发酵过程温度与控制

发布时间:2012-5-16 11:23
生长温度与发酵温度 微生物的不同种甚至不同的菌株其最适的生长温度不一定相同。而对某一生产菌株而言,菌体生长的最适温度与形成代谢产物的最适温度也往往不同。例如,谷氨酸产生菌各菌株的情况就是如此,见表1。因此,要按照生产菌株的特性,发酵前期温度满足菌体生长的要求,而后期温度要有利于促进发酵进行。 同一菌种在不同的菌龄对温度的敏感性是不同的。一般在分裂期的细胞对温度比较敏感,因此,种子培养和发酵初期应当严格控制温度,而发酵后期对温度的敏感性迟钝,甚至能短时间忍受较高的温度。 温度不同归根结底是影响酶系的活力,在最适温度以下培养时生长代谢降低。反之,则生长代谢加速。如培养温度过高,酶系活力下降,温度越高,失活越快,菌细胞即提早衰老自溶。培养时间缩短,会使产量减少。 在最适温度下,微生物细胞的DNA,RNA和细胞膜对热有较强的抵抗力。DNA的双链受氢键的约束,有固定结构,当高温时氢键破裂,DNA双链脱开,即使温度恢复正常后,此双链也不再复原,DNA即丧失它的生物功能。活动状态的细胞要比休眠状态的细胞容易损害,可以理解为DNA双链结构受高温而破坏,和其核糖体酶及细胞膜等发生变化的结果。 发酵的温升与控制 微生物分解利用培养基中的糖类蛋白质、脂肪,其中部分能量用来合成ATP,贮藏起来,供微生物生长繁殖和生物合成的需要,其多余部分则以热的形式散发到周围环境中去。这就是“生物热”,生物热的测定方法很多,最常用的有根据基质消耗与产物形成估计产热量和根据呼吸估计放热量。前者如以酿酒酵母为例,当利用葡萄糖厌氧生长时:
C6H12O6+0.12NH3=1.54CO2+1.30C2H6O+0.43C3H6O3+0.59CH1.75O0.45N0.20+96.2 KJ
利用葡萄糖好氧生长时:
C6H12O6+3.84O2+0.29NH3=4.09C02+4.72H2O +1. 59CH1.72O0. 44N0.15+2 022 kJ
利用乙醇好氧生长时,放出853.5 kJ热,利用乙酸时则放出677.8 kJ热,这些都是实验估算。根据呼吸估计放热量的方法,一般的经验常数为每消耗1mol氧产生518.8 J热,但理论值常得出443.5 J或451.9 J,实验式推算的平均值为497.5 J,这些数值比较接近可用于估算生物热时参考。 发酵过程中,由于菌种的性能、种子量的多少、培养基的成分和培养条件不同,释放的生物热自然不同。不过一般的情况是,发酵开始时,因菌量小释放的热量少,有时尚需加热提高温度,以满足菌体生长的需要,当微生物进入生长旺盛期,放出大量热量,温度剧烈上升,发酵后朝逐渐缓和,释放的热量减少。 曾发现微生物的调节机制与温度有密切关系,在2 0℃低温时,微生物的氨基酸合成途径的终点产物,对开头的酶所起的反馈抑制作用,要比37 C时大得多,故可考虑在发酵中期降低温度, 使微生物合成菌体蛋白质和核酸的途径关闭得比较严密一些,从而弥补通气不足造成发酵的缺氧。 培养基的组成和浓度如有改变时,罐温也需要改变,使用稀薄配比或容易吸收利用的培养基时,过分提高罐温,容易加速菌丝的生长代谢,导致营养成分过早耗竭,引起菌丝提早衰老自溶,造成、发酵损失。但用黄豆饼粉培养基,则提高罐温的效果要比使用玉米浆培养基为佳。这是由于黄豆饼粉要比玉米浆难于吸收利用。不论是黄豆饼粉还是玉米浆的发酵过程中,通常会有泡沫产生,影响发酵过程,降低生产质量。因此,在发酵的过程中需要用到发酵用消泡剂来解决泡沫的问题,提高生产质量。 本文参考《发酵微生物学》一书。
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