發酵過程溫度與控制

發布時間：2012-5-16 11:23

生長溫度與發酵溫度微生物的不同種甚至不同的菌株其最適的生長溫度不一定相同。而對某一生產菌株而言，菌體生長的最適溫度與形成代謝產物的最適溫度也往往不同。例如，谷氨酸產生菌各菌株的情況就是如此，見表1。因此，要按照生產菌株的特性，發酵前期溫度滿足菌體生長的要求，而后期溫度要有利于促進發酵進行。同一菌種在不同的菌齡對溫度的敏感性是不同的。一般在分裂期的細胞對溫度比較敏感，因此，種子培養和發酵初期應當嚴格控制溫度，而發酵后期對溫度的敏感性遲鈍，甚至能短時間忍受較高的溫度。溫度不同歸根結底是影響酶系的活力，在最適溫度以下培養時生長代謝降低。反之，則生長代謝加速。如培養溫度過高，酶系活力下降，溫度越高，失活越快，菌細胞即提早衰老自溶。培養時間縮短，會使產量減少。在最適溫度下，微生物細胞的DNA，RNA和細胞膜對熱有較強的抵抗力。DNA的雙鏈受氫鍵的約束，有固定結構，當高溫時氫鍵破裂，DNA雙鏈脫開，即使溫度恢復正常后，此雙鏈也不再復原，DNA即喪失它的生物功能。活動狀態的細胞要比休眠狀態的細胞容易損害，可以理解為DNA雙鏈結構受高溫而破壞，和其核糖體酶及細胞膜等發生變化的結果。發酵的溫升與控制微生物分解利用培養基中的糖類蛋白質、脂肪，其中部分能量用來合成ATP，貯藏起來，供微生物生長繁殖和生物合成的需要，其多余部分則以熱的形式散發到周圍環境中去。這就是“生物熱”，生物熱的測定方法很多，最常用的有根據基質消耗與產物形成估計產熱量和根據呼吸估計放熱量。前者如以釀酒酵母為例，當利用葡萄糖厭氧生長時：
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時：
C6H12O6+3.84O2+0.29NH3=4.09C02+4.72H2O +1. 59CH1.72O0. 44N0.15+2 022 kJ 利用乙醇好氧生長時，放出853.5 kJ熱，利用乙酸時則放出677.8 kJ熱，這些都是實驗估算。根據呼吸估計放熱量的方法，一般的經驗常數為每消耗1mol氧產生518.8 J熱，但理論值常得出443.5 J或451.9 J，實驗式推算的平均值為497.5 J，這些數值比較接近可用于估算生物熱時參考。發酵過程中，由于菌種的性能、種子量的多少、培養基的成分和培養條件不同，釋放的生物熱自然不同。不過一般的情況是，發酵開始時，因菌量小釋放的熱量少，有時尚需加熱提高溫度，以滿足菌體生長的需要，當微生物進入生長旺盛期，放出大量熱量，溫度劇烈上升，發酵后朝逐漸緩和，釋放的熱量減少。曾發現微生物的調節機制與溫度有密切關系，在2 0℃低溫時，微生物的氨基酸合成途徑的終點產物，對開頭的酶所起的反饋抑制作用，要比37 C時大得多，故可考慮在發酵中期降低溫度，使微生物合成菌體蛋白質和核酸的途徑關閉得比較嚴密一些，從而彌補通氣不足造成發酵的缺氧。培養基的組成和濃度如有改變時，罐溫也需要改變，使用稀薄配比或容易吸收利用的培養基時，過分提高罐溫，容易加速菌絲的生長代謝，導致營養成分過早耗竭，引起菌絲提早衰老自溶，造成、發酵損失。但用黃豆餅粉培養基，則提高罐溫的效果要比使用玉米漿培養基為佳。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酵過程中，通常會有泡沫產生，影響發酵過程，降低生產質量。因此，在發酵的過程中需要用到發酵用消泡劑來解決泡沫的問題，提高生產質量。本文參考《發酵微生物學》一書。

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