091发酵过程温度控制
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
15
(4) 产生冷休克蛋白
低温微生物适应低温的另一机制是合成冷休克蛋白.
将大肠杆菌从370C突然转移到100C条件时细胞中会诱导合成
一组冷休克蛋白，它们对低温的生理适应过程中发挥着重要作 用，检测嗜冷酵母的冷休克反应，发现冷刺激后冷休克蛋白在 很短时间内大量产生。 耐冷菌由于生活在温度波动的环境中，它们必须忍受温度 的快速降低，这与它们产生的冷休克蛋白是密切相关的。
影响氧的溶解度。 影响菌对一些基质的分解吸收速率。（硫酸盐 ，25 ℃ 时吸收最小）
18
4、温度影响产物合成的方向
35℃ 金色链霉菌 30℃
四环素
金霉素
19
三、最适发酵温度的选择与控制 最适发酵温度：是指最适于某种生产菌的生长 或产物合成的温度。 对于不同的菌种、不同的培养条件、不同的酶 促反应及不同的生长阶段，最适温度有所不同。
16
2、温度对产物形成的影响
温度对参与繁殖、呼吸、产素的生物过程 的酶的影响是不同的。
青霉素生产菌最适生长温度为30℃，而 最适于产素的温度为20 ℃。
所以适合微生物生长的温度并不一定是适 合产物形成的温度，这一点对于发酵控制特别 重要。
17
3、温度影响发酵液的物理性质
温度不但影响微生物的各种反应速率，还通过 发酵液的物理性质间接地影响微生物的生物合成。
9
二、温度对微生物发酵的影响 1、温度对微生物生长的影响
不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们对温 度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于0～260C生长， 嗜温菌适应于15～430C生长，嗜热菌适应于37～650C生长， 嗜高温菌适应于650C以上生长
10
1、温度对微生物生长的影响
随着温度上升，微生物的生长和繁殖加快，但随 着温度的上升，酶失活的速度也加快，菌体衰老提前
2、发酵热的测定
通过生物合成热进行计算
Qt Q1 Q2 Q3
Q1 : 生物合成热 ， 可以通过化合物的燃烧 焓来进行估算 。 Q2 :机械搅拌热 ，Q 2 3600Pg ( kJ ); Pg 为搅拌轴功率 ， 为经验值 0.92 Q3 : 汽化热及由于温差罐壁 向周围散发的热 。 可近似计算 Q3 20% Q1
理条件下，膜中的脂质成分应保持液晶状态，只
有当细胞膜处于液晶状态，才能维持细胞的正常 生理功能，使细胞处于最佳生长状态 微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围 相一致。
12
什么是液晶状态？
液晶状态是指某些有机物在发生固相到液相转变 时的过渡状态称为液晶态。 由固态转变为液晶态的温度称为熔点，以T1表示； 由液晶态转变为液态的温度称为清亮点，以T2表示。 T1与T2之间的温度称为液晶温度范围。 那么为什么不同微生物对温度的要求不同呢？根 据细胞膜脂质成分分析表明，不同最适温度生长的微 生物，其膜内磷脂组成有很大区别。嗜热菌只含饱和 脂肪酸，而嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。
发酵后期，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。
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32～340C。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 30～320C， 产酸34～370C。 22
3、最适温度会因发酵条件不同而变化。 比如在通气条件差时，最适的发酵温度可能 比良好通气条件下低一些，这是由于较低温度下 ，氧溶解度大，从而弥补了通气不足造成的代谢 异常。
20
1、根据不同的菌种选择。
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。 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30～320C;青霉菌生长温度 为300C。
21
2、根据生长阶段选择
在发酵前期，取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢， 使菌生长迅速；
在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。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。
2
搅拌热：由于搅拌器的搅拌作用产生的热量。
Q搅拌 3600Pg kJ Pg : 搅拌功率， KW； : 功热转化率， 取0.92
蒸发热：液体蒸发带走的热量。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。 显热：空气带走的热量,显热很小，一般可以 忽略不计。 辐射热：罐壁向外散失的热量。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5％。 3
4
如谷氨酸发酵中主要物质的燃烧热为： 葡萄糖 159555.9KJ/Kg 谷氨酸 15449.3KJ/Kg 玉米浆 12309.2KJ/Kg 菌体 20934KJ/Kg 尿素 10634.5KJ/Kg
5
例如：某味精厂50M3发酵罐发酵过程测定 结果的主要物质变化如表：
发酵时间 糖
谷氨酸 尿素 菌体 玉米浆 －2.9 4.8 －2.4 6.0 －3.0
09
发酵过程控制Ⅰ
温度的中间控制
引起发酵温度变化的因素
温度对微生物发酵的影响 最适发酵温度酵热：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显 Q辐射
一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2和水 生物热：生产菌在生长繁殖过程中本身产生大量 的热，叫生物热。 好氧：产生287.2千焦耳热量， 影响生物热的因素： 183千焦耳转变为高能化合物 菌株；对营养物利用速率越大，产热越多。 104.2千焦以热的形式释放 培养基成份：成份越丰富，产热越多 厌氧：产生 22.6千焦耳热量， 发酵时期：对数生长期产热量大 9.6千焦耳转变为高能化合物 发酵类型：好氧发酵比厌氧发酵产热多。 13千焦以热的形式释放
0～6h －37
6～12h －30.3
5.9
12～18h －24.0
15.4 －6.0 1.2 －0.6
18～31h －41.7
23.9
6
发酵12～18小时的生物热为： Q生物＝24×159555.9＋0.6×12309.2＋ 6×10634.5－1.2×20934－15.4×15449.3 ＝191098.1KJ/M3 191098.1÷6＝31849.7 每小时的生物热为31849.7KJ/M3
7
通过发酵液的温度升高进行计算 在不采取任何冷却措施情况下，使罐温自 然上升，根据罐温变化的速率计算出发酵热。
Qt
m 、m
1 2
2 ( m1c1 m2 c2 )T VL
kJ /(m3h )
— 发酵液和发酵罐质量
c1、c
2
— 发酵液和罐材料比热
T — 30 min 内发酵液升高的温度
8
通过冷却水带走的热量进行计算
通冷却水控制恒温，根据冷却水进出口温度 差计算发酵热。在工厂里，可以通过测量冷却水 进出口的水温，再从水表上得知每小时冷却水流 量来计算发酵热。
Qt
W c(T2 T1 ) VL
kJ /(m3h )
W : 冷却水流量 c : 冷却水比热 T1 , T2 : 冷却水进 、 出口温度 VL :发酵液体积
，发酵周期缩短，这对发酵生产是极为不利的。
微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超过 最高温度，微生物很快死亡； 低于最低温度，微生物代谢受到很大抑制，并
不马上死亡。这就是菌种保藏的原理。
11
微生物与温度相关性的原理
(1) 微生物对温度的要求不同与它们的膜结构
物理化学性质有密切关系
根据细胞膜的液体镶嵌模型，细胞在正常生
13
(2)蛋白质结构 通过对嗜冷酶的蛋白质模型和x一射线衍 射分析表明，嗜冷酶分子间的作用力减弱， 与溶剂的作用加强，酶结构的柔韧性增加， 使酶在低温下容易被底物诱导产生催化作用
14
(3) 蛋白质合成 嗜冷菌具有在0℃合成蛋白质的能力。这 是由于其核糖体、酶类以及细胞中的可溶性 因子等对低温的适应，蛋白质翻译的错误率 最低。 许多中温菌不能在O0C合成蛋白质，一方 面是由于其核糖体对低温的不适应，翻译过 程中不能形成有效的起始复合物，另一方面 是由于低温下细胞膜的破坏导致氨基酸等内 容物的泄露。
4、最适温度的选择还要考虑培养基的成份及浓度。
例如在红霉素发酵中，可用玉米浆或黄豆粉作培 养基，用黄豆粉作培养基时，可适当提高培养温度 。
5、根据菌生长情况 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。
23
发酵过程温度控制生产事例
例如，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。
24
思考题 1 2 发酵热的定义 生物热的大小与哪些因素有关？
3
4
温度对发酵有哪些影响？
发酵过程温度的选择有什么依据？
25
(4) 产生冷休克蛋白
低温微生物适应低温的另一机制是合成冷休克蛋白.
将大肠杆菌从370C突然转移到100C条件时细胞中会诱导合成
一组冷休克蛋白，它们对低温的生理适应过程中发挥着重要作 用，检测嗜冷酵母的冷休克反应，发现冷刺激后冷休克蛋白在 很短时间内大量产生。 耐冷菌由于生活在温度波动的环境中，它们必须忍受温度 的快速降低，这与它们产生的冷休克蛋白是密切相关的。
影响氧的溶解度。 影响菌对一些基质的分解吸收速率。（硫酸盐 ，25 ℃ 时吸收最小）
18
4、温度影响产物合成的方向
35℃ 金色链霉菌 30℃
四环素
金霉素
19
三、最适发酵温度的选择与控制 最适发酵温度：是指最适于某种生产菌的生长 或产物合成的温度。 对于不同的菌种、不同的培养条件、不同的酶 促反应及不同的生长阶段，最适温度有所不同。
16
2、温度对产物形成的影响
温度对参与繁殖、呼吸、产素的生物过程 的酶的影响是不同的。
青霉素生产菌最适生长温度为30℃，而 最适于产素的温度为20 ℃。
所以适合微生物生长的温度并不一定是适 合产物形成的温度，这一点对于发酵控制特别 重要。
17
3、温度影响发酵液的物理性质
温度不但影响微生物的各种反应速率，还通过 发酵液的物理性质间接地影响微生物的生物合成。
9
二、温度对微生物发酵的影响 1、温度对微生物生长的影响
不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们对温 度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于0～260C生长， 嗜温菌适应于15～430C生长，嗜热菌适应于37～650C生长， 嗜高温菌适应于650C以上生长
10
1、温度对微生物生长的影响
随着温度上升，微生物的生长和繁殖加快，但随 着温度的上升，酶失活的速度也加快，菌体衰老提前
2、发酵热的测定
通过生物合成热进行计算
Qt Q1 Q2 Q3
Q1 : 生物合成热 ， 可以通过化合物的燃烧 焓来进行估算 。 Q2 :机械搅拌热 ，Q 2 3600Pg ( kJ ); Pg 为搅拌轴功率 ， 为经验值 0.92 Q3 : 汽化热及由于温差罐壁 向周围散发的热 。 可近似计算 Q3 20% Q1
理条件下，膜中的脂质成分应保持液晶状态，只
有当细胞膜处于液晶状态，才能维持细胞的正常 生理功能，使细胞处于最佳生长状态 微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围 相一致。
12
什么是液晶状态？
液晶状态是指某些有机物在发生固相到液相转变 时的过渡状态称为液晶态。 由固态转变为液晶态的温度称为熔点，以T1表示； 由液晶态转变为液态的温度称为清亮点，以T2表示。 T1与T2之间的温度称为液晶温度范围。 那么为什么不同微生物对温度的要求不同呢？根 据细胞膜脂质成分分析表明，不同最适温度生长的微 生物，其膜内磷脂组成有很大区别。嗜热菌只含饱和 脂肪酸，而嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。
发酵后期，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。
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32～340C。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 30～320C， 产酸34～370C。 22
3、最适温度会因发酵条件不同而变化。 比如在通气条件差时，最适的发酵温度可能 比良好通气条件下低一些，这是由于较低温度下 ，氧溶解度大，从而弥补了通气不足造成的代谢 异常。
20
1、根据不同的菌种选择。
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。 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30～320C;青霉菌生长温度 为300C。
21
2、根据生长阶段选择
在发酵前期，取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢， 使菌生长迅速；
在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。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。
2
搅拌热：由于搅拌器的搅拌作用产生的热量。
Q搅拌 3600Pg kJ Pg : 搅拌功率， KW； : 功热转化率， 取0.92
蒸发热：液体蒸发带走的热量。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。 显热：空气带走的热量,显热很小，一般可以 忽略不计。 辐射热：罐壁向外散失的热量。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5％。 3
4
如谷氨酸发酵中主要物质的燃烧热为： 葡萄糖 159555.9KJ/Kg 谷氨酸 15449.3KJ/Kg 玉米浆 12309.2KJ/Kg 菌体 20934KJ/Kg 尿素 10634.5KJ/Kg
5
例如：某味精厂50M3发酵罐发酵过程测定 结果的主要物质变化如表：
发酵时间 糖
谷氨酸 尿素 菌体 玉米浆 －2.9 4.8 －2.4 6.0 －3.0
09
发酵过程控制Ⅰ
温度的中间控制
引起发酵温度变化的因素
温度对微生物发酵的影响 最适发酵温度酵热：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显 Q辐射
一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2和水 生物热：生产菌在生长繁殖过程中本身产生大量 的热，叫生物热。 好氧：产生287.2千焦耳热量， 影响生物热的因素： 183千焦耳转变为高能化合物 菌株；对营养物利用速率越大，产热越多。 104.2千焦以热的形式释放 培养基成份：成份越丰富，产热越多 厌氧：产生 22.6千焦耳热量， 发酵时期：对数生长期产热量大 9.6千焦耳转变为高能化合物 发酵类型：好氧发酵比厌氧发酵产热多。 13千焦以热的形式释放
0～6h －37
6～12h －30.3
5.9
12～18h －24.0
15.4 －6.0 1.2 －0.6
18～31h －41.7
23.9
6
发酵12～18小时的生物热为： Q生物＝24×159555.9＋0.6×12309.2＋ 6×10634.5－1.2×20934－15.4×15449.3 ＝191098.1KJ/M3 191098.1÷6＝31849.7 每小时的生物热为31849.7KJ/M3
7
通过发酵液的温度升高进行计算 在不采取任何冷却措施情况下，使罐温自 然上升，根据罐温变化的速率计算出发酵热。
Qt
m 、m
1 2
2 ( m1c1 m2 c2 )T VL
kJ /(m3h )
— 发酵液和发酵罐质量
c1、c
2
— 发酵液和罐材料比热
T — 30 min 内发酵液升高的温度
8
通过冷却水带走的热量进行计算
通冷却水控制恒温，根据冷却水进出口温度 差计算发酵热。在工厂里，可以通过测量冷却水 进出口的水温，再从水表上得知每小时冷却水流 量来计算发酵热。
Qt
W c(T2 T1 ) VL
kJ /(m3h )
W : 冷却水流量 c : 冷却水比热 T1 , T2 : 冷却水进 、 出口温度 VL :发酵液体积
，发酵周期缩短，这对发酵生产是极为不利的。
微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超过 最高温度，微生物很快死亡； 低于最低温度，微生物代谢受到很大抑制，并
不马上死亡。这就是菌种保藏的原理。
11
微生物与温度相关性的原理
(1) 微生物对温度的要求不同与它们的膜结构
物理化学性质有密切关系
根据细胞膜的液体镶嵌模型，细胞在正常生
13
(2)蛋白质结构 通过对嗜冷酶的蛋白质模型和x一射线衍 射分析表明，嗜冷酶分子间的作用力减弱， 与溶剂的作用加强，酶结构的柔韧性增加， 使酶在低温下容易被底物诱导产生催化作用
14
(3) 蛋白质合成 嗜冷菌具有在0℃合成蛋白质的能力。这 是由于其核糖体、酶类以及细胞中的可溶性 因子等对低温的适应，蛋白质翻译的错误率 最低。 许多中温菌不能在O0C合成蛋白质，一方 面是由于其核糖体对低温的不适应，翻译过 程中不能形成有效的起始复合物，另一方面 是由于低温下细胞膜的破坏导致氨基酸等内 容物的泄露。
4、最适温度的选择还要考虑培养基的成份及浓度。
例如在红霉素发酵中，可用玉米浆或黄豆粉作培 养基，用黄豆粉作培养基时，可适当提高培养温度 。
5、根据菌生长情况 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。
23
发酵过程温度控制生产事例
例如，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。
24
思考题 1 2 发酵热的定义 生物热的大小与哪些因素有关？
3
4
温度对发酵有哪些影响？
发酵过程温度的选择有什么依据？
25