发酵工程 精品课程
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华东理工大学 ·生物工程学院
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第五节 温度变化及其控制
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
温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于 0～
260C生长，嗜温菌适应于 15～ 430C生长，嗜热菌适
应于 37～ 650C生长，嗜高温菌适应于 650C以上生长
发酵工程控制
?温度变化及其控制
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每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温
度、最低温度来表征。在最适温度下，微生物生
长迅速；超过最高温度微生物即受到抑制或死亡；
在最低温度范围内微生物尚能生长，但生长速度
非常缓慢，世代时间无限延长。在最低和最高温
度之间，微生物的生长速率随温度升高而增加，
超过最适温度后，随温度升高，生长速率下降，
最后停止生长，引起死亡。
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微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超
过最高温度，微生物很快死亡；低于最低温
度，微生物代谢受到很大抑制，并不马上死
亡。这就是菌种保藏的原理。
发酵工程控制
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1、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
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 液晶状态, 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。
二、微生物与温度相关性的原理
发酵工程控制
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什么是液晶状态？
液晶状态是指某些有机物在发生固相到液相转变时的
过渡状态称为液晶态。
由固态转变为液晶态的温度称为熔点，以 T1表示；
由液晶态转变为液态的温度称为清亮点，以 T2表示。
T1与 T2之间的温度称为液晶温度范围。
那么为什么不同微生物对温度的要求不同呢？根据细
胞膜脂质成分分析表明，不同最适温度生长的微生物，
其膜内磷脂组成有很大区别。嗜热菌只含饱和脂肪酸，
而嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。
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2、蛋白质结构
人们采用二种方案来研究酶在低温条件下的结
构完整性和催化功能,(1)通过自然或诱导突变，
将特定残基发生改变的蛋白与其天然结构进行
对比； (2)对比同属嗜热、嗜温及嗜冷菌的蛋白
结构
通过对嗜冷酶的蛋白质模型和 x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，酶结构的柔韧性增加，使酶在低温下容易被底
物诱导产生催化作用
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嗜冷菌具有在 0℃ 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，蛋白质翻译的错误率最低。许多
中温菌不能在 O0C合成蛋白质，一方面是由于其
核糖体对低温的不适应，翻译过程中不能形成
有效的起始复合物，另一方面是由于低温下细
胞膜的破坏导致氨基酸等内容物的泄露。
3、蛋白质合成
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4、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 370C突然转移到 100C条件时细胞中会
诱导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克蛋白是
密切相关的。
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二、温度的影响与控制
（一）温度对发酵的影响
1、温度影响反应速率
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。
从阿累尼乌斯方程式可以看到 dlnKr/dt=E/RT2
积分得 E=
21
12
/1/1
/lo g6.4
TT
KK rr
?
E—— 活化能 Kr—— 速率常数
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K与温度有关
E越大温度变化
对 K的影响越大
21
1
2
11
lg61.4
TT
K
K
E r
r
?
?
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温度对菌的生长、产物合成的影响可能是不同的
青
霉
素
120C～ 300C
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2、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，当温度低于 300C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 350C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分解吸收。因此
对发酵过程中的温度要严格控制。
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（二）最适温度的选择
1、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
求的温度范围也不同。
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 30～ 320C，
青霉菌生长温度为 300C。
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在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌体，
取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使菌生长迅速；
在中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期，从
而提高产量，因此中期温度要稍低一些，可以推迟衰老。因为
在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关闭得比较
严密有利于产物合成。
发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，就又
提高温度，刺激产物合成到放罐。如四环素生长阶段 280C，合
成期 260C后期再升温；黑曲霉生长 370C，产糖化酶 32～ 340C。
但也有的菌种产物形成比生长温度高。如谷氨酸产生菌生长
30～ 320C，产酸 34～ 370C。最适温度选择要根据菌种与发酵
阶段做试验。
?根据生长阶段选择
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例,林可霉素发酵的变温培养
问题的提出
接种后 10h左右已进入对数生长期，随后是 10h左
右的加速生长期，在 40h左右对数生长期基本完成，
在 50h左右转入生产期
主要问题：
如何维持适度的菌体浓度和延长分泌期？
适当降低培养温度可以延缓菌体的衰老和维持相
当数量的有强生产能力的菌丝体存在
?根据生长阶段选择温度
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变温培养的正交设计
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发酵工程控制
结论,前 60h按 31℃ 控制，缩短了适应期使发酵
提前转入生产阶段，同时菌丝体已有相当量的积
累，为大量分泌抗生素提供了物质基础
60小时后将罐温降至 3O℃ 使与抗生素合成有关的
酶的活性增强，抗生素分泌量有所增加，同时因
分泌期的延长有利于进一步积累抗生素
发酵进入后期罐温再回升至 31℃ 使生产菌在生命
的最后阶段最大限度的合成和排出次级代谢产物。
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2、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。
通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低
些，溶氧浓度也可髙些。
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。
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3、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，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，
以利于菌的生长。
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。
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三、发酵过程引起温度变化的因素
（一）发酵热 Q发酵
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。
什么叫净热量呢？在发酵过程中产生菌分解基质
产生热量，机械搅拌产生热量，而罐壁散热、水
分蒸发、空气排气带走热量。这各种产生的热量
和各种散失的热量的代数和就叫做净热量。发酵
热引起发酵液的温度上升。发酵热大，温度上升
快，发酵热小，温度上升慢。
现在来分析发酵热产生和散失的各因素。
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1、生物热 Q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 ATP）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
出来的热就叫生物热。
微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。
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?生物热与发酵类型有关
微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多
一摩尔葡萄糖彻底氧化成 CO2和水
好氧：产生 287.2千焦耳热量，
183千焦耳转变为高能化合物
104.2千焦以热的形式释放
厌氧：产生 22.6千焦耳热量，
9.6千焦耳转变为高能化合物
13千焦以热的形式释放
二个例子中转化为高能化合物分别为 63.7％和 42.6％
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?培养过程中生物热的产生具有 强烈的时间性。
生物的大小与呼吸作用强弱有关
在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产
生热量较少。
菌体在对数生长期时，菌体繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌体
也较多，所以产生的热量多，温度上升快，必须注意控制温
度。
培养后期，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。
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，生物热也越大。
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2、搅拌热 Q搅拌
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：
Q搅拌 ＝ P× 860× 4186.8（焦耳 /小时）
P—— 搅拌轴功率
4186.8—— 机械能转变为热能的热功当量
电机功率 P= ?c os3 EI
E—— 额定电压
I—— 额定电流
cosφ—— 功率因素,1千瓦时＝ 860× 4186.8焦耳
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3、蒸发热 Q蒸发
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 Q显热,显热很小，一般可以忽略不计。
4、辐射热 Q辐射
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
与环境的温差。冬天大一些，夏天小一些，一般
不超过发酵热的 5％。
Q发酵 ＝ Q生物 ＋ Q搅拌 － Q蒸发 － Q辐射
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（二）发酵热的测定
有二种发酵热测定的方法。一种是用冷却水进
出口温度差计算发酵热。在工厂里，可以通过
测量冷却水进出口的水温，再从水表上得知每
小时冷却水流量来计算发酵热。
Q发酵 ＝ GCm(T出 － T进 )
Cm—— 水的比热
G—— 冷却水流量
另一种是根据罐温上升速率来计算。先自控，让发
酵液达到某一温度，然后停止加热或冷却，使罐温
自然上升或下降，根据罐温变化的速率计算出发酵
热。
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根据化合物的燃烧值估算发酵过程生物热的近似值。
因为热效应决定于系统的初态和终态，而与变化途径
无关，反应的热效应可以用燃烧值来计算，特别是有
机化合物，燃烧热可以直接测定。反应热效应等于反
应物的燃烧热总和减去生成物的燃烧热的总和。
ΔH＝ ∑（△ H） 反应物 － ∑（△ H） 产物
如谷氨酸发酵中主要物质的燃烧热为：
葡萄糖 159555.9KJ/Kg
谷氨酸 15449.3KJ/Kg
玉米浆 12309.2KJ/Kg
菌体 20934KJ/Kg
尿素 10634.5KJ/Kg
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可根据实测发酵过程中物质平衡计算生物热。例
如某味精厂 50M3发酵罐发酵过程测定结果的主
要物质变化如表：
发酵时间（ h） 0～ 6 6～ 12 12～ 18 18～ 31
糖 － 37 － 30.3 － 24.0 － 41.7
谷氨酸 5.9 15.4 23.9
尿素 － 2.9 － 6.0
菌体 4.8 6.0 1.2
玉米浆 － 2.4 － 3.0 － 0.6
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发酵 12～ 18小时的生物热为：
Q生物 ＝ 24× 159555.9＋ 0.6× 12309.2＋ 6× 10634.5
－ 1.2× 20934－ 15.4× 15449.3＝ 191098.1KJ/M3
191098.1÷ 6＝ 31849.7
每小时的生物热为 31849.7KJ/M3
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四、利用温度控制提高产量
例 1 利用热冲击处理技术提高发酵甘油的产量
背景：
（ 1）酵母在比常规发酵温度髙 10～ 200C的温度下
经受一段时间刺激后，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
（ 3） Toshiro发现热冲击可使胞内 3－磷酸甘油脱
氢酶的活力提高 15～ 25％，并导致甘油产量提高
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实验,甘油发酵是在髙渗透压环境中进行的，因
此可望通过热冲击来提高发酵甘油的产量
正交条件 A 冲击温度（ 0C） 40,45,50
B 开始时机（ h） 8,16,30
C 冲击时间（分） 15,30,60
结果发酵 16小时,450C冲击 30分钟最佳，发酵 96
小时后甘油浓度提高 32.6％，发酵罐实验见图
（ A） 16h,450C,30min
（ B） 12h,450C,30min
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A 温度； B 开始时机； C 冲击时间
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A比 B好
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例 2 重组大肠杆菌人 Cu/Zn-SOD的高表达
Lac启动子，用乳糖作诱导剂
270C 300C 340C 370C
SOD 4966 14270 6590 4638
比活 810 1471 679 526
蛋白 6.129 9.70 9.79 11.88
OD600 7.41 10.72 11.78 24.77
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原因：
1、乳糖被用于合成菌体和其它蛋白，减少了
合成 SOD的原料，随着温度升高，蛋白和菌浓
都增加。
2、高温下可能 SOD降解速率增加，杂蛋白增
加
3、低温下由于比生长速率低，质粒脱落减少
4、低温下菌的衰老减缓，死亡率低
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小 结
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
微生物的生长温度与细胞膜的 液晶温度 范围相
一致
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
域氨基酸的取代，离子束缚作用 (ion binding)
减弱，蛋白核心区域疏水作用下降等
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温度对发酵的影响：
温度影响反应速率
温度影响发酵方向
最
适
温
度
的
选
择
根据菌种
生长阶段选择
根据培养条件选择
菌种的生长情况
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发酵过程引起温度变化的因素
发酵热是引起发酵过程温度变化的原因
Q发酵 ＝ Q生物 ＋ Q搅拌 － Q蒸发 － Q辐射
生物热的定义，产生的原因：基质代谢。它
与菌种、发酵类型、生长阶段、营养条件有
关
搅拌热与搅拌功率有关
发酵热测定, 冷却容量
燃烧热
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思考题
7.16 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？
7.18 发酵过程的温度会不会变化？为什么
7.19 发酵热的定义
7.20 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？
7.22 发酵过程温度的选择有什么依据？
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第五节 温度变化及其控制
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
温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于 0～
260C生长，嗜温菌适应于 15～ 430C生长，嗜热菌适
应于 37～ 650C生长，嗜高温菌适应于 650C以上生长
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每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温
度、最低温度来表征。在最适温度下，微生物生
长迅速；超过最高温度微生物即受到抑制或死亡；
在最低温度范围内微生物尚能生长，但生长速度
非常缓慢，世代时间无限延长。在最低和最高温
度之间，微生物的生长速率随温度升高而增加，
超过最适温度后，随温度升高，生长速率下降，
最后停止生长，引起死亡。
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微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超
过最高温度，微生物很快死亡；低于最低温
度，微生物代谢受到很大抑制，并不马上死
亡。这就是菌种保藏的原理。
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1、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
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 液晶状态, 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。
二、微生物与温度相关性的原理
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什么是液晶状态？
液晶状态是指某些有机物在发生固相到液相转变时的
过渡状态称为液晶态。
由固态转变为液晶态的温度称为熔点，以 T1表示；
由液晶态转变为液态的温度称为清亮点，以 T2表示。
T1与 T2之间的温度称为液晶温度范围。
那么为什么不同微生物对温度的要求不同呢？根据细
胞膜脂质成分分析表明，不同最适温度生长的微生物，
其膜内磷脂组成有很大区别。嗜热菌只含饱和脂肪酸，
而嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。
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2、蛋白质结构
人们采用二种方案来研究酶在低温条件下的结
构完整性和催化功能,(1)通过自然或诱导突变，
将特定残基发生改变的蛋白与其天然结构进行
对比； (2)对比同属嗜热、嗜温及嗜冷菌的蛋白
结构
通过对嗜冷酶的蛋白质模型和 x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，酶结构的柔韧性增加，使酶在低温下容易被底
物诱导产生催化作用
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嗜冷菌具有在 0℃ 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，蛋白质翻译的错误率最低。许多
中温菌不能在 O0C合成蛋白质，一方面是由于其
核糖体对低温的不适应，翻译过程中不能形成
有效的起始复合物，另一方面是由于低温下细
胞膜的破坏导致氨基酸等内容物的泄露。
3、蛋白质合成
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4、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 370C突然转移到 100C条件时细胞中会
诱导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克蛋白是
密切相关的。
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二、温度的影响与控制
（一）温度对发酵的影响
1、温度影响反应速率
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。
从阿累尼乌斯方程式可以看到 dlnKr/dt=E/RT2
积分得 E=
21
12
/1/1
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TT
KK rr
?
E—— 活化能 Kr—— 速率常数
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K与温度有关
E越大温度变化
对 K的影响越大
21
1
2
11
lg61.4
TT
K
K
E r
r
?
?
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温度对菌的生长、产物合成的影响可能是不同的
青
霉
素
120C～ 300C
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2、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，当温度低于 300C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 350C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分解吸收。因此
对发酵过程中的温度要严格控制。
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（二）最适温度的选择
1、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
求的温度范围也不同。
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 30～ 320C，
青霉菌生长温度为 300C。
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?温度变化及其控制
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在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌体，
取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使菌生长迅速；
在中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期，从
而提高产量，因此中期温度要稍低一些，可以推迟衰老。因为
在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关闭得比较
严密有利于产物合成。
发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，就又
提高温度，刺激产物合成到放罐。如四环素生长阶段 280C，合
成期 260C后期再升温；黑曲霉生长 370C，产糖化酶 32～ 340C。
但也有的菌种产物形成比生长温度高。如谷氨酸产生菌生长
30～ 320C，产酸 34～ 370C。最适温度选择要根据菌种与发酵
阶段做试验。
?根据生长阶段选择
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例,林可霉素发酵的变温培养
问题的提出
接种后 10h左右已进入对数生长期，随后是 10h左
右的加速生长期，在 40h左右对数生长期基本完成，
在 50h左右转入生产期
主要问题：
如何维持适度的菌体浓度和延长分泌期？
适当降低培养温度可以延缓菌体的衰老和维持相
当数量的有强生产能力的菌丝体存在
?根据生长阶段选择温度
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变温培养的正交设计
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发酵工程控制
结论,前 60h按 31℃ 控制，缩短了适应期使发酵
提前转入生产阶段，同时菌丝体已有相当量的积
累，为大量分泌抗生素提供了物质基础
60小时后将罐温降至 3O℃ 使与抗生素合成有关的
酶的活性增强，抗生素分泌量有所增加，同时因
分泌期的延长有利于进一步积累抗生素
发酵进入后期罐温再回升至 31℃ 使生产菌在生命
的最后阶段最大限度的合成和排出次级代谢产物。
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2、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。
通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低
些，溶氧浓度也可髙些。
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。
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3、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，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，
以利于菌的生长。
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。
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三、发酵过程引起温度变化的因素
（一）发酵热 Q发酵
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。
什么叫净热量呢？在发酵过程中产生菌分解基质
产生热量，机械搅拌产生热量，而罐壁散热、水
分蒸发、空气排气带走热量。这各种产生的热量
和各种散失的热量的代数和就叫做净热量。发酵
热引起发酵液的温度上升。发酵热大，温度上升
快，发酵热小，温度上升慢。
现在来分析发酵热产生和散失的各因素。
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1、生物热 Q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 ATP）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
出来的热就叫生物热。
微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。
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?生物热与发酵类型有关
微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多
一摩尔葡萄糖彻底氧化成 CO2和水
好氧：产生 287.2千焦耳热量，
183千焦耳转变为高能化合物
104.2千焦以热的形式释放
厌氧：产生 22.6千焦耳热量，
9.6千焦耳转变为高能化合物
13千焦以热的形式释放
二个例子中转化为高能化合物分别为 63.7％和 42.6％
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?培养过程中生物热的产生具有 强烈的时间性。
生物的大小与呼吸作用强弱有关
在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产
生热量较少。
菌体在对数生长期时，菌体繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌体
也较多，所以产生的热量多，温度上升快，必须注意控制温
度。
培养后期，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。
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，生物热也越大。
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2、搅拌热 Q搅拌
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：
Q搅拌 ＝ P× 860× 4186.8（焦耳 /小时）
P—— 搅拌轴功率
4186.8—— 机械能转变为热能的热功当量
电机功率 P= ?c os3 EI
E—— 额定电压
I—— 额定电流
cosφ—— 功率因素,1千瓦时＝ 860× 4186.8焦耳
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3、蒸发热 Q蒸发
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 Q显热,显热很小，一般可以忽略不计。
4、辐射热 Q辐射
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
与环境的温差。冬天大一些，夏天小一些，一般
不超过发酵热的 5％。
Q发酵 ＝ Q生物 ＋ Q搅拌 － Q蒸发 － Q辐射
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（二）发酵热的测定
有二种发酵热测定的方法。一种是用冷却水进
出口温度差计算发酵热。在工厂里，可以通过
测量冷却水进出口的水温，再从水表上得知每
小时冷却水流量来计算发酵热。
Q发酵 ＝ GCm(T出 － T进 )
Cm—— 水的比热
G—— 冷却水流量
另一种是根据罐温上升速率来计算。先自控，让发
酵液达到某一温度，然后停止加热或冷却，使罐温
自然上升或下降，根据罐温变化的速率计算出发酵
热。
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根据化合物的燃烧值估算发酵过程生物热的近似值。
因为热效应决定于系统的初态和终态，而与变化途径
无关，反应的热效应可以用燃烧值来计算，特别是有
机化合物，燃烧热可以直接测定。反应热效应等于反
应物的燃烧热总和减去生成物的燃烧热的总和。
ΔH＝ ∑（△ H） 反应物 － ∑（△ H） 产物
如谷氨酸发酵中主要物质的燃烧热为：
葡萄糖 159555.9KJ/Kg
谷氨酸 15449.3KJ/Kg
玉米浆 12309.2KJ/Kg
菌体 20934KJ/Kg
尿素 10634.5KJ/Kg
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可根据实测发酵过程中物质平衡计算生物热。例
如某味精厂 50M3发酵罐发酵过程测定结果的主
要物质变化如表：
发酵时间（ h） 0～ 6 6～ 12 12～ 18 18～ 31
糖 － 37 － 30.3 － 24.0 － 41.7
谷氨酸 5.9 15.4 23.9
尿素 － 2.9 － 6.0
菌体 4.8 6.0 1.2
玉米浆 － 2.4 － 3.0 － 0.6
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发酵 12～ 18小时的生物热为：
Q生物 ＝ 24× 159555.9＋ 0.6× 12309.2＋ 6× 10634.5
－ 1.2× 20934－ 15.4× 15449.3＝ 191098.1KJ/M3
191098.1÷ 6＝ 31849.7
每小时的生物热为 31849.7KJ/M3
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四、利用温度控制提高产量
例 1 利用热冲击处理技术提高发酵甘油的产量
背景：
（ 1）酵母在比常规发酵温度髙 10～ 200C的温度下
经受一段时间刺激后，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
（ 3） Toshiro发现热冲击可使胞内 3－磷酸甘油脱
氢酶的活力提高 15～ 25％，并导致甘油产量提高
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实验,甘油发酵是在髙渗透压环境中进行的，因
此可望通过热冲击来提高发酵甘油的产量
正交条件 A 冲击温度（ 0C） 40,45,50
B 开始时机（ h） 8,16,30
C 冲击时间（分） 15,30,60
结果发酵 16小时,450C冲击 30分钟最佳，发酵 96
小时后甘油浓度提高 32.6％，发酵罐实验见图
（ A） 16h,450C,30min
（ B） 12h,450C,30min
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A 温度； B 开始时机； C 冲击时间
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A比 B好
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例 2 重组大肠杆菌人 Cu/Zn-SOD的高表达
Lac启动子，用乳糖作诱导剂
270C 300C 340C 370C
SOD 4966 14270 6590 4638
比活 810 1471 679 526
蛋白 6.129 9.70 9.79 11.88
OD600 7.41 10.72 11.78 24.77
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原因：
1、乳糖被用于合成菌体和其它蛋白，减少了
合成 SOD的原料，随着温度升高，蛋白和菌浓
都增加。
2、高温下可能 SOD降解速率增加，杂蛋白增
加
3、低温下由于比生长速率低，质粒脱落减少
4、低温下菌的衰老减缓，死亡率低
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小 结
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
微生物的生长温度与细胞膜的 液晶温度 范围相
一致
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
域氨基酸的取代，离子束缚作用 (ion binding)
减弱，蛋白核心区域疏水作用下降等
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温度对发酵的影响：
温度影响反应速率
温度影响发酵方向
最
适
温
度
的
选
择
根据菌种
生长阶段选择
根据培养条件选择
菌种的生长情况
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发酵过程引起温度变化的因素
发酵热是引起发酵过程温度变化的原因
Q发酵 ＝ Q生物 ＋ Q搅拌 － Q蒸发 － Q辐射
生物热的定义，产生的原因：基质代谢。它
与菌种、发酵类型、生长阶段、营养条件有
关
搅拌热与搅拌功率有关
发酵热测定, 冷却容量
燃烧热
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思考题
7.16 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？
7.18 发酵过程的温度会不会变化？为什么
7.19 发酵热的定义
7.20 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？
7.22 发酵过程温度的选择有什么依据？
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