發(fā)酵過程溫度與控制

發(fā)布時(shí)間：2012-5-16 11:23

生長(zhǎng)溫度與發(fā)酵溫度微生物的不同種甚至不同的菌株其最適的生長(zhǎng)溫度不一定相同。而對(duì)某一生產(chǎn)菌株而言，菌體生長(zhǎng)的最適溫度與形成代謝產(chǎn)物的最適溫度也往往不同。例如，谷氨酸產(chǎn)生菌各菌株的情況就是如此，見表1。因此，要按照生產(chǎn)菌株的特性，發(fā)酵前期溫度滿足菌體生長(zhǎng)的要求，而后期溫度要有利于促進(jìn)發(fā)酵進(jìn)行。同一菌種在不同的菌齡對(duì)溫度的敏感性是不同的。一般在分裂期的細(xì)胞對(duì)溫度比較敏感，因此，種子培養(yǎng)和發(fā)酵初期應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制溫度，而發(fā)酵后期對(duì)溫度的敏感性遲鈍，甚至能短時(shí)間忍受較高的溫度。溫度不同歸根結(jié)底是影響酶系的活力，在最適溫度以下培養(yǎng)時(shí)生長(zhǎng)代謝降低。反之，則生長(zhǎng)代謝加速。如培養(yǎng)溫度過高，酶系活力下降，溫度越高，失活越快，菌細(xì)胞即提早衰老自溶。培養(yǎng)時(shí)間縮短，會(huì)使產(chǎn)量減少。在最適溫度下，微生物細(xì)胞的DNA，RNA和細(xì)胞膜對(duì)熱有較強(qiáng)的抵抗力。DNA的雙鏈?zhǔn)軞滏I的約束，有固定結(jié)構(gòu)，當(dāng)高溫時(shí)氫鍵破裂，DNA雙鏈脫開，即使溫度恢復(fù)正常后，此雙鏈也不再?gòu)?fù)原，DNA即喪失它的生物功能。活動(dòng)狀態(tài)的細(xì)胞要比休眠狀態(tài)的細(xì)胞容易損害，可以理解為DNA雙鏈結(jié)構(gòu)受高溫而破壞，和其核糖體酶及細(xì)胞膜等發(fā)生變化的結(jié)果。發(fā)酵的溫升與控制微生物分解利用培養(yǎng)基中的糖類蛋白質(zhì)、脂肪，其中部分能量用來合成ATP，貯藏起來，供微生物生長(zhǎng)繁殖和生物合成的需要，其多余部分則以熱的形式散發(fā)到周圍環(huán)境中去。這就是“生物熱”，生物熱的測(cè)定方法很多，最常用的有根據(jù)基質(zhì)消耗與產(chǎn)物形成估計(jì)產(chǎn)熱量和根據(jù)呼吸估計(jì)放熱量。前者如以釀酒酵母為例，當(dāng)利用葡萄糖厭氧生長(zhǎng)時(shí)：
C6H12O6+0.12NH3=1.54CO2+1.30C2H6O+0.43C3H6O3+0.59CH1.75O0.45N0.20+96.2 KJ
利用葡萄糖好氧生長(zhǎng)時(shí)：
C6H12O6+3.84O2+0.29NH3=4.09C02+4.72H2O +1. 59CH1.72O0. 44N0.15+2 022 kJ 利用乙醇好氧生長(zhǎng)時(shí)，放出853.5 kJ熱，利用乙酸時(shí)則放出677.8 kJ熱，這些都是實(shí)驗(yàn)估算。根據(jù)呼吸估計(jì)放熱量的方法，一般的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)為每消耗1mol氧產(chǎn)生518.8 J熱，但理論值常得出443.5 J或451.9 J，實(shí)驗(yàn)式推算的平均值為497.5 J，這些數(shù)值比較接近可用于估算生物熱時(shí)參考。發(fā)酵過程中，由于菌種的性能、種子量的多少、培養(yǎng)基的成分和培養(yǎng)條件不同，釋放的生物熱自然不同。不過一般的情況是，發(fā)酵開始時(shí)，因菌量小釋放的熱量少，有時(shí)尚需加熱提高溫度，以滿足菌體生長(zhǎng)的需要，當(dāng)微生物進(jìn)入生長(zhǎng)旺盛期，放出大量熱量，溫度劇烈上升，發(fā)酵后朝逐漸緩和，釋放的熱量減少。曾發(fā)現(xiàn)微生物的調(diào)節(jié)機(jī)制與溫度有密切關(guān)系，在2 0℃低溫時(shí)，微生物的氨基酸合成途徑的終點(diǎn)產(chǎn)物，對(duì)開頭的酶所起的反饋抑制作用，要比37 C時(shí)大得多，故可考慮在發(fā)酵中期降低溫度，使微生物合成菌體蛋白質(zhì)和核酸的途徑關(guān)閉得比較嚴(yán)密一些，從而彌補(bǔ)通氣不足造成發(fā)酵的缺氧。培養(yǎng)基的組成和濃度如有改變時(shí)，罐溫也需要改變，使用稀薄配比或容易吸收利用的培養(yǎng)基時(shí)，過分提高罐溫，容易加速菌絲的生長(zhǎng)代謝，導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)成分過早耗竭，引起菌絲提早衰老自溶，造成、發(fā)酵損失。但用黃豆餅粉培養(yǎng)基，則提高罐溫的效果要比使用玉米漿培養(yǎng)基為佳。這是由于黃豆餅粉要比玉米漿難于吸收利用。不論是黃豆餅粉還是玉米漿的發(fā)酵過程中，通常會(huì)有泡沫產(chǎn)生，影響發(fā)酵過程，降低生產(chǎn)質(zhì)量。因此，在發(fā)酵的過程中需要用到發(fā)酵用消泡劑來解決泡沫的問題，提高生產(chǎn)質(zhì)量。本文參考《發(fā)酵微生物學(xué)》一書。

常見問題