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1、第七章温度对发酵的影响及控制本讲稿第一页，共二十四页温度对发酵的影响温度对发酵的影响影响发酵温度变化的因素影响发酵温度变化的因素温度的控制温度的控制本节内容本节内容本讲稿第二页，共二十四页1 1 温度对发酵的影响温度对发酵的影响微生物的生长繁殖及合成代谢产物都需要微生物的生长繁殖及合成代谢产物都需要在合适的温度下才能进行在合适的温度下才能进行温度的变化影响各种酶反应的速率和蛋白温度的变化影响各种酶反应的速率和蛋白质的性质质的性质温度对菌体生长的酶反应和代谢产物合温度对菌体生长的酶反应和代谢产物合成的酶反应的影响往往是不同的成的酶反应的影响往往是不同的温度能改变菌体合成代谢产物的方向温度能改变菌
2、体合成代谢产物的方向本讲稿第三页，共二十四页温度变化影响多组分次级代谢产物的组分温度变化影响多组分次级代谢产物的组分比例比例温度能影响微生物的代谢调控机制温度能影响微生物的代谢调控机制温度的变化影响发酵液的物理性质温度的变化影响发酵液的物理性质本讲稿第四页，共二十四页发酵液的黏度、基质和氧在发酵液中的溶解发酵液的黏度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率、某些基质的分解吸收速率等，度和传递速率、某些基质的分解吸收速率等，都受温度变化的影响，进而影响发酵动力学都受温度变化的影响，进而影响发酵动力学特性和产物的生物合成。特性和产物的生物合成。本讲稿第五页，共二十四页本讲稿第六页，共二十四页2 2
3、影响发酵温度变化的因素影响发酵温度变化的因素温度的变化是发酵过程热能产生和散失的温度的变化是发酵过程热能产生和散失的综合效应。综合效应。产热的因素有生物热产热的因素有生物热Q Q生物生物、搅拌热、搅拌热Q Q搅拌搅拌散热的因素有：蒸发热散热的因素有：蒸发热Q Q蒸发蒸发、辐射热、辐射热Q Q辐辐射射、显热、显热Q Q显热显热Q Q发酵发酵=Q=Q生物生物 +Q+Q搅拌搅拌-Q-Q蒸发蒸发-Q Q显热显热-Q Q辐射辐射为了使发酵能在一定温度下进行，要设法进行控制。为了使发酵能在一定温度下进行，要设法进行控制。本讲稿第七页，共二十四页生物热生物热产生菌在生长繁殖过程中产生的热能产生菌在生长繁殖过
4、程中产生的热能生物热的大小随菌种和培养基成分的不同生物热的大小随菌种和培养基成分的不同而变化而变化生物热的大小还随培养时间的不同而不同。生物热的大小还随培养时间的不同而不同。在对数生长期释放的热量最大在对数生长期释放的热量最大生物热的大小与菌体的呼吸强度有对应的生物热的大小与菌体的呼吸强度有对应的关系关系本讲稿第八页，共二十四页用途：合成高能化合物，用途：合成高能化合物，供微生物生命代谢活动供微生物生命代谢活动 热能散发热能散发影响生物热的因素：生物热随菌株，培影响生物热的因素：生物热随菌株，培养基，发酵时期的不同而不同。生物热养基，发酵时期的不同而不同。生物热的大小还与菌体的呼吸强度有对应关
5、系。的大小还与菌体的呼吸强度有对应关系。本讲稿第九页，共二十四页实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低产量批号的生物热。说明抗生素合成时微生产量批号的生物热。说明抗生素合成时微生物的新陈代谢十分旺盛。物的新陈代谢十分旺盛。1 1、抗生素相对活性为、抗生素相对活性为1 12 2、抗生素相对活性为、抗生素相对活性为0.50.5发酵过程中生物热的变化发酵过程中生物热的变化本讲稿第十页，共二十四页在四环素发酵中，还发现生物热和菌的呼吸强度的变化有对在四环素发酵中，还发现生物热和菌的呼吸强度的变化有对应关系，特别是在应关系，特别是在8080小时以前。从此实验中还可看
6、到，当产小时以前。从此实验中还可看到，当产生的生物热达到高峰时，糖的利用速度也最大。另外也有人生的生物热达到高峰时，糖的利用速度也最大。另外也有人提出，可从菌体的耗氧率来衡量生物热的大小。提出，可从菌体的耗氧率来衡量生物热的大小。四环素生物合成过程中系列参数的动态变化过程四环素生物合成过程中系列参数的动态变化过程1 1：效价；：效价；2 2：呼吸强度；：呼吸强度；3 3：生物热；：生物热；4 4：糖浓度：糖浓度本讲稿第十一页，共二十四页搅拌热搅拌热搅拌器转动引起的液体之间和液体与设搅拌器转动引起的液体之间和液体与设备之间的磨擦所产生的热量备之间的磨擦所产生的热量Q Q搅拌搅拌=（P/VP/V）
7、36003600近似计算近似计算 36003600：热功当量（：热功当量（kJ/kJ/（kW.hkW.h）（P/VP/V）：通气条件下单位体积发酵液所）：通气条件下单位体积发酵液所消耗的功率（消耗的功率（kW/mkW/m3 3）本讲稿第十二页，共二十四页蒸发热蒸发热空气进入发酵罐与发酵液广泛接触后，引空气进入发酵罐与发酵液广泛接触后，引起水分蒸发所需的热能，即为蒸发热。起水分蒸发所需的热能，即为蒸发热。蒸发热的计算：蒸发热的计算：Q Q蒸发蒸发=G G（I I2 2-I I1 1）G G：空气流量，按干重计算，空气流量，按干重计算，kg/hkg/h I I1 1 、I I2 2 ：进出发酵罐的
8、空气的热焓量，进出发酵罐的空气的热焓量，J/kgJ/kg（干空气）（干空气）本讲稿第十三页，共二十四页Q显水的蒸汽热和废气因温度差异排放时水的蒸汽热和废气因温度差异排放时所带走的热量所带走的热量本讲稿第十四页，共二十四页辐射热辐射热由于罐外壁和大气间的温度差异而使发酵液中的部分由于罐外壁和大气间的温度差异而使发酵液中的部分热量能通过罐体向大气辐射，此部分热量即为辐射热热量能通过罐体向大气辐射，此部分热量即为辐射热取决于管内温度与外界气温的差值，差值越大，取决于管内温度与外界气温的差值，差值越大，散热越多。散热越多。辐射热可通过罐内外的温差求得，一般不超过发酵热辐射热可通过罐内外的温差求得，一般
9、不超过发酵热的的5%。本讲稿第十五页，共二十四页发酵热发酵热发酵热：发酵热：Q Q发酵发酵=Q=Q生物生物+Q+Q搅拌搅拌-Q-Q蒸发蒸发-Q-Q显显-Q-Q辐射辐射由于由于Q Q生物生物、Q Q蒸发蒸发、Q Q显热显热，在发酵过程中，在发酵过程中是随时间变化的，因此发酵热在整个发是随时间变化的，因此发酵热在整个发酵过程中也随时间变化，引起发酵温度酵过程中也随时间变化，引起发酵温度的波动。的波动。本讲稿第十六页，共二十四页3 3 温度的控制温度的控制最适温度的选择最适温度的选择温度的控制温度的控制本讲稿第十七页，共二十四页温度变化的一般规律与控制的一般原则温度变化的一般规律与控制的一般原则接种
10、后发酵温度有下降趋势，此时可适当升高温度，接种后发酵温度有下降趋势，此时可适当升高温度，以利于孢子萌发和菌体的生长繁殖；以利于孢子萌发和菌体的生长繁殖；待发酵液温度开始上升后，应保持在菌体的最适生长温待发酵液温度开始上升后，应保持在菌体的最适生长温度；度；到主发酵旺盛阶段，温度应控制在比最适生长温度到主发酵旺盛阶段，温度应控制在比最适生长温度低些，即代谢产物合成的最适温度；低些，即代谢产物合成的最适温度；到发酵后期，温度下降，此时适当升温可提高产量。到发酵后期，温度下降，此时适当升温可提高产量。选择是相对的，要考虑培养基成分、浓度；溶氧（温升选择是相对的，要考虑培养基成分、浓度；溶氧（温升氧降
11、）；生长阶段；培养条件等。氧降）；生长阶段；培养条件等。本讲稿第十八页，共二十四页最适温度的选择最适温度的选择最适发酵温度是指既适合菌体的生长又适最适发酵温度是指既适合菌体的生长又适合代谢产物合成的温度合代谢产物合成的温度菌体生长的最适温度和产物合成的最适温菌体生长的最适温度和产物合成的最适温度往往是不一致的度往往是不一致的最适发酵温度随菌种、培养基成分、培养最适发酵温度随菌种、培养基成分、培养条件、菌体生长阶段而改变条件、菌体生长阶段而改变发酵温度的确定，从理论上讲整个发酵过发酵温度的确定，从理论上讲整个发酵过程中不应只选一个培养温度程中不应只选一个培养温度本讲稿第十九页，共二十四页最适生长
12、温度最适生长温度与与最适生产温度最适生产温度往往是不一致往往是不一致的，可采用的，可采用变温发酵变温发酵。本讲稿第二十页，共二十四页最适温度分最适生长温度和最适产物合成温度，两者最适温度分最适生长温度和最适产物合成温度，两者往往不同，各阶段可用不同温度。往往不同，各阶段可用不同温度。如：青霉素分别为：如：青霉素分别为：30 30和和 24.7 24.7。青霉素发酵的温度控制青霉素发酵的温度控制0-5h0-5h：30C30C6-35h6-35h：25C25C36-85h36-85h：20C20C86-125h86-125h：25C25C0 5358512530252025本讲稿第二十一页，共二十
13、四页在生长阶段，应选择最适生长温度；在生长阶段，应选择最适生长温度；在产物分泌阶段，应选择最适生产温度。在产物分泌阶段，应选择最适生产温度。发酵温度可根据不同菌种、不同产品进行发酵温度可根据不同菌种、不同产品进行选择。选择。总结总结本讲稿第二十二页，共二十四页温度的控制温度的控制工业生产中，因发酵中释放了大量的发酵工业生产中，因发酵中释放了大量的发酵热，需要冷却的情况较多热，需要冷却的情况较多利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇行管中，通过热水通入发酵罐的夹层或蛇行管中，通过热交换来降温，保持恒温发酵。交换来降温，保持恒温发酵。本讲稿第二十三页，共二十四页v如果气温较高（特别是我国南方的夏季气如果气温较高（特别是我国南方的夏季气温），冷却水的温度又高，致使冷却效果温），冷却水的温度又高，致使冷却效果很差，达不到预定的温度，就很差，达不到预定的温度，就可采用冷冻可采用冷冻盐水进行循环式降温，盐水进行循环式降温，以迅速降到最适温以迅速降到最适温度。因此大工厂需要建立冷冻站，提高冷度。因此大工厂需要建立冷冻站，提高冷却能力，以保证在正常温度下进行发酵。却能力，以保证在正常温度下进行发酵。本讲稿第二十四页，共二十四页