溫度對微生物生長的影響，及這些影響在食品工程中的運(yùn)用。

【專家解說】：影響微生物生長繁殖的條件主要有下面這五個方面： （1）營養(yǎng)條件。微生物也需要營養(yǎng)，才能正常生長，營養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)是微生物生存的首要條件。微生物主要的營養(yǎng)物質(zhì)包括碳化物、氮化物、水和無機(jī)鹽以及微量元素等。不同的微生物彼此所需要的營養(yǎng)條件有或多或少的差別。例如，假單胞桿菌屬的細(xì)菌可以利用90種以上的碳化物，而甲烷氧化菌卻只能利用甲烷和甲醇。有少數(shù)細(xì)胞能利用對其他生活有毒的酚、氰化物，固氮細(xì)胞可以利用空氣中的氮?dú)獾鹊取? （2）溫度。溫度是影響微生物存活的重要因素之一。微生物有各自的最適溫度，一般是在20～70℃左右。個別微生物可在200～300℃的高溫下生活。 （3）酸堿度。各種微生物都有其最適酸堿度。酵母和霉菌適宜在微酸性環(huán)境中。也有少數(shù)可以在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿性環(huán)境中生存。 （4）微生物與氧氣的關(guān)系。有的微生物沒有空氣就不能生存；有的通風(fēng)反不能生存；有的通風(fēng)或不通風(fēng)都能生存。 （5）有毒物質(zhì)、輻射、超聲波對微生物的生長也有著重要的影響。 沼氣發(fā)酵工藝類型 （二）以發(fā)酵溫度劃分 沼氣發(fā)酵的溫度范圍一般在10~60℃之間，溫度對沼氣發(fā)酵的影響很大，溫度升高沼氣發(fā)酵的產(chǎn)氣率也隨之提高，通常以沼氣發(fā)酵溫度區(qū)分為：高溫發(fā)酵、中溫發(fā)酵和常溫發(fā)酵工藝。 1、高溫發(fā)酵工藝 高溫發(fā)酵工藝指發(fā)酵料液溫度維持50~60℃的范圍之間，實(shí)際控制溫度多在53+-2℃，該工藝的特點(diǎn)是微生物生長活躍，有機(jī)物分解速度快，產(chǎn)氣率高，滯留時間短。采用高溫發(fā)酵可以有效地殺滅各種致病菌和寄生蟲卵，具有較好的衛(wèi)生效果，從除害滅病和發(fā)酵剩余物肥料利用的角度看，選用高溫發(fā)酵是較為實(shí)用的。但要維持消化器的高溫運(yùn)行，能量消耗較大。一般情況下，在有余熱可利用的條件下，可采用高溫發(fā)酵工藝，如處理經(jīng)高溫工藝流程排放的酒精廢醪、檸檬酸廢水和輕工食品廢水等。 2、中溫發(fā)酵工藝 中溫發(fā)酵工藝指發(fā)酵料液溫度維持在35+-2℃的范圍之間，與高溫發(fā)酵相比，這種工藝消化速度稍慢一些，產(chǎn)氣率要低一些，但維持中溫發(fā)酵的能耗較少，沼氣發(fā)酵能總體維持在一個較高的水平，產(chǎn)氣速度比較快，料液基本不結(jié)殼，可保證常年穩(wěn)定運(yùn)行。為減少維持發(fā)酵裝置的能量消耗，工程中常采用近中溫發(fā)酵工藝，其發(fā)酵料液溫度為25~30℃。這種工藝因料液溫度穩(wěn)定，產(chǎn)氣量也比較均衡。總之，與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相配套，工程上采取增溫保溫措施是必要的。 3、常溫發(fā)酵工藝 常溫發(fā)酵工藝指在自然溫度下進(jìn)行沼氣發(fā)酵，發(fā)酵溫度受氣溫影響而變化，我國農(nóng)村戶用沼氣池基本上采用這種工藝。其特點(diǎn)是發(fā)酵料液的溫度隨氣溫、地溫的變化而變化，一般料液溫度最高時為25℃，低于10℃以后，產(chǎn)氣效果很差。其好處是不需要對發(fā)酵料液溫度進(jìn)行控制，節(jié)省保溫和加熱投資，沼氣池本身不消耗熱量；其缺點(diǎn)是同樣投料條件下，一年四季產(chǎn)氣率相差較大。南方農(nóng)村沼氣池在地下，還可以維持用氣量。北方的沼氣池則需建在太陽能暖圈或日光溫室下，這樣可確保沼氣池安全越冬，維持正常產(chǎn)氣。 （三）以發(fā)酵階段劃分 根據(jù)沼氣發(fā)酵分為“水解——產(chǎn)酸——產(chǎn)甲烷”三個階段理論，以沼氣發(fā)酵不同階段，可將發(fā)酵工藝劃分為單相發(fā)酵工藝和兩相（步）發(fā)酵工藝。 1、單相發(fā)酵工藝 將沼氣發(fā)酵原料投入到一個裝置中，使沼氣發(fā)酵的產(chǎn)酸和甲烷階段合二為一，在同一裝置中自行調(diào)節(jié)完成。即“一鍋煮”的形式。我國農(nóng)村全混合沼氣發(fā)酵裝置，大多數(shù)采用這一工藝。 2、兩相發(fā)酵工藝 兩相發(fā)酵也稱兩步發(fā)酵，或兩步厭氧消化。該工藝是根據(jù)沼氣發(fā)酵三個階段的理論，把原料的水解、產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段分別安排在兩個不同的消化器中進(jìn)行。水解、產(chǎn)酸池通常采用不密封的全混合式或塞流式發(fā)酵裝置，產(chǎn)甲烷池則采用高效厭氧消化裝置，如污泥床、厭氧過濾等。 從沼氣微生物的生長和代謝規(guī)律以及對環(huán)境條件的要求等方面看，產(chǎn)酸細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌有著很大差別。因而為它們創(chuàng)造各自需要的最佳繁殖條件和生活環(huán)境，促使其優(yōu)勢生長，迅速的繁殖，將消化器分開來，是非常適的。這既有利于環(huán)境條件的控制和調(diào)整，也有利于人工馴化、培養(yǎng)優(yōu)異的菌種，總體上便于進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。也就是說，兩步發(fā)酵較之單相發(fā)酵工藝過程的氣量、效率、反應(yīng)速度、穩(wěn)定性和可控性等方面都要優(yōu)越，而且生成的沼氣中的甲烷含量也比較高。從經(jīng)濟(jì)效益看，這種苣流程加快了揮發(fā)性固體的分解速度，縮短了發(fā)酵周期，從而也就降低了生成甲烷的成本和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。 （四）按發(fā)酵級差劃分 1、單級沼氣發(fā)酵工藝 簡單地說，就是產(chǎn)酸發(fā)酵和產(chǎn)甲烷發(fā)酵在同一個沼氣發(fā)酵裝置中進(jìn)行，而不將發(fā)酵物再排入第二個沼氣發(fā)酵裝置中繼續(xù)發(fā)酵。從充分提取生物質(zhì)能量、殺滅蟲卵和病菌的效果以及合理解決用氣、用肥的矛盾等方面看，它是很不完善的，產(chǎn)氣效率也比較低。但是這種工藝流程的裝置結(jié)構(gòu)比較簡單，管理比較方便，因而修建和日常管理費(fèi)用相對來說，比較低廉，是目前我國農(nóng)村最常見的沼氣發(fā)酵類型。 2、多級沼氣發(fā)酵工藝 所謂多級發(fā)酵，就是由多個沼氣發(fā)酵裝置串聯(lián)而成。一般第一級發(fā)酵裝置主要是發(fā)酵產(chǎn)氣，產(chǎn)氣量可占總產(chǎn)氣量的50%左右，而未被充分消化的物料進(jìn)入第二級消化裝置，使殘余的有機(jī)物質(zhì)繼續(xù)徹底分解，這既有利于物料的充分利用和徹底處理廢物中的BOD，也在一定程度上能夠緩解用氣和用肥的矛盾。如果能進(jìn)一步深入研究雙池結(jié)構(gòu)的形式，降低其造價，提高與會代表級發(fā)酵的運(yùn)轉(zhuǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效果，對加速我國農(nóng)村沼氣建設(shè)的步伐是現(xiàn)實(shí)意義的。從延長沼氣池中發(fā)酵原料的滯留時間和滯留路程，提高產(chǎn)氣率，促使有機(jī)物質(zhì)的徹底分解角度出發(fā)，采用多級發(fā)酵是有效的。對于大型的兩級發(fā)酵裝置，第一級發(fā)酵裝置安裝有加熱系統(tǒng)和攪拌裝置，以利于產(chǎn)氣量，而第二級發(fā)酵裝置主要是徹底處理有機(jī)廢物中的BOD，不需要攪拌和加溫。但若采用大量纖維素物料發(fā)酵，為防止表面結(jié)殼，第二級發(fā)酵裝置中仍需設(shè)備攪拌。 把多個發(fā)酵裝置串聯(lián)起來進(jìn)行多級發(fā)酵，可以保證原料在裝置中的有效停留時間，但是總的容積與單級發(fā)酵裝置相同時，多級裝置占地面積較大，裝置成本較高。另外由于第一級池較單級池水力滯留期短，其新料所占比例較大，承受沖擊負(fù)荷的能力較差。如果第一級發(fā)酵裝置失效，有可能引起整個的發(fā)酵失效。