​一、溫度對發(fā)酵的影響

微生物發(fā)酵所用的菌體絕大多數是中溫菌，如霉菌、放線菌和一般細菌。它們的最適生長溫度一般在20～40℃。在發(fā)酵過程中，需要維持適當的溫度，才能使菌體生長和代謝產物的生成順利地進行。

溫度對發(fā)酵有很大的影響。它會影響各種酶反應的速率，改變菌體代謝產物的合成方向，影響微生物的代謝調控機制，影響發(fā)酵液的理化性質，進而影響發(fā)酵的動力學特性和產物的生物合成。

溫度對化學反應速度的影響常用溫度系數（Q10）（溫度每升高10℃，化學反應速度所增加的倍數）來表示。在不同溫度范圍內，Q10的數值是不同的，一般是2～3。而酶反應速度與溫度變化的關系也完全符合此規(guī)律，也就是說，在一定范圍內，隨著溫度的升高，酶反應速率也增加，但有一個最適溫度，超過這個溫度，酶的催化活力會下降。溫度對菌體生長的酶反應和代謝產物合成的酶反應的影響往往是不同的。

有人考察了不同溫度(13～35℃)對青霉菌的生長速率、呼吸強度和青霉素生成速率的影響，結果是，溫度對這三種代謝的影響是不同的。按照阿倫尼烏斯方程計算，青霉菌生長的活化能E=34kJ／mol，呼吸活化能E=71kJ／mol，青霉素合成的活化能E=112kJ／mol。從這些數據得知：青霉素生成速率對溫度的影響最為敏感，微小的溫度變化，就會引起生成速率產生明顯的改變，偏離最適溫度就會引起產物產量發(fā)生比較明顯的下降，這說明次級代謝發(fā)酵溫度控制的重要性。因此，溫度對菌體的生長和合成代謝的影響是極其復雜的，需要考察它對發(fā)酵的影響。

溫度還能改變菌體代謝產物的合成方向。如在高濃度Cl-和低濃度Cl-的培養(yǎng)基中利用金霉素鏈霉菌NRRLB-1287進行四環(huán)素發(fā)酵過程中，發(fā)酵溫度愈高，愈有利于四環(huán)素的合成，30℃以下時合成的金霉素增多，在35℃時就只產四環(huán)素，而金霉素合成幾乎停止。

溫度變化還對多組分次級代謝產物的組分比例產生影響。如黃曲霉產生的多組分黃曲霉毒素，在20℃、25℃和30℃下發(fā)酵所產生的黃曲霉毒素(aflatoxin)G1與B1的比例分別為3:1、1:2、1:1。又如赭曲霉在10～20℃發(fā)酵時，有利于合成青霉素，在28℃時則有利于合成赭曲霉毒素A。這些例子，都說明溫度變化不僅影響酶反應的速率，還影響產物的合成方向（當然，這也是酶反應）。據報道，溫度還能影響微生物的代謝調控機制，在氨基酸生物合成途徑中的終產物對第一個合成酶的反饋抑制作用，在20℃低溫時就比在正常生長溫度37℃時抑制更嚴重。

除上述直接影響外，溫度還對發(fā)酵液的物理性質產生影響，如發(fā)酵液的黏度、基質和氧在發(fā)酵液中的溶解度和傳遞速率、某些基質的分解吸收速率等，都受溫度變化的影響，進而影響發(fā)酵動力學特性和產物的生物合成。

二、影響發(fā)酵溫度變化的因素

在發(fā)酵過程中，既有產生熱能的因素，又有散失熱能的因素，因而引起發(fā)酵溫度的變化。產熱的因素有生物熱(Q生物)和攪拌熱(Q攪拌)；散熱因素有蒸發(fā)熱(Q蒸發(fā))、輻射熱(Q輻射)和顯熱(Q顯)。產生的熱能減去散失的熱能，所得的凈熱量就是發(fā)酵熱[Q發(fā)酵，kJ／(m3·h)]，即Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q顯-Q輻射。這就是發(fā)酵溫度變化的主要因素�，F將這些產熱和散熱的因素分述如下。

⒈生物熱(Q生物)

產生菌在生長繁殖過程中產生的熱能，叫做生物熱。營養(yǎng)基質被菌體分解代謝產生大量的熱能，部分用于合成高能化合物ATP，供給合成代謝所需要的能量，多余的熱量則以熱能的形式釋放出來，形成了生物熱。

生物熱的大小，是隨菌種和培養(yǎng)基成分不同而變化。一般來說，對某一菌株而言，在同一條件下，培養(yǎng)基成分愈豐富，營養(yǎng)成分被利用的速度愈快，產生的生物熱就愈大。生物熱的大小還隨培養(yǎng)時間不同而不同：當菌體處在孢子發(fā)芽和停滯期時，產生的生物熱是有限的；進入對數期，就釋放出大量的熱能，并與細胞的生成量成正比；在對數期以后，熱能就開始減少，并隨菌體逐步衰老而下降。因此，在對數期釋放的發(fā)酵熱最大，常作為發(fā)酵熱平衡的主要依據。例如，四環(huán)素發(fā)酵在20～50h時的發(fā)酵熱最大，最高值達29330kJ／(m3·h)，其他時間的最低值約為8380kJ／(m3·h)，平均值為16760kJ／(m3·h)。另外，還發(fā)現抗生素高產量批次的生物熱高于低產量批次的生物熱。這說明抗生素合成時菌的新陳代謝十分旺盛。

生物熱的大小與菌體的呼吸強度有對應關系，呼吸強度愈大，所產生的生物熱也愈大。在四環(huán)素發(fā)酵中，這兩者的變化是一致的，生物熱的高峰也是碳利用速度的高峰。有人已證明，在一定條件下，發(fā)酵熱與菌體的攝氧率成正比關系，即Q發(fā)酵=0.12。

　　
⒉攪拌熱(Q攪拌)
發(fā)酵罐攪拌器轉動引起的液體之間和液體與設備之間的摩擦所產生的熱量，即攪拌熱。攪拌熱可根據下式近似算出來。

　　
⒊蒸發(fā)熱(Q蒸發(fā))
空氣進入發(fā)酵罐與發(fā)酵液廣泛接觸后再排出，引起水分蒸發(fā)所需的熱能，即為蒸發(fā)熱。水的蒸發(fā)熱和廢氣因溫度差異所帶的部分顯熱(Q顯)一起都散失到外界。由于進入的空氣溫度和濕度是隨外界的氣候和控制條件而變，所以Q蒸發(fā)和Q顯是變化的。
　　
⒋輻射熱(Q輻射)
由于罐外壁和大氣間的溫度差異而使發(fā)酵液中的部分熱能通過罐體向大氣輻射的熱量，即為輻射熱。輻射熱的大小取決于罐內溫度與外界氣溫的差值，差值愈大，散熱愈多。

由于Q生物、Q蒸發(fā)和Q顯，特別是Q生物在發(fā)酵過程中是隨時間變化的，因此發(fā)酵熱在整個發(fā)酵過程中也隨時間變化，引起發(fā)酵溫度經常波動。為了使發(fā)酵能在一定溫度下進行，故要設法進行控制。

三、溫度的控制

⒈最適溫度的選擇
最適發(fā)酵溫度是既適合菌體的生長、又適合代謝產物合成的溫度。但最適生長溫度與最適生產溫度往往是不一致的。各種微生物在一定條件下，都有一個最適的溫度范圍。微生物種類不同，所具有的酶系不同，所要求的溫度不同。同一微生物，培養(yǎng)條件不同，最適溫度不同。如谷氨酸產生菌的最適生長溫度為30～34℃，產生谷氨酸的溫度為36～37℃。在谷氨酸發(fā)酵的前期菌生長階段和種子培養(yǎng)階段應滿足菌體生長的最適溫度。若溫度過高，菌體容易衰老。在發(fā)酵的中后期菌體生長已經停止，為了大量積累谷氨酸，需要適當提高溫度。又如初級代謝產物乳酸的發(fā)酵，乳酸鏈球菌的最適生長溫度為34℃，而產酸最多的溫度為30℃，但發(fā)酵速度最快的溫度最高達40℃。次級代謝產物發(fā)酵更是如此，如在加有2％乳糖、2％玉米漿和適量無機鹽的培養(yǎng)基中對青霉素產生菌產黃青霉進行發(fā)酵研究，測得菌體的最適生長溫度為30℃，而青霉素合成的最適溫度僅為24.7℃。因此需要選擇一個最適的發(fā)酵溫度。

最適發(fā)酵溫度隨著菌種、培養(yǎng)基成分、培養(yǎng)條件和菌體生長階段不同而改變。理論上，整個發(fā)酵過程中不應只選一個培養(yǎng)溫度，而應根據發(fā)酵不同階段，選擇不同的培養(yǎng)溫度。在生長階段，應選擇最適生長溫度；在產物生成階段，應選擇最適生產溫度。發(fā)酵溫度可根據不同菌種，不同產品進行控制。

有人試驗青霉素變溫發(fā)酵，其溫度變化過程是，起初5h，維持在30℃，以后降到25℃培養(yǎng)35h，再降到20℃培養(yǎng)85h，最后又提高到25℃，培養(yǎng)40h放罐。在這樣條件下所得青霉素產量比在25℃恒溫培養(yǎng)提高了14.7％。又如四環(huán)素發(fā)酵，在中后期保持稍低的溫度，可延長產物生產期，放罐前的24h，培養(yǎng)溫度提高2～3℃，就能使最后這一天的發(fā)酵單位增加率提高50％以上。這些都說明變溫發(fā)酵產生的良好結果。但在工業(yè)發(fā)酵中，由于發(fā)酵液的體積很大，升降溫度都比較困難，所以在整個發(fā)酵過程中，往往采用一個比較適合的恒定培養(yǎng)溫度，使得到的產物產量最高，或者在可能條件下進行變溫發(fā)酵。實際生產中，為了得到較高的發(fā)酵效率，獲得滿意的產物得率，往往采用二級或三級管理溫度。

⒉溫度的控制
工業(yè)生產上，所用的大發(fā)酵罐在發(fā)酵過程中一般不需要加熱，因發(fā)酵中釋放了大量的發(fā)酵熱，而需要冷卻的情況較多。利用自動控制或手動調整的閥門，將冷卻水通入發(fā)酵罐的夾層或蛇形管中，通過熱交換來降溫，保持恒溫發(fā)酵。如果氣溫較高(特別是我國南方的夏季氣溫)，作為冷卻水的地表水溫度又高，致使冷卻效果很差，達不到預定的溫度，須采用冷凍鹽水進行循環(huán)式降溫，以迅速降到最適發(fā)酵溫度。因此大工廠需要建立冷凍站，提高冷卻能力，以保證發(fā)酵在最適溫度下進行。