1、1 1 溫度對發酵的影響及其控制溫度對發酵的影響及其控制 不同微生物的生長對溫度的要求不同，根據它們不同微生物的生長對溫度的要求不同，根據它們對溫度的要求大致可分為四類：嗜冷菌適應于對溫度的要求大致可分為四類：嗜冷菌適應于0260C生長，嗜溫菌適應于生長，嗜溫菌適應于15430C生長，嗜熱菌適應于生長，嗜熱菌適應于37650C生長，嗜高溫菌適應于生長，嗜高溫菌適應于650C以上生長以上生長 每種微生物對溫度的要求可用每種微生物對溫度的要求可用最適溫度、最高溫度、最適溫度、最高溫度、最低溫度最低溫度來表征。在最適溫度下，微生物生長迅速；超來表征。在最適溫度下，微生物生長迅速；超過最高溫度微生物即

2、受到抑制或死亡；在最低溫度范圍過最高溫度微生物即受到抑制或死亡；在最低溫度范圍內微生物尚能生長，但生長速度非常緩慢，世代時間無內微生物尚能生長，但生長速度非常緩慢，世代時間無限延長。在最低和最高溫度之間，微生物的生長速率隨限延長。在最低和最高溫度之間，微生物的生長速率隨溫度升高而增加，超過最適溫度后，隨溫度升高，生長溫度升高而增加，超過最適溫度后，隨溫度升高，生長速率下降，最后停止生長，引起死亡。速率下降，最后停止生長，引起死亡。 微生物受高溫的傷害比低溫的傷害大，即超過最高微生物受高溫的傷害比低溫的傷害大，即超過最高溫度，微生物很快死亡；低于最低溫度，微生物代謝溫度，微生物很快死亡；低于最低

3、溫度，微生物代謝受到很大抑制，并不馬上死亡。這就是菌種保藏的原受到很大抑制，并不馬上死亡。這就是菌種保藏的原理。理。1.1.3 1.1.3 溫度影響發酵方向溫度影響發酵方向四環素產生菌金色鏈霉菌同時產生金霉素和四環素，當四環素產生菌金色鏈霉菌同時產生金霉素和四環素，當溫度低于溫度低于300C時，這種菌合成金霉素能力較強；溫度提時，這種菌合成金霉素能力較強；溫度提高，合成四環素的比例也提高，溫度達到高，合成四環素的比例也提高，溫度達到350C時，金霉時，金霉素的合成幾乎停止，只產生四環素。素的合成幾乎停止，只產生四環素。溫度還影響氧在基質中的溶解度，氧在發酵液中的溶解溫度還影響氧在基質中的溶解度

4、，氧在發酵液中的溶解度也影響菌對某些基質的分解吸收。因此對發酵過程中度也影響菌對某些基質的分解吸收。因此對發酵過程中的溫度要嚴格控制。的溫度要嚴格控制。1.2 最適溫度的選擇最適溫度的選擇1.2.1 1.2.1 根據菌種及生長階段選擇根據菌種及生長階段選擇微生物種類不同，所具有的酶系及其性質不同，所要微生物種類不同，所具有的酶系及其性質不同，所要求的溫度范圍也不同。求的溫度范圍也不同。如黑曲霉生長溫度為如黑曲霉生長溫度為370C，谷氨酸產生菌棒狀桿菌的生長溫度為谷氨酸產生菌棒狀桿菌的生長溫度為30320C，青霉菌生長溫度為青霉菌生長溫度為300C。在發酵前期由于菌量少，發酵目的是要盡快達到大量

5、的菌在發酵前期由于菌量少，發酵目的是要盡快達到大量的菌體，體，取稍高的溫度取稍高的溫度，促使菌的呼吸與代謝，使菌生長迅速；，促使菌的呼吸與代謝，使菌生長迅速；在中期菌量已達到合成產物的最適量，發酵需要延長中期，在中期菌量已達到合成產物的最適量，發酵需要延長中期，從而提高產量，因此從而提高產量，因此中期溫度要稍低一些中期溫度要稍低一些，可以推遲衰老。，可以推遲衰老。因為在稍低溫度下氨基酸合成蛋白質和核酸的正常途徑關因為在稍低溫度下氨基酸合成蛋白質和核酸的正常途徑關閉得比較嚴密有利于產物合成。閉得比較嚴密有利于產物合成。發酵后期，產物合成能力降低，延長發酵周期沒有必要，發酵后期，產物合成能力降低，

6、延長發酵周期沒有必要，就又提高溫度，刺激產物合成到放罐就又提高溫度，刺激產物合成到放罐。1.2.2 1.2.2 根據培養條件選擇根據培養條件選擇溫度選擇還要根據培養條件綜合考慮，靈活選擇。溫度選擇還要根據培養條件綜合考慮，靈活選擇。通氣條件差通氣條件差時可適當降低溫度，使菌呼吸速率降低時可適當降低溫度，使菌呼吸速率降低些，溶氧濃度也可髙些。些，溶氧濃度也可髙些。培養基培養基稀薄稀薄時，溫度也該低些。因為溫度高營養利時，溫度也該低些。因為溫度高營養利用快，會使菌過早自溶。用快，會使菌過早自溶。1.2.3 1.2.3 根據菌生長情況根據菌生長情況菌生長快，維持在較高溫度時間要短些；菌生長菌生長快，

7、維持在較高溫度時間要短些；菌生長慢，維持較高溫度時間可長些。慢，維持較高溫度時間可長些。總的來說，溫度的選擇根據菌種生長階段及培養總的來說，溫度的選擇根據菌種生長階段及培養條件綜合考慮。要通過反復實踐來定出最適溫度。條件綜合考慮。要通過反復實踐來定出最適溫度。1.3 引起發酵過程溫度變化的因素引起發酵過程溫度變化的因素發酵熱發酵熱Q Q發酵發酵發酵熱是引起發酵過程溫度變化的原因。發酵熱是引起發酵過程溫度變化的原因。所謂發酵熱就是發酵過程中釋放出來的所謂發酵熱就是發酵過程中釋放出來的凈熱量。凈熱量。在發酵過程中產生菌分解基質產生熱量，機械攪拌在發酵過程中產生菌分解基質產生熱量，機械攪拌產生熱量，

8、而罐壁散熱、水分蒸發、空氣排氣帶走產生熱量，而罐壁散熱、水分蒸發、空氣排氣帶走熱量。這各種產生的熱量和各種散失的熱量的代數熱量。這各種產生的熱量和各種散失的熱量的代數和就叫做凈熱量。和就叫做凈熱量。Q發酵發酵Q生物生物Q攪拌攪拌Q蒸發蒸發Q輻射輻射 生物熱生物熱Q Q生物生物在發酵過程中，菌體不斷利用培養基中的營養物質，在發酵過程中，菌體不斷利用培養基中的營養物質，將其分解氧化而產生的能量，其中一部分用于合成高將其分解氧化而產生的能量，其中一部分用于合成高能化合物（如能化合物（如ATPATP）提供細胞合成和代謝產物合成需）提供細胞合成和代謝產物合成需要的能量，其余部分以熱的形式散發出來，這散發

9、出要的能量，其余部分以熱的形式散發出來，這散發出來的熱就叫生物熱。來的熱就叫生物熱。微生物進行有氧呼吸產生的熱比厭氧發酵產生的熱多。微生物進行有氧呼吸產生的熱比厭氧發酵產生的熱多。生物熱與發酵類型有關生物熱與發酵類型有關微生物進行有氧呼吸產生的熱比厭氧發酵產生的熱微生物進行有氧呼吸產生的熱比厭氧發酵產生的熱多多一摩爾葡萄糖徹底氧化成一摩爾葡萄糖徹底氧化成CO2和水和水好氧：產生好氧：產生287.2千焦耳熱量，千焦耳熱量， 183千焦耳轉變為高能化合物千焦耳轉變為高能化合物 104.2千焦以熱的形式釋放千焦以熱的形式釋放厭氧：產生厭氧：產生22.6千焦耳熱量，千焦耳熱量， 9.6千焦耳轉變為高能

10、化合物千焦耳轉變為高能化合物 13千焦以熱的形式釋放千焦以熱的形式釋放二個例子中轉化為高能化合物分別為二個例子中轉化為高能化合物分別為63.7和和42.6生物熱的產生具有強烈的時間性生物熱的產生具有強烈的時間性。在培養初期，菌體處于適應期，菌數少，呼吸作用在培養初期，菌體處于適應期，菌數少，呼吸作用緩慢，產生熱量較少。緩慢，產生熱量較少。菌體在對數生長期時，菌體繁殖迅速，呼吸作用激菌體在對數生長期時，菌體繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌體也較多，所以產生的熱量多，溫度上升快，烈，菌體也較多，所以產生的熱量多，溫度上升快，必須注意控制溫度。必須注意控制溫度。培養后期，菌體已基本上停止繁殖，主要靠菌體內

11、培養后期，菌體已基本上停止繁殖，主要靠菌體內的酶系進行代謝作用，產生熱量不多，溫度變化不的酶系進行代謝作用，產生熱量不多，溫度變化不大，且逐漸減弱。大，且逐漸減弱。攪拌熱攪拌熱Q Q攪拌攪拌在機械攪拌通氣發酵罐中，由于機械攪拌帶動發酵在機械攪拌通氣發酵罐中，由于機械攪拌帶動發酵液作機械運動，造成液體之間，液體與攪拌器等設液作機械運動，造成液體之間，液體與攪拌器等設備之間的摩擦，產生可觀的熱量。攪拌熱與攪拌軸備之間的摩擦，產生可觀的熱量。攪拌熱與攪拌軸功率有關，可用下式計算：功率有關，可用下式計算： Q Q攪拌攪拌= 3600= 3600（P/VP/V） 36003600：熱功當量（：熱功當量（

12、kJ/kJ/（kW.hkW.h） （P/VP/V）：通氣條件下單位體積發酵液所消耗）：通氣條件下單位體積發酵液所消耗的功率（的功率（ kW/mkW/m3 3） 蒸發熱蒸發熱Q Q蒸發蒸發 通氣時，引起發酵液的水分蒸發，水分蒸發所帶通氣時，引起發酵液的水分蒸發，水分蒸發所帶走的熱量叫蒸發熱。此外，排氣也會帶走部分熱走的熱量叫蒸發熱。此外，排氣也會帶走部分熱量叫顯熱量叫顯熱Q顯熱顯熱，顯熱很小，一般可以忽略不計。，顯熱很小，一般可以忽略不計。輻射熱輻射熱Q Q輻射輻射發酵罐內溫度與環境溫度不同，發酵液中有部分熱通發酵罐內溫度與環境溫度不同，發酵液中有部分熱通過罐體向外輻射。輻射熱的大小取決于罐溫與

13、環境的過罐體向外輻射。輻射熱的大小取決于罐溫與環境的溫差。冬天大一些，夏天小一些，一般不超過發酵熱溫差。冬天大一些，夏天小一些，一般不超過發酵熱的的5。Q發酵發酵Q生物生物Q攪拌攪拌Q蒸發蒸發Q輻射輻射發酵熱的測定發酵熱的測定有二種發酵熱測定的方法。一種是用冷卻水進有二種發酵熱測定的方法。一種是用冷卻水進出口溫度差計算發酵熱。在工廠里，可以通過出口溫度差計算發酵熱。在工廠里，可以通過測量冷卻水進出口的水溫，再從水表上得知每測量冷卻水進出口的水溫，再從水表上得知每小時冷卻水流量來計算發酵熱。小時冷卻水流量來計算發酵熱。Q發酵發酵GCw(T出出T進進)Cw水的比熱水的比熱 G冷卻水流量冷卻水流量1

14、.4 1.4 發酵過程溫度的控制發酵過程溫度的控制發酵罐：夾套（發酵罐：夾套（5M5M3 3以下）以下） 盤管（蛇管）（盤管（蛇管）（5M5M3 3以上）以上）種子罐一般需升溫或降溫種子罐一般需升溫或降溫發酵罐一般只需降溫發酵罐一般只需降溫 3.2 3.2 起泡的危害起泡的危害3.2.13.2.1降低生產能力降低生產能力在發酵罐中，為了容納泡沫，防止溢出而降低裝量，大多在發酵罐中，為了容納泡沫，防止溢出而降低裝量，大多數罐的裝料系數在數罐的裝料系數在0.60.7，余下的空間用于容納泡沫。，余下的空間用于容納泡沫。3.2.23.2.2引起原料浪費引起原料浪費如果設備容積不能留有容納泡沫的余地，氣

15、泡會引起如果設備容積不能留有容納泡沫的余地，氣泡會引起原料流失，造成浪費。原料流失，造成浪費。 3.2.3 3.2.3 影響菌的呼吸影響菌的呼吸 如果氣泡穩定，不破碎，那么隨著微生物的呼吸，如果氣泡穩定，不破碎，那么隨著微生物的呼吸，氣泡中充滿二氧化碳，而且又不能與空氣中氧進氣泡中充滿二氧化碳，而且又不能與空氣中氧進行交換，這樣就影響了菌的呼吸。行交換，這樣就影響了菌的呼吸。 3.2.4 3.2.4 引起染菌引起染菌由于泡沫增多而引起逃液，于是在排氣管中粘上培由于泡沫增多而引起逃液，于是在排氣管中粘上培養基，就會長菌。隨著時間延長，雜菌會長入發酵養基，就會長菌。隨著時間延長，雜菌會長入發酵罐而

16、造成染菌。大量泡沫由罐頂進一步滲到軸封，罐而造成染菌。大量泡沫由罐頂進一步滲到軸封，軸封處的潤滑油可起點消泡作用，從軸封處落下的軸封處的潤滑油可起點消泡作用，從軸封處落下的泡沫往往引起雜菌污染。泡沫往往引起雜菌污染。CCrQO2 CL各種微生物各種微生物C C : : 細菌和酵母細菌和酵母3%3%10%10%，放線菌，放線菌5%5%30%30%，霉菌，霉菌10% 10% 15%15%例：酵母例：酵母 4.64.61010-3-3 mmol.L mmol.L-1-1產黃青霉產黃青霉 2.22.21010-2-2 mmol.L mmol.L-1-1（4）氧飽和度：發酵液中氧的濃度）氧飽和度：發酵液

17、中氧的濃度/臨界溶氧溶度臨界溶氧溶度所以對于微生物生長，只要控制發酵過程中氧飽和度所以對于微生物生長，只要控制發酵過程中氧飽和度1. 4 4 3 3 (C*-C )根據亨利定律根據亨利定律 ：P=HCC*P/H, 與氣相中氧分壓相平衡的液體中氧的濃度與氣相中氧分壓相平衡的液體中氧的濃度 : 以氧濃度為推動力的總傳遞系數以氧濃度為推動力的總傳遞系數 (m/h)亨利常數亨利常數（PaL/Lmmol)4 4 4 4 影響影響KlaKla的因素的因素Kla反映了設備的供氧能力，發酵常用的設備為搖瓶與反映了設備的供氧能力，發酵常用的設備為搖瓶與發酵罐。發酵罐。1.4.11.4.1影響搖瓶影響搖瓶klak

18、la的因素的因素為裝液量和搖瓶機的為裝液量和搖瓶機的頻率頻率實例實例：黑曲霉生產糖化酶：黑曲霉生產糖化酶 n 230 230 270 通氣比通氣比 1:0.8 1:1.2 1:0.8 產量產量 1812 2416 2846提高提高, 比提高比提高通氣比通氣比有效有效5 pH5 pH值對發酵過程的影響及其調控值對發酵過程的影響及其調控 pH是是微生物代謝微生物代謝的綜合反映，它對菌體的綜合反映，它對菌體的生長和產品的積累有很大的的生長和產品的積累有很大的影響影響。所。所以是十分重要的參數。以是十分重要的參數。發酵過程中發酵過程中pH是是不斷變化不斷變化的，通過觀的，通過觀察察pH變化規律可以變化

19、規律可以了解發酵了解發酵的正常與的正常與否否5.1 5.1 發酵過程發酵過程pHpH值變化的原因值變化的原因 5.1.1 5.1.1 基質代謝基質代謝 5.1.1.1 糖代謝：特別是快速利用的糖，分解成小分糖代謝：特別是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，下降。糖缺乏，pH上升，是補料上升，是補料的標志之一的標志之一5.1.1.2 氮代謝：氨基酸被利用后產生氮代謝：氨基酸被利用后產生NH3 ， pH會會上升上升；尿素被分解成；尿素被分解成NH3，pH上升。上升。5.1.1.3 生理酸、堿性物質利用后生理酸、堿性物質利用后pH會上升或下降會上升或下降5.1.2 5.

20、1.2 產物形成產物形成 某些產物本身呈酸性或堿性，使發酵液某些產物本身呈酸性或堿性，使發酵液pH變變化，如有機酸類產生使化，如有機酸類產生使pH下降。紅霉素、潔下降。紅霉素、潔霉素、螺旋霉素等抗生素呈堿性，使霉素、螺旋霉素等抗生素呈堿性，使pH上升。上升。 5.1.3 5.1.3 菌體自溶菌體自溶 pH上升，發酵后期，上升，發酵后期，pH上升上升。 5.1.4 5.1.4 pH下降下降 5.2 pH5.2 pH值對發酵的影響值對發酵的影響 5.2.1 pH影響微生物細胞膜所帶影響微生物細胞膜所帶電荷。電荷。從而從而改變細胞改變細胞膜的透性，膜的透性，影響微生物對營養物質的吸收及代謝物的影響微

21、生物對營養物質的吸收及代謝物的排泄，因此影響新陳代謝的進行排泄，因此影響新陳代謝的進行 5.2.2 pH值影響培養基某些成分和中間代謝物的解離，值影響培養基某些成分和中間代謝物的解離，從而影響微生物對這些物質的利用從而影響微生物對這些物質的利用 5.2.3 pH值影響代謝方向值影響代謝方向 pH不同，往往引起菌體代謝過程不同，使代謝產物不同，往往引起菌體代謝過程不同，使代謝產物的質量和比例發生改變。例如黑曲霉在的質量和比例發生改變。例如黑曲霉在pH23時發酵時發酵產生檸檬酸，在產生檸檬酸，在pH近中性時，則產生草酸。近中性時，則產生草酸。谷氨酸發酵，在中性和微堿性條件下積累谷氨酸，在谷氨酸發酵，在中性和微堿性條件下積累谷氨酸，在酸性條件下則容易形成谷氨酰胺和酸性條件下則容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。乙酰谷氨酰胺。5.2.4 pH5.2.4 pH在微生物培養的不同階段有不同的影在微生物培養的不同階段有不同的影響響 pH對菌體生長影響比產物合成影響小對菌體生長影響比產物合成影響小例例 青霉素：菌體生長最適青霉素：菌體生長最適pH3.56.0,產物合成最適產物合成最適pH7.27.4 四環素：菌體生長最適四環素：菌體生長最適pH6.06.8，產物合成最適，產物合成最適