发酵工程温度控制

一、温度对微生物生长的影响

微生物的温度分类

根据微生物对温度的要求，可分为四类：

嗜冷菌

0～26℃

嗜温菌

15～43℃

嗜热菌

37～65℃

嗜高温菌

65℃以上

温度三基点

最适温度：微生物生长迅速
最高温度：超过此温度微生物受到抑制或死亡
最低温度：微生物尚能生长，但生长速度非常缓慢

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。

温度对微生物的影响机制

影响酶活性
影响膜的通透性
影响细胞内各种反应的速率
不同微生物生长的温度范围宽窄不同
同一微生物在生长和产物积累阶段的温度要求也不同

实例：高温伤害比低温伤害大。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（菌种保藏原理）。

二、微生物与温度相关性的原理

细胞膜结构的影响

微生物对温度的要求与膜结构物理化学性质密切相关
根据液体镶嵌模型，膜中脂质成分在正常生理条件下应保持液晶状态
微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围相一致

                    液晶状态
                    某些有机物从固相到液相转变时的过渡状态
固态→液晶态的温度称为熔点(T₁)
液晶态→液态的温度称为清亮点(T₂)
T₁与T₂之间的温度称为液晶温度范围

                

膜脂质成分差异

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
嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸

蛋白质结构的影响

嗜冷酶分子间作用力减弱，与溶剂作用加强
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
通过对比嗜热、嗜温及嗜冷菌的蛋白结构发现差异

三、温度的影响与控制

温度对发酵的影响

酶学方面

温度升高，反应速率加大，有利于菌体生长和产物积累，但菌体衰退加快，氧消耗加快，而氧溶解度下降

产物方面

温度影响菌体分泌的产物种类及酶系

实例：米曲霉制曲时，温度在低限得到蛋白酶；凝结芽孢杆菌在55℃合成的α-淀粉酶耐高温

菌体特性

同种菌体在生长和产物积累阶段要求的温度往往不同，最适生长温度比产物积累温度略高

发酵方向

温度可改变发酵产物比例

实例：金色链霉菌在低于30℃时合成金霉素，35℃时几乎只产生四环素

最适温度的选择

根据菌种及生长阶段选择

黑曲霉生长37℃，产糖化酶32～34℃
谷氨酸产生菌生长30～32℃，产酸34～37℃

根据生长阶段选择

前期：稍高温度促进菌体快速生长
中期：稍低温度延长产物合成期
后期：提高温度刺激产物合成

实例：四环素生长阶段28℃，合成期26℃，后期再升温

根据培养条件选择

通气条件差时适当降低温度
培养基稀薄时温度应低些

根据菌生长情况

菌生长快，维持高温时间要短
菌生长慢，维持高温时间可长

四、发酵热与温度变化

发酵热的定义

发酵热(Q_发酵)是发酵过程中释放出来的净热量，是引起发酵过程温度变化的原因。

净热量 = 产生的热量 - 散失的热量

发酵热组成

Q_发酵 = Q_生物 + Q_搅拌 - Q_蒸发 - Q_辐射

生物热(Q_生物)

菌体分解基质产生的热量

与菌种、发酵类型、生长阶段、营养条件有关
培养初期产生较少，对数生长期产生最多

搅拌热(Q_搅拌)

机械搅拌产生的热量

Q_搅拌 = P × 860 × 4186.8 (焦耳/小时)

P为搅拌轴功率

蒸发热(Q_蒸发)

水分蒸发带走的热量

辐射热(Q_辐射)

罐体向外辐射的热量

一般不超过发酵热的5%

发酵热的测定

冷却水测量法

Q_发酵 = G × C_m × (T_出口 - T_进口)

G为冷却水流量，C_m为水的比热

罐温上升速率法

停止加热/冷却，测量罐温自然变化速率计算发酵热

五、温度控制应用实例

实例1：热冲击提高发酵甘油产量

原理：热冲击提高细胞对盐渗透压的耐受力
方法：45℃冲击30分钟
结果：甘油浓度提高32.6%

实例2：重组大肠杆菌表达人Cu/Zn-SOD

30℃时酶活最高(14270)
37℃时酶活最低(4638)
原因：低温下质粒脱落减少，菌衰老减缓

林可霉素发酵变温培养

前60小时

31℃控制，缩短适应期，提前进入生产阶段

60小时后

降温至30℃，延长分泌期，增加抗生素分泌量

发酵后期

升温至31℃，刺激菌体最大限度合成次级代谢产物

六、小结与思考题

主要内容小结

微生物最适生长温度分类及原理
温度对发酵过程的多方面影响
最适温度选择的依据与方法
发酵热的组成与计算
温度控制的实际应用案例

思考题

根据微生物对温度的依赖可分类成哪几类微生物？
微生物对温度要求不同的原理是什么？
发酵过程的温度会不会变化？为什么？
发酵热的定义是什么？
生物热的大小与哪些因素有关？
温度对发酵有哪些影响？
发酵过程温度的选择有什么依据？