第八章发酵过程控制

发酵工程控制
❖ 温度变化及其控制
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。
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❖ 温度变化及其控制
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。
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❖ 温度变化及其控制
二、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。
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❖ 温度变化及其控制
2、蛋白质结构
人们采用二种方案来研究酶在低温条件下的结 构完整性和催化功能：(1)通过自然或诱导突变， 将特定残基发生改变的蛋白与其天然结构进行 对比；(2)对比同属嗜热、嗜温及嗜冷菌的蛋白 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
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❖ 温度变化及其控制 第五节 温度变化及其控制
一、温度对生长的影响
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
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❖ 温度变化及其控制
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❖ 温度变化及其控制
4、合成冷休克蛋白
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。
四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和 四环素，当温度低于300C时，这种菌合成金 霉素能力较强；温度提高，合成四环素的比 例也提高，温度达到350C时，金霉素的合成 几乎停止，只产生四环素。
温度还影响基质溶解度，氧在发酵液中的溶 解度也影响菌对某些基质的分解吸收。因此 对发酵过程中的温度要严格控制。
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❖ 温度变化及其控制 （二）最适温度的选择
1、根据菌种及生长阶段选择
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。
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❖ 温度变化及其控制 根据生长阶段选择
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❖ 温度变化及其控制 变温培养的正交设计
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❖ 温度变化及其控制
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❖ 温度变化及其控制
每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温 度、最低温度来表征。在最适温度下，微生物生 长迅速；超过最高温度微生物即受到抑制或死亡； 在最低温度范围内微生物尚能生长，但生长速度 非常缓慢，世代时间无限延长。在最低和最高温 度之间，微生物的生长速率随温度升高而增加， 超过最适温度后，随温度升高，生长速率下降， 最后停止生长，引起死亡。
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❖ 温度变化及其控制 根据生长阶段选择温度 例：林可霉素发酵的变温培养 问题的提出
接种后10h左右已进入对数生长期，随后是10h左 右的加速生长期，在40h左右对数生长期基本完成， 在50h左右转入生产期
主要问题：
如何维持适度的菌体浓度和延长分泌期？
适当降低培养温度可以延缓菌体的衰老和维持相 当数量的有强生产能力的菌丝体存在
在发酵前期由于菌量少，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。
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。最适温度选择要根据菌种与发酵 阶段做试验。
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❖ 温度变化及其控制 二、温度的影响与控制
（一）温度对发酵的影响 1、温度影响反应速率
发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反应有 一个最适温度。
从阿累尼乌斯方程式可以看到 dlnKr/dt=E/RT2
积分得 E= 4.6logKr2 / Kr1
1/T1 1/T2
E——活化能
Kr——速率常数
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❖ 温度变化及其控制
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。
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❖ 温度变化及其控制
4 .61
lg
K r2
E
Leabharlann Baidu
K r1
11
TT
1
2
K与温度有关
E越大温度变化对 K的影响越大
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❖ 温度变化及其控制
温度对菌的生长、产物合成的影响可能是不同的
青 霉 素
120C～300C
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❖ 温度变化及其控制
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❖ 温度变化及其控制
2、温度影响发酵方向