加快。但随着温度的上升，酶失活的速度也越大，使衰老提前，发酵周期缩短，这对发酵生产是极为不利的。 （二）、温度影响产物的生成量。 （三）、温度影响生物合成的方向。例如，在四环类抗生素发酵中，金色链丝菌能同时产生四环素和金霉素，在30℃时，它合成金霉素的能力较强。随着温度的提高，合成四环素的比例提高。当温度超过35℃时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。 （四）、温度影响发酵液的物理性质 温度除了影响发酵过程中各种反应速率外，还可以通过改变发酵液的物理性质间接影响微生物的生物合成。例如，温度对氧在发酵液中的溶解度就有很大响，随着温度的升高，气体在溶液中的溶解度减小，氧的传递速率也会改变。另外温度还影响基质的分解速率，例如，菌体对硫酸盐的吸收在25℃时最小。   二、影响发酵温度变化的因素： 发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。        Q_发酵=Q_生物+Q_搅拌-Q_蒸发-Q_辐射 1、 生物热 是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。生物热主要是培养基中碳水化合物、脂肪、蛋白质等物质被分解为CO₂、NH₃时释放出的大量能量。主要用于合成高能化合物，      供微生物生命代谢活动及热能散发。菌体在生长繁殖过程中，释放出大量热量。 生物热的大小与菌种遗传特性、菌龄有关，还与营养基质有关。在相同条件下，培养基成分越丰富，产生的生物热也就越大。 2、 搅拌热 通风发酵都有大功率搅拌，搅拌的机械运动造成液体之间，液体与设备之间的摩擦而产生的热。       Q_搅拌=3600（P/V）       3600：热功当量（kJ/（kW.h））      （P/V）：通气条件下单位体积发酵液所消耗的功率（ kW/m³） 3、 蒸发热 通入发酵罐的空气，其温度和湿度随季节及控制条件的不同而有所变化。空气进入发酵罐后，就和发酵液广泛接触进行热交换。同时必然会引起水分的蒸发；蒸发所需的热量即为蒸发热。 蒸发热的计算： Q_蒸发=G（I₂-I₁）， G：空气流量，按干重计算，kg/h；                I₁、I₂：进出发酵罐的空气的热焓量，J/kg（干空气） 4、 辐射热 由于发酵罐内外温度差，通过罐体向外辐射的热量。辐射热可通过罐内外的温差求得，一般不超过发酵热的5%。辐射热的大小取决于罐内外的温差，受环境温度变化的影响，冬天影响大一些，夏季影响小些。 5、显热 （Q显） 排出气体所带的热。   三、发酵热的测定 ①通过测量一定时间冷却水的流量和冷却水的进、出口温度，由下式计算出发酵热： Q发酵=G.C_W.（t₂-t₁）/V 式中  G——冷却水的流量(kg/h)；C_W——水的比热[kJ／(kg•℃)]； t₂ t₁——分别为冷却水的进、出口温度(℃)；    V--发酵液的体积(m³)。 ②通过发酵罐温度的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自动控制装置,测定温度随时间上升的速率，按下式计算发酵热 Q发酵=(M_lC_l+M₂c₂).S M_l一系统中发酵液的质量(kg)；M₂一发酵罐的质量(kg)； C_l—发酵液的比热[kJ／(kg•℃)]；C₂—发酵罐材料的比热[kJ／(kg•℃))； S—温度上升速率(℃／h)。   四、最适温度的选择与发酵温度的控制 （一）温度的选择 最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最适于菌的生长或发酵产物的生成。选择最适温度应该考虑微生物生长的最适温度和产物合成的最适温度。最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和菌体生长阶段有关。   在抗生素发酵中，细胞生长和代谢产物积累的最适温度往往不同。例如，青霉素产生菌生长的最适温度为30℃，但产生青霉素的最适温度是24．7℃。至于何时应该选择何种温度，则要看当时生长与生物合成哪一个是主要方面。在生长初期，抗生素还未开始合成，菌丝体浓度很低时，以促进菌丝体迅速生长繁殖为目的时，应该选择最适于菌丝体生长的温度。当菌丝体浓度达到一定程度，到了抗生素分泌期时，此时生物合成成为主要方面，就应该满足生物合成的最适温度，这样才能促进抗生素的大量合成。在乳酸发酵中也有这种情况，乳酸链球菌的最适生长温度是34℃，而产酸的最适温度不超过30℃。因此需要在不同的发酵阶段选择不同的最适温度。   最适发酵温度的选择实际上是相对的，还应根据其他发酵条件进行合理地调整，需要考虑的因素包括菌种、培养基成分和浓度、菌体生长阶段和培养条件等。例如，溶解氧浓度是受温度影响的，其溶解度随温度的下降而增加。因此当通气条件较差时，可以适当降低温度以增加溶解氧浓度。在较低的温度下，既可使氧的溶解度相应大一些，又能降低菌体的生长速率，减少氧的消耗量，这样可以弥补较差的通气条件造成的代谢异常。最适温度的选择还应考虑培养基成分和浓度的不同，在使用浓度较稀或较易利用的培养基时，过高的培养温度会使营养物质过早耗竭，而导致菌体过早自溶，使产物合成提前终止，产量下降。例如，玉米浆比黄豆饼粉更容易利用，因此在红霉素发酵中，提高发酵温度使用玉米浆培养基的效果就不如黄豆饼粉培养基的好，提高温度有利于菌体对黄豆饼粉的利用。   因此，在各种微生物的培养过程中，各个发酵阶段的最适温度的选择是从各方面综合进行考虑确定的。例如，在四环素发酵中，采用变温控制，在中后期保持较低的温度，以延长抗生素分泌期，放罐前24h提高2—3℃培养，能使最后24h的发酵单位提高50％以上。又如，青霉素发酵最初5h维持30℃，6-35h为25℃，36--85h为20℃，最后40h再升到25℃。采用这种变温培养比25℃恒温培养的青霉素产量提高14．7％。     工业上使用大体积发酵罐的发酵过程，一般不须要加热，因为释放的发酵热常常超过微生物的最适培养温度，所以需要冷却的情况较多。 （二）、温度的控制   发酵罐：夹套（10M³以下）；盘管（蛇管）（10M³以上）。