简明微生物工程 61发酵的中间控制-温度、pH

第六章发酵的中间控制之二温度、pH的控制第一节、温度控制一、发酵热定义：发酵过程中释放出来的净热量，以J/（m3.h)为单位，由产热因素和散热因素两方面所决定的.•Q发酵＝Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射发酵热包括：生物热、搅拌热、蒸发热、辐射热1、生物热（Q生物）•主要来源：碳水化合物、脂肪和蛋白质被微生物分解成CO2、水和其他物质时释放出来的。•释放的能量：高能化合物+热2、搅拌热(Q搅拌)•主要来源：液体之间、液体与搅拌器等设备之间的摩擦产生。搅拌热与搅拌轴功率有关，可用下式计Q搅拌＝P/V*3600(kJ／h)•式中：P/V——通气条件下，单位体积发酵液搅拌功率，(kW/m3)；3600——机械能转变为热能的热功当量，(kJ／(kW·h))。3、蒸发热•主要来源：通气引起发酵液水分的蒸发，被空气和蒸发水分带走的热量叫做蒸发热或汽化热。可按下式计算：•Q蒸发＝G(I出一I进)•式中：G——空气的重量流量，(kg干空气／h)；I出、I进——发酵罐排气、进气的热焓，(kJ／kg干空气)。4、辐射热(Q辐射)•主要来源：因发酵罐内外温度不同，发酵液中有部分热通过罐体向外辐射。•Q发酵＝Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射二、发酵热的测定及计算(1)通过测量一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度，用下式计算P61：•Q发酵＝Gcw(t2－t1)／V如果需要求生物热时：•Q生物＝Q发酵-Q搅拌+Q蒸发+Q辐射(2)通过罐温度的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自控装置，测量温度随时间上升的速率，按下式求出发酵热：Q发酵=(m1cl+m2c2)*u其中：m1——发酵液的质量，kg;cl——发酵液的比热，kJ/(kg*ºC)；m2——发酵罐的质量，kg；c2——发酵液的比热,kJ/(kg*ºC)；u——温度上升速率,ºC/h。抗生素发酵过程中的最大发酵热约为3000—50000kJ／(m3.h)；谷氨酸发酵过程中的最大发酵热约为7000—8000kJ／(m3.h)。三、温度对生长的影响：生物体的生命活动可以看作是相互连续进行酶反应的表现，任何酶促反应又都和温度有关，通常在生物学的范围内每升高10℃，生长速度就加快一倍，所以温度直接影响酶反应，从而影响着生命体的生命活动。高温杀菌的机理：温度与微生物生长的关系：温度三基点嗜热微生物嗜热微生物是一类生活在高温环境中的微生物，如火山口及其周围区域、温泉、工厂高温废水排放区等。兼性嗜热菌专性嗜热菌极端嗜热菌耐热菌超嗜热菌嗜热菌的类型：隐蔽热网菌（Pyrodictiumoccultum）嗜酸热硫化叶菌--105℃（Sulfolobusacidocaldarius）水生嗜热杆菌—95.95℃(Thermusaquaticus)四、温度对发酵的影响：•从酶反应动力学来说，温度越高，反应越快；•温度越高，酶失活越快，菌体易衰老；•通过影响溶氧从而影响发酵；•温度影响生物合成方向－－金霉素；•同一菌种的生长和产物合成的最适温度往往不同。•影响酶系组成及酶的特性－－米曲霉（蛋白酶、淀粉酶和纤维素酶）。青霉素：30℃24.7℃乳酸链球菌：34℃不超过30℃温度影响生物合成方向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30℃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35℃时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。五、最适温度的控制最适合成略高最适生长放罐1、不同生长阶段，不同培养目的而改变；其它发酵条件：通气，培养基情况四环素：•0~30h，稍高；•30~150h，稍低，以延长抗生素的分泌期，•150h后，升温刺激抗生素的分泌，能使最后24h的发酵单位提高50％以上.•青霉素：•0～5h,30℃;•6～35h,25℃;•36～85h,20℃•最后40h,25℃.采用这种变温培养比25℃恒温培养的抗生素产量提高14.7%.第二节、pH值的控制一、pH值对菌体生长和代谢产物形成的影响(一)影响•1、每种微生物都有自己的生长最适pH值。•2、同种微生物，pH值的不同，会形成不同的发酵产物－－黑曲酶（pH2～3时产生柠檬酸，pH近中性时，积累草酸和葡萄糖酸）。•3、微生物生长的最适pH值和发酵的最适pH值往往不一定相同P62表7－1。(二)、pH值影响的主要原因：•1、发酵液的pH值影响细胞质膜上的电荷。•2、发酵液的pH值直接影响酶的活性。•3、发酵液的pH值影响营养物和中间代谢产物的离解，从而影响微生物的利用。二、影响pH值变化的因素在发酵过程中pH值变化决定于微生物种类、基础培养基的组成和发酵条件。引起变化的途径糖和脂肪－－在通气充足时，糖和脂肪得到完全氧化，产物为二氧化碳和水；在通气不充足时，糖和脂肪的氧化不完全，产生有机酸类的中间产物。这些都使培养基的pH值下降，其差别仅是下降程度不同。如果无机氮源被同化，则培养基pH值也会随其种类而变化。属于生理酸性盐(被微生物利用后生酸的盐)的铵盐利用后，与其结合的酸游离，使pH值下降；属于生理碱性盐的硝酸盐(或有机酸盐)被利用后，则释放碱使其pH值上升。如果有机氮源被利用，则培养液的pH值随酶作用的情况不同也有不同的结果。在脱氮的情况下，蛋白质被分解而放出氨，同时生成酸类使其pH值下降，在脱羧的情况下，蛋白质分解放出氨，同时生成碱性胺，使pH值上升。一般说来，培养基中的碳／氮值(C／N值)高，则发酵液倾向于酸性，反之则倾向于碱性或中性。三、发酵过程pH值的调节及控制1．添加碳酸钙法采用生理酸性铵盐作为氮源时，由于NH4+被菌体利用后，剩下的酸根引起发酵液pH下降，在培养基中加入碳酸钙，就能调节pH值作用。但是，碳酸钙的用量甚大，操作上易引起染菌的危险，此法一般不采用。2．氨水流加法（硫酸胺）在发酵过程中根据pH值的变化流加氨水调节pH值，且作为氮源，供给NH4+。氨水价格便宜，来源容易。但是，氨水作用快，对发酵液的pH值波动影响大，应采用少量多次流加，以免造成pH值过高，抑制菌体生长，或pH值过低，NH4+不足等现象。最好能够采用自动控制连续流加方法。3．尿素流加法是目前国内味精厂普通遍采用的方法。以尿素作为氮源进行流加调节pH值，由于pH值变化具有一定的规律性，易于操作控制。氨和培养基成分被菌体利用并形成有机酸等中间代谢产物，使pH值降低，这时就需要及时流加尿素，以调节pH值和补充氮源。由于通风、搅拌和菌体尿酶作用使尿素分解放氨，使pH值上升。4．加入缓冲剂(如磷酸盐)制成缓冲能力强、pH值改变不大的培养基；调节通气量来控制pH值。补料是一个较好的办法，既调节培养液的pH值，有利于灭菌，又可补充营养，增加培养基的浓度和减少阻遏作用，进一步提高发酵产物的产率。氨水