最新发酵过程控制5ppt课件.ppt

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1、第五节第五节 温度变化及其控制温度变化及其控制 一、温度对生长的影响一、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：嗜冷菌适应于对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于0260C生长，嗜温菌适应于生长，嗜温菌适应于15430C生长，嗜生长，嗜热菌适应于热菌适应于37650C生长，嗜高温菌适应于生长，嗜高温菌适应于650C以上生长以上生长 4 4、合成冷休克蛋白、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将大肠杆菌从37370 0C C突然转

2、移到突然转移到10100 0C C条件时细胞中会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应，发现冷刺激后冷休克蛋白在很短时间内大量产生。生。耐冷菌由于生活在温度波动的环境中，它们必须忍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。密切相关的。二、温度的影响与控制二、温度的影响与控制（一）温度对发酵的影响（一

3、）温度对发酵的影响1 1、温度影响反应速率、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。一个最适温度。从阿累尼乌斯方程式可以看到从阿累尼乌斯方程式可以看到 dlnKr/dt=E/RT2 积分得积分得 E=2112/1/1/log6 . 4TTKKrrE活化能活化能Kr速率常数速率常数K与温度有关与温度有关E越大温度变化越大温度变化对对K的影响越大的影响越大211211lg61. 4TTKKErr温度对菌的生长、产物合成的影响可能是不同的温度对菌的生长、产物合成的影响可能是不同的青青 霉霉 素素120C300C2 2、温度

4、影响发酵方向、温度影响发酵方向四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和四环素，当温度低于素和四环素，当温度低于300C时，这时，这种菌合成金霉素能力较强；温度提高，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，只时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。产生四环素。温度还影响基质溶解度，氧在发酵液中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收。因此对发酵过程中的温度要严格控制。制。（二）

5、最适温度的选择（二）最适温度的选择1 1、根据菌种及生长阶段选择、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。求的温度范围也不同。如黑曲霉生长温度为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谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为30320C，青霉菌生长温度为青霉菌生长温度为300C。在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌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；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

6、已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期，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。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。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，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，合成期260C后期再升温；黑

7、曲霉生长后期再升温；黑曲霉生长370C，产糖，产糖化酶化酶32340C。但也有的菌种产物形成比生长温度高。如。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谷氨酸产生菌生长30320C，产酸，产酸34370C。最适温度。最适温度选择要根据菌种与发酵阶段做试验。选择要根据菌种与发酵阶段做试验。l根据生长阶段选择根据生长阶段选择例：例：林可霉素发酵的变温培养林可霉素发酵的变温培养问题的提出问题的提出接种后接种后10h10h左右已进入对数生长期，随后是左右已进入对数生长期，随后是10h10h左左右的加速生长期，在右的加速生长期，在40h40h左右对数生长期基本完成，左右对数生长期基本完成，在在

8、50h50h左右转入生产期左右转入生产期主要问题：主要问题：如何维持适度的菌体浓度和延长分泌期？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维持相当数量的有强生产能力的菌丝体存在在根据生长阶段选择温度根据生长阶段选择温度变温培养的正交设计变温培养的正交设计结论：结论：前前60h60h按按3131控制，缩短了适应期使控制，缩短了适应期使发酵提前转入生产阶段，同时菌丝体已有发酵提前转入生产阶段，同时菌丝体已有相当量的积累，为大量分泌抗生素提供了相当量的积累，为大量分泌抗生素提供了物质基础物质基础60

9、60小时后将罐温降至小时后将罐温降至3O3O使与抗生素合成使与抗生素合成有关的酶的活性增强，抗生素分泌量有所有关的酶的活性增强，抗生素分泌量有所增加，同时因分泌期的延长有利于进一步增加，同时因分泌期的延长有利于进一步积累抗生素积累抗生素发酵进入后期罐温再回升至发酵进入后期罐温再回升至31 31 使生产菌使生产菌在生命的最后阶段最大限度的合成和排出在生命的最后阶段最大限度的合成和排出次级代谢产物。次级代谢产物。2 2、根据培养条件选择、根据培养条件选择温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。选择。通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速通气条件差时可适当降

10、低温度，使菌呼吸速率降低些，溶氧浓度也可髙些。率降低些，溶氧浓度也可髙些。培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利用快，会使菌过早自溶。营养利用快，会使菌过早自溶。3 3、根据菌生长情况、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。培菌生长慢，维持较高温度时间可长些。培养条件适宜，如营养丰富，通气能满足，养条件适宜，如营养丰富，通气能满足，那么前期温度可髙些，以利于菌的生长。那么前期温度可髙些，以利于菌的生长。总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段总的来说，温度的选择根据菌种生长

11、阶段及培养条件综合考虑。要通过反复实践来及培养条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。定出最适温度。三、发酵过程引起温度变化的因素三、发酵过程引起温度变化的因素（一）发酵热（一）发酵热Q Q发酵发酵发酵热是引起发酵过程温度变化的原因。发酵热是引起发酵过程温度变化的原因。所谓发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。所谓发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。什么叫净热量呢？在发酵过程中产生菌分解基质什么叫净热量呢？在发酵过程中产生菌分解基质产生热量，机械搅拌产生热量，而罐壁散热、水产生热量，机械搅拌产生热量，而罐壁散热、水分蒸发、空气排气带走热量。这各种产生的热量分蒸发、空气排气带走热量。这各种

12、产生的热量和各种散失的热量的代数和就叫做净热量。发酵和各种散失的热量的代数和就叫做净热量。发酵热引起发酵液的温度上升。发酵热大，温度上升热引起发酵液的温度上升。发酵热大，温度上升快，发酵热小，温度上升慢。快，发酵热小，温度上升慢。现在来分析发酵热产生和散失的各因素。现在来分析发酵热产生和散失的各因素。1 1、生物热、生物热Q Q生物生物在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，将其分解氧化而产生的能量，其中养物质，将其分解氧化而产生的能量，其中一部分用于合成高能化合物（如一部分用于合成高能化合物（如ATP）提供）提供细胞合成和代谢产物合成需要的能量，其

13、余细胞合成和代谢产物合成需要的能量，其余一部分以热的形式散发出来，这散发出来的一部分以热的形式散发出来，这散发出来的热就叫生物热。热就叫生物热。微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。生的热多。l生物热与发酵类型有关生物热与发酵类型有关微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多多一摩尔葡萄糖彻底氧化成一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2和水和水好氧：产生好氧：产生287.2千焦耳热量，千焦耳热量， 183千焦耳转变为高能化合物千焦耳转变为高能化合物 104.2千焦以热的形式释放千焦以热的形式释放厌氧：产生厌氧

14、：产生22.6千焦耳热量，千焦耳热量， 9.6千焦耳转变为高能化合物千焦耳转变为高能化合物 13千焦以热的形式释放千焦以热的形式释放二个例子中转化为高能化合物分别为二个例子中转化为高能化合物分别为63.7和和42.6l 培养过程中生物热的产生具有培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性强烈的时间性。生物的大小与呼吸作用强弱有关生物的大小与呼吸作用强弱有关在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生热量较少。缓慢，产生热量较少。菌体在对数生长期时，菌体繁殖迅速，呼吸作用激菌体在对数生长期时，菌体繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌体也较多，所以产生的热量

15、多，温度上升快，烈，菌体也较多，所以产生的热量多，温度上升快，必须注意控制温度。必须注意控制温度。培养后期，菌体已基本上停止繁殖，主要靠菌体内培养后期，菌体已基本上停止繁殖，主要靠菌体内的酶系进行代谢作用，产生热量不多，温度变化不的酶系进行代谢作用，产生热量不多，温度变化不大，且逐渐减弱。大，且逐渐减弱。如果培养前期温度上升缓慢，说明菌体代谢缓慢，如果培养前期温度上升缓慢，说明菌体代谢缓慢，发酵不正常。如果发酵前期温度上升剧烈，有可能发酵不正常。如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染菌，此外培养基营养越丰富，生物热也越大。染菌，此外培养基营养越丰富，生物热也越大。2 2、搅拌热、搅拌热Q Q搅拌搅

16、拌在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵液作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等设液作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等设备之间的摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴备之间的摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴功率有关，可用下式计算：功率有关，可用下式计算： Q搅拌搅拌P8604186.8（焦耳（焦耳/小时）小时） P搅拌轴功率搅拌轴功率 4186.8机械能转变为热能的热功当量机械能转变为热能的热功当量电机功率电机功率P= cos3EIE额定电压额定电压I额定电流额定电流cos功率因素，功率因素，1千瓦时千瓦时8604186.8焦耳焦耳3

17、 3、蒸发热、蒸发热Q Q蒸发蒸发 通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分蒸发所需通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分蒸发所需的热量叫蒸发热。此外，排气也会带走部分热量的热量叫蒸发热。此外，排气也会带走部分热量叫显热叫显热Q显热显热，显热很小，一般可以忽略不计。，显热很小，一般可以忽略不计。4 4、辐射热、辐射热Q Q辐射辐射发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分热通过罐体向外辐射。辐射热的大小取决于罐温热通过罐体向外辐射。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不超过发酵热

18、的5。Q发酵发酵Q生物生物Q搅拌搅拌Q蒸发蒸发Q辐射辐射（二）发酵热的测定（二）发酵热的测定有二种发酵热测定的方法。一种是用冷却水进有二种发酵热测定的方法。一种是用冷却水进出口温度差计算发酵热。在工厂里，可以通过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。小时冷却水流量来计算发酵热。Q发酵发酵GCm(T出出T进进)Cm水的比热水的比热G冷却水流量冷却水流量另一种是根据罐温上升速率来计算。先自控，让发另一种是根据罐温上升速率来计算。先自控，让发酵液达到某一温度，然后停止加热或冷却，使罐温酵液达

19、到某一温度，然后停止加热或冷却，使罐温自然上升或下降，根据罐温变化的速率计算出发酵自然上升或下降，根据罐温变化的速率计算出发酵热。热。根据化合物的燃烧值估算发酵过程生物热的近似值。根据化合物的燃烧值估算发酵过程生物热的近似值。因为热效应决定于系统的初态和终态，而与变化途径因为热效应决定于系统的初态和终态，而与变化途径无关，反应的热效应可以用燃烧值来计算，特别是有无关，反应的热效应可以用燃烧值来计算，特别是有机化合物，燃烧热可以直接测定。反应热效应等于反机化合物，燃烧热可以直接测定。反应热效应等于反应物的燃烧热总和减去生成物的燃烧热的总和。应物的燃烧热总和减去生成物的燃烧热的总和。H（H）反应物

20、反应物（H）产物产物如谷氨酸发酵中主要物质的燃烧热为：如谷氨酸发酵中主要物质的燃烧热为：葡萄糖葡萄糖 159555.9KJ/Kg谷氨酸谷氨酸 15449.3KJ/Kg玉米浆玉米浆 12309.2KJ/Kg菌体菌体 20934KJ/Kg尿素尿素 10634.5KJ/Kg可根据实测发酵过程中物质平衡计算生物热。例可根据实测发酵过程中物质平衡计算生物热。例如某味精厂如某味精厂50M3发酵罐发酵过程测定结果的主发酵罐发酵过程测定结果的主要物质变化如表：要物质变化如表：发酵发酵1218小时的生物热为：小时的生物热为：Q生物生物24159555.90.612309.2610634.51.22093415.

21、415449.3191098.1KJ/M3191098.1631849.7每小时的生物热为每小时的生物热为31849.7KJ/M3四、利用温度控制提高产量四、利用温度控制提高产量例例1 利用热冲击处理技术提高发酵甘油利用热冲击处理技术提高发酵甘油的产量的产量背景：背景：（1）酵母在比常规发酵温度髙）酵母在比常规发酵温度髙10200C的温度下的温度下经受一段时间刺激后，胞内海藻糖的含量显著增加。经受一段时间刺激后，胞内海藻糖的含量显著增加。（2）Lewis发现热冲击能提高细胞对盐渗透压的耐发现热冲击能提高细胞对盐渗透压的耐受力受力（3）Toshiro发现热冲击可使胞内发现热冲击可使胞内3磷酸甘油

22、脱磷酸甘油脱氢酶的活力提高氢酶的活力提高1525，并导致甘油产量提高，并导致甘油产量提高实验：实验：甘油发酵是在髙渗透压环境中进行的，因甘油发酵是在髙渗透压环境中进行的，因此可望通过热冲击来提高发酵甘油的产量此可望通过热冲击来提高发酵甘油的产量正交条件正交条件A 冲击温度（冲击温度（0C） 40，45，50 B 开始时机（开始时机（h） 8，16，30 C 冲击时间（分）冲击时间（分） 15，30，60结果发酵结果发酵16小时，小时，450C冲击冲击30分钟最佳，发酵分钟最佳，发酵96小时后甘油浓度提高小时后甘油浓度提高32.6，发酵罐实验见图，发酵罐实验见图（A）16h,450C,30min

23、（B）12h,450C,30minA 温度；温度；B 开始时机；开始时机；C 冲击时间冲击时间A比比B好好例例2 重组大肠杆菌人重组大肠杆菌人Cu/Zn-SOD的高表达的高表达Lac启动子，用乳糖作诱导剂启动子，用乳糖作诱导剂 270C 300C 340C 370CSOD 4966 14270 6590 4638比活比活 810 1471 679 526蛋白蛋白 6.129 9.70 9.79 11.88OD600 7.41 10.72 11.78 24.77原因：原因：1、乳糖被用于合成菌体和其它蛋白，减少了合、乳糖被用于合成菌体和其它蛋白，减少了合成成SOD的原料，随着温度升高，蛋白和菌浓

24、都的原料，随着温度升高，蛋白和菌浓都增加。增加。2、高温下可能、高温下可能SOD降解速率增加，杂蛋白增降解速率增加，杂蛋白增加加3、低温下由于比生长速率低，质粒脱落减少、低温下由于比生长速率低，质粒脱落减少4、低温下菌的衰老减缓，死亡率低、低温下菌的衰老减缓，死亡率低小小 结结微生物最适生长温度微生物最适生长温度微生物对温度的要求不同与它们的膜结构有关微生物对温度的要求不同与它们的膜结构有关微生物的生长温度与细胞膜的微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度液晶温度范围相范围相一致一致微生物对温度的要求与酶分子结构的区别有关，微生物对温度的要求与酶分子结构的区别有关，如蛋白构象稳定性因素改变，活性位点

25、关键区如蛋白构象稳定性因素改变，活性位点关键区域氨基酸的取代，离子束缚作用域氨基酸的取代，离子束缚作用(ion binding)减弱，蛋白核心区域疏水作用下降等减弱，蛋白核心区域疏水作用下降等温度对发酵的影响：温度对发酵的影响：温度影响反应速率温度影响反应速率温度影响发酵方向温度影响发酵方向最适温度的最适温度的选择选择根据菌种根据菌种生长阶段选择生长阶段选择根据培养条件选择根据培养条件选择菌种的生长情况菌种的生长情况发酵过程引起温度变化的因素发酵过程引起温度变化的因素发酵热是引起发酵过程温度变化的原因发酵热是引起发酵过程温度变化的原因Q发酵发酵Q生物生物Q搅拌搅拌Q蒸发蒸发Q辐射辐射生物热的定

26、义，产生的原因：基质代谢。它生物热的定义，产生的原因：基质代谢。它与菌种、发酵类型、生长阶段、营养条件有与菌种、发酵类型、生长阶段、营养条件有关关搅拌热与搅拌功率有关搅拌热与搅拌功率有关发酵热测定发酵热测定: 冷却容量冷却容量 燃烧热燃烧热思考题思考题7.16 根据微生物对温度的依赖可分类成哪几类根据微生物对温度的依赖可分类成哪几类微生物？微生物？7.17 微生物对温度要求不同的原理是什么？微生物对温度要求不同的原理是什么？7.18 发酵过程的温度会不会变化？为什么发酵过程的温度会不会变化？为什么7.19 发酵热的定义发酵热的定义7.20 生物热的大小与哪些因素有关？生物热的大小与哪些因素有关？7.21 温度对发酵有哪些影响？温度对发酵有哪些影响？7.22 发酵过程温度的选择有什么依据？发酵过程温度的选择有什么依据？