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1、温度对发酵的影响及其控制温度对发酵的影响及其控制第1页，本讲稿共25页制作团队 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 叶强第2页，本讲稿共25页研究内容研究内容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第3页，本讲稿共25页 （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辐射第4页，本讲稿共25页 （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
2、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，而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、空气排气带走热量。罐壁散热、水分蒸发、空气排气带走热量。发酵热发酵热Q发酵发酵第5页，本讲稿共25页在发酵过程中，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（如产生的能量，其中一部分用于合成高能化合物（如ATP）提供细胞合）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
3、出来，这散发出来的热就叫生物热。散发出来的热就叫生物热。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第6页，本讲稿共25页 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，呼吸作用缓慢，产在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生热量较少。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，菌体菌体在对数生长期时，菌体繁殖迅速，呼吸
4、作用激烈，菌体也较多，所以产生的热量多，温度上升快，必须注意控制温也较多，所以产生的热量多，温度上升快，必须注意控制温度。度。（一）影响发酵温度（一）影响发酵温度的因素的因素第7页，本讲稿共25页培养后期，菌体已基本上停止繁殖，主要靠菌体内的酶系进培养后期，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，且逐渐减弱。行代谢作用，产生热量不多，温度变化不大，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，发酵不正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，此外培养基常。如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染菌
5、，此外培养基营养越丰富，生物热也越大。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第8页，本讲稿共25页 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
6、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焦耳焦耳第9页，本讲稿共25页 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量叫显热热。此外，排气也会带走部分热量叫显热Q显热显热，显热很小，一，显热很小，一般可以忽略不计。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第10页，本讲稿共25页发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分热通过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。
7、辐射热的大小取决于罐温与环境的温差。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，一般不超过发酵热的冬天大一些，夏天小一些，一般不超过发酵热的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 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第11页，本讲稿共25页 （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；一一方方面面，最最适适温温度度范范围围内内，生生长长速速率率随随温温度度的的上上升升而而增增加加，一一般般每每升升高高10，生生长长速速率率大大致致增增长长一一
8、倍倍。当当温温度度超超过过最最适适生生长长温温度度时时，生生长长速速率率随随温温度度增增加加而而迅迅速速下下降降。另另一一方方面，不同生长阶段的微生物对温度的反应不同。面，不同生长阶段的微生物对温度的反应不同。第12页，本讲稿共25页2、温度对产物形成的影响；、温度对产物形成的影响；从从酶酶反反应应动动力力学学来来看看，发发酵酵温温度度升升高高，酶酶反反应应速速率率增增大大，生生长长代代谢谢速速度度加加快快，但但酶酶本本身身容容易易过过热热而而失失活活，表表现现在在菌菌体体容容易衰老，发酵周期缩短，影响最终的产量。易衰老，发酵周期缩短，影响最终的产量。（二）温度对微生物发酵的影响（二）温度对微
9、生物发酵的影响第13页，本讲稿共25页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。（二）温度对微生物发酵的影响（二）温度对微生物发酵的影响第14页，本讲稿共25页（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分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。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 第15页，本讲稿共25页（三）（三）最适温度的选
10、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面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一定加以考虑。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合成。好，因适合菌体生长的温度不一定适合产物的合成。第16页，本讲稿共25页（三）（三）最适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、根据菌生长情况第17页，本讲稿共25页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
11、系及其性质不同，所要求的温度）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。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。第18页，本讲稿共25页（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少，发酵目的是要尽快达到大量的菌体，取稍高由于菌量少，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；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，
12、从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。因为而提高产量，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得比较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。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，就又提，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。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第19页，本讲稿共25页如四环素生长阶段280C，合成期260C后期再升温；黑曲霉生长
13、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第20页，本讲稿共25页 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，会使菌过早自溶。（三）（三）最适温度的选择最适温度的选择第21页，本讲稿共25页菌生长快，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
14、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第22页，本讲稿共25页（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%的产量第23页，本讲稿共25页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，从而影响生物体的生命温度直接影响酶的反应，从而影响生物体的生命活动。活动。同一菌种的生长和积累代谢产物的最适温度也往往同一菌种的生长和积累代谢产物的最适温度也往往不同。不同。总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适养条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。温度。第24页，本讲稿共25页致致 谢谢 感谢老师及在坐的各位同学的仔细聆 听，希望大家提出宝贵的建议。第25页，本讲稿共25页