第四章 发酵过程控制温度精选文档.ppt

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1、第四章第四章 发酵过程控制温度发酵过程控制温度本讲稿第一页，共四十二页http:/ 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，根据它们对温度的要求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，嗜热菌适应于生长，嗜热菌适应于37650C生长，嗜高温菌生长，嗜高温菌适应于适应于650C以上生长以上生长 发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第二页，共四十二页

2、http:/ 1、微生物对温度的要求不同与它们的膜结构物理、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，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膜中的脂质成分应保持液晶状态液晶状态，只有当细胞膜处于液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。微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围相一致。二、微生物与温度相关性的原理二、微生物与温度相关性的原理发酵工程控

3、制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第五页，共四十二页http:/ 2、蛋白质结构、蛋白质结构通过对嗜冷酶的蛋白质模型和通过对嗜冷酶的蛋白质模型和x x一射线衍射分析表明，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，嗜冷酶分子间的作用力减弱，与溶剂的作用加强，酶结酶结构的柔韧性增加构的柔韧性增加，使，使酶在低温下容易被底物诱导产生催化酶在低温下容易被底物诱导产生催化作用作用发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第七页，共四十二页http:/ 嗜嗜冷菌具有在冷菌具有在00合成蛋白质的能

4、力。这是由于其核糖合成蛋白质的能力。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，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蛋白质翻译的错误率最低。3 3、蛋白质合成、蛋白质合成发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第八页，共四十二页http:/ 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突然转移到突然转移到10100 0C C条件时细胞中会诱导条件时细胞中会诱导合成一组冷休克蛋白，

5、它们对低温的生理适应过程中发挥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。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。克蛋白是密切相关的。发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第九页，共四十二页http:/ 1、温度影响反应速率、温度影响反应速

6、率发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反应有一个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。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=E活化能活化能Kr速率常数速率常数发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第十页，共四十二页http:/ 2、温度影响发酵方向、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素和四环素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当温度低于300C时，这种菌合成金霉素能力较强；时，这种菌合成金霉素能力较强；温度提高，合

7、成四环素的比例也提高；温度提高，合成四环素的比例也提高；温度达到温度达到350C时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。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。分解吸收。因此对发酵过程中的温度要严格控制。发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第十三页，共四十二页http:/ 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，所要求的温度微

8、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。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。发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第十四页，共四十二页http:/ 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，灵活选择。温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低些，通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低些，溶氧浓度也可髙

9、些。溶氧浓度也可髙些。培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利用培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利用快，会使菌过早自溶。快，会使菌过早自溶。发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第十七页，共四十二页http:/ 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；菌生长慢，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。培养条件适宜，如营养丰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，那么前期温度可髙些，以利于菌的富，通气能满足，那么前期温度可髙些，以利于菌的生长。生长。总

10、的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第十八页，共四十二页http:/ 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。什么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？叫净热量呢？在发酵过程中各种产生的热量和各种散失的热量的代数和就在发酵过程中各种产生的热量和各种散失的热量的代数和就叫做净

11、热量。叫做净热量。发酵热引起发酵液的温度上升。发酵热大，温度上升快，发酵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。发酵热小，温度上升慢。发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第十九页，共四十二页http:/ (121)由于由于Q生物及生物及Q蒸发在发酵过程中是随时间变化的，因此发酵热蒸发在发酵过程中是随时间变化的，因此发酵热在整个发酵过程中，也是随时间变化的。为了要使发酵维持在适在整个发酵过程中，也是随时间变化的。为了要使发酵维持在适当的温度下进行，必须采取措施当的温度下进行，必须采取措施在夹套或蛇管内通入冷水加在夹套

12、或蛇管内通入冷水加以控制以控制(小型的发酵罐，在冬季和发酵初期，散热量大于产热量小型的发酵罐，在冬季和发酵初期，散热量大于产热量则需用热水保温则需用热水保温)。湖北工业大学生物工程学院本讲稿第二十页，共四十二页http:/ 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养物质，将其在发酵过程中，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，其中一部分用于合成高能化合物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（如ATP）提供细胞合成和代谢产物合成需要的能量，其）提供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，这散发出来的热就叫

13、生物余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。微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第二十一页，共四十二页http:/ 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：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42.6发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温

14、度变化及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第二十二页，共四十二页http:/ 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。生物热的大小与呼吸作用强弱有关生物热的大小与呼吸作用强弱有关培养初期培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生热量，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生热量较少。较少。对数生长期时对数生长期时，菌体繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌体也较多，所以，菌体繁殖迅速，呼吸作用激烈，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。产生的热量多，温度上升快，必须注意控制温度。培养后期培养后期，菌体已基本上停止繁殖，主要靠菌体内

15、的酶系进行代，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，温度变化不大，且逐渐减弱。谢作用，产生热量不多，温度变化不大，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，发酵不正常。如果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，有可能染菌，此外培养基营养越丰富，生物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。热也越大。发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第二十三页，共四十二页http:/ 2、搅拌热、搅拌热Q Q搅拌搅拌在机械搅拌通气发酵罐中，由于

16、机械搅拌带动发酵液作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，液体与搅拌器等设备之间的机械运动，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。搅拌热与搅拌轴功率有关，可摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴功率有关，可用下式计算：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=E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焦耳焦耳发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化

17、及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第二十四页，共四十二页http:/ 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。此外，排气也会带走部分热量叫显热叫蒸发热。此外，排气也会带走部分热量叫显热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，发酵液中有部分热通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与环境的过罐体向外辐射。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

18、一些，一般不超过发酵热温差。冬天大一些，夏天小一些，一般不超过发酵热的的5。Q发酵发酵Q生物生物Q搅拌搅拌Q蒸发蒸发Q辐射辐射发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第二十五页，共四十二页http:/ Cm水的比热水的比热 G冷却水流量冷却水流量 V 发酵液体积发酵液体积发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第二十六页，共四十二页http:/ C 1十十M2C2）S 式中：式中：Ml发酵液的重量，发酵液的重量，(kg)；M2发酵罐的重量，发酵罐的重量，(kg)；Cl发酵液的比热，发酵液的比热，kJ

19、(kg)；C2 罐材料的比热罐材料的比热kJ(kg)；S为温度上升速率，为温度上升速率，(h)。一般抗生素发酵过程中的最大发酵热约为一般抗生素发酵过程中的最大发酵热约为30005000kJ(m3h)；谷谷氨酸发酵过程中的最大发酵热约为氨酸发酵过程中的最大发酵热约为70008000kJ(m3h)。实际上由于测定时操作条件、发酵条件不同，测定结果略有不同。实际上由于测定时操作条件、发酵条件不同，测定结果略有不同。湖北工业大学生物工程学院本讲稿第二十七页，共四十二页http:/ 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 20934

20、KJ/Kg尿素尿素 10634.5KJ/Kg发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第二十八页，共四十二页http:/ 15.4 23.9尿素(kg/M3)2.96.0菌体(kg/M3)4.8 6.0 1.2玉米浆(kg/M3)2.43.00.6发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第二十九页，共四十二页http:/ 利用热冲击处理技术提高发酵甘油的产量利用热冲击处理技术提高发酵甘油的产量背景：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的温度下经受一的温度下经受一段时间

21、刺激后，胞内海藻糖的含量显著增加。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受力发现热冲击能提高细胞对盐渗透压的耐受力（3）Toshiro发现热冲击可使胞内发现热冲击可使胞内3磷酸甘油脱氢酶的活力磷酸甘油脱氢酶的活力提高提高1525，并导致甘油产量提高，并导致甘油产量提高发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第三十一页，共四十二页http:/ 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

22、小时，小时，450C冲击冲击30分钟最佳，发酵分钟最佳，发酵96小时后小时后甘油浓度提高甘油浓度提高32.6，发酵罐实验见图，发酵罐实验见图（A）16h,450C,30min（B）12h,450C,30min发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第三十二页，共四十二页http:/ 温度；温度；B 开始时机；开始时机；C 冲击时间冲击时间发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第三十三页，共四十二页http:/ 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

23、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发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第三十六页，共四十二页http:/ 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一致范围相一致微生物

24、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，活性位点关键区域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，离子束缚作用氨基酸的取代，离子束缚作用(ion binding)减弱，减弱，蛋白核心区域疏水作用下降等蛋白核心区域疏水作用下降等发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第三十八页，共四十二页http:/ 燃烧热燃烧热发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第四十页，共四十二页http:/ 根据微生物对温度的依赖可分类成哪几类微生物？根据微生物对温度的依赖可分类成哪几类微生物？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？发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制湖北工业大学生物工程学院本讲稿第四十一页，共四十二页本讲稿第四十二页，共四十二页