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發(fā)酵過程引起溫度變化的因素

在發(fā)酵過程中，隨著微生物對培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)的利用以及機械攪拌的作用，都會產(chǎn)生定的熱量，同時，由于發(fā)酵罐壁的散熱、水分的蒸發(fā)等將會帶走部分熱量，因而會引起發(fā)酵溫度的變化。

習慣上將產(chǎn)生的熱能減去散失的熱能所得的凈熱量稱為發(fā)酵熱Q發(fā)酵（kJ m-3h-1）。發(fā)酵熱包括生物熱、攪拌熱、蒸發(fā)熱、輻射熱等。

1、生物熱（Q生物）

生物熱是指產(chǎn)生菌在生長繁殖過程中產(chǎn)生的熱能。這種熱主要是培養(yǎng)基中碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)被微生物分解成CO2、Nh3、水和其他物質(zhì)時釋放出來的。釋放出來的能量部分用來合成高能化合物（如ATp），供微生物合成和代謝活動的需要，部分用來合成產(chǎn)物，其余部分則以熱的形式散發(fā)出來。

生物熱的大小隨菌種和培養(yǎng)基成分不同而變化。對某菌株而言，在同條件下，培養(yǎng)基成分越豐富，營養(yǎng)物質(zhì)被利用得越快，產(chǎn)生的生物熱就越大。生物熱的大小還隨培養(yǎng)時間的不同而不同，當菌體處在孢子萌發(fā)階段或延遲期時，微生物數(shù)量少，呼吸作用緩慢，產(chǎn)生的生物熱是有限的；而進入對數(shù)生長期后，微生物細胞繁殖旺盛，就釋放出大量的熱能，培養(yǎng)基的溫度升高較快；在對數(shù)期后，微生物已基本停止繁殖，產(chǎn)熱隨菌體的衰老而逐步下降。因此，對數(shù)生長期釋放的熱量常被作為發(fā)酵熱平衡的主要依據(jù)。例如，四環(huán)素發(fā)酵在20～

50h的發(fā)酵熱為大，高值達29330kJ-m-3-h-1，其他時間的低值約為8380kJ-m-3-h-1，平均為16760kJ-m-3-h-1。

2、攪拌熱（Q攪拌）

好氧培養(yǎng)的發(fā)酵罐都有定功率的攪拌裝置。攪拌帶動發(fā)酵液做機械運動，造成液體之間、液體和設備之間的摩擦，由此產(chǎn)生定的熱量，其稱為攪拌熱。攪拌熱可根據(jù)下式近似算出來：Q攪拌=3600（P/V）（81）式中：pV是通氣條件下單位體積發(fā)酵液所消耗的功率，單位為KW-m-3；3600為熱功當量，單位為kJ-kW-1-h-1。

3、蒸發(fā)熱（Q蒸發(fā)）

蒸發(fā)熱是指空氣進入發(fā)酵罐，與發(fā)酵液廣泛接觸后，引起水分蒸發(fā)所需的熱能，也叫汽化熱。蒸發(fā)熱可按下式計算：Q蒸發(fā)=qm（h出-h進）（82）式中：qm為空氣流量，單位為kg-h-1；h出、h進分別為排氣、進氣的熱焙，單位為kJ-kg-1。

4、輻射熱（Q輻射）

輻射熱是指因存在罐內(nèi)外溫差，使發(fā)酵液中通過罐體向外輻射的熱量。輻射熱的大小取決于罐內(nèi)外溫差的大小，通常冬天輻射熱大，夏天輻射熱小。

因此，發(fā)酵熱可寫為Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q輻射（83）由于Q生物、Q蒸發(fā)在發(fā)酵過程中隨時間而變化，因此發(fā)酵熱在整個發(fā)酵過程中也是隨時間而變化的。為了使發(fā)酵在定溫度下進行，生產(chǎn)中都采取在發(fā)酵罐上安裝夾套或盤管的方式，在溫度高時，通過循環(huán)冷卻水加以控制；在溫度低時，通過加熱使夾套或盤管中的循環(huán)水達到定的溫度，從而實現(xiàn)對發(fā)酵溫度進行有效控制。

發(fā)酵熱般可通過下列方法進行測定和計算。

①通過測定段時間內(nèi)冷卻水的流量和進、出冷卻水的溫度計算：

Q發(fā)酵=qVC（t2-t1）V（84）式中：qV為冷卻水體積流量，單位為Lh-1；C為水的比熱容，單位為kJ-kg-1-℃-1；t1、t2為進、出冷卻水的溫度，單位為℃；V為發(fā)酵液體積，單位為m3。

②通過自動控制發(fā)酵罐的溫度，先使罐溫達到恒定，再關(guān)閉控制裝置，測定溫度隨時間上升的速率，按下式計算發(fā)酵熱：Q發(fā)酵=

（m1C1+m2C2）u（85）式中：m1、m2分別為發(fā)酵液及發(fā)酵罐的質(zhì)量，單位為kg；C1、C2分別為發(fā)酵液及發(fā)酵罐材料的比熱容，單位為kJkg-1-℃-1；u為溫度上升速率，單位為℃h-1。

③根據(jù)化合物的燃燒熱計算發(fā)酵過程中生物熱的近似值。根據(jù)hess定律，熱效應取決于系統(tǒng)的初態(tài)和終態(tài)，而與變化的途徑無關(guān)，反應的熱效應等于底物的生成熱總和減去產(chǎn)物的生成熱總和。對于有機化合物，燃燒熱可直接測定，因而采用燃燒熱計算就更合適。計算公式如下：Ah=Ah底物-Ah產(chǎn)物（86）雖然發(fā)酵是個復雜的生化過程，底物和產(chǎn)物很多，但是可以以主要物質(zhì)（即在反應中起決定作用的物質(zhì)）來進行近似的計算。