发酵技术中的PH控制

1、发酪技术中的PH控制1pH值对菌体生长和代谢产物形成的影响pH表示溶液氢离子浓度的负对数，纯水的H+浓度是10-7mol/L,因此pH为7,pH>7呈碱性，pHV7呈酸性，pH值差1时，其H+浓度就相差10倍。最高、最适、最低三基点，主要是影响微生物活动环境的离子强度、细胞膜的透性及膜上的带电性和氧化-还原电位、酶活性。不同种类微生物，对pH要求不同；酵母：pH3.8-6.0细菌：pH6.5-7.5霉菌：pH4.0-5.8放线菌：pH6.5-8.0同种微生物对pH变化的反映不同。如，石油代蜡酵母pH3.5-5.0生长良好，不易染菌；pH>5.0时，易染细菌；pH<3.0时，生

2、长受抑制，易自溶；pH不同，微生物代谢产物不同。rpH：23,柠檬酸发酵黑曲霉LpH；7.0,草酸发酵pH：4.5-5.0-3»乙醇发酵pH：8-0,甘油发酵fpH：7-8,GA发醉谷氨酸菌JLpH：5.05.8,谷氨酰胺发酵pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响pHpH对菌体生长影响比产物合成影响小例青霉素二菌体生长最适pH356。,产物合成最适pH7.27.4四环素二菌体生长最适PH6.0F8,产物合成最适pH5.8TS,0微生物生长和发酵的最适宜pH可能不同。生长:pH5.57,0;丙酮丁醇菌L发酵；pH4.3-5.3;生长;pH6.5-7.2发酵:pH6.2-6.8链霉素菌生

3、长;pH6.3-6.9发酵;pH6.7-7.3影响酶的活性，当pH值抑制菌体中某些酶的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢;影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸收和代谢产物的排泄；影响培养基中某些组分的解离，进而微生物对这些成分的吸收；pH值不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。影响氧的溶解和氧化还原电势的高低；pH值影响抱子发芽；举例：影响菌体的生长：产黄曲霉的细胞壁的厚度就随pH值的增加而减小：其菌丝直径在pH6.0时为23pH7.4时为218并呈膨胀酵母状；pH值下降后菌丝形态又会恢复正常。影响产物合成：合成青霉素的最适pH值范

4、围为6.56.8。影响产物稳定性：,内酰胺抗生素沙纳霉素的发酵中，pH在6.77.5之间时抗生素的产量相近，高于或低于这个范围，合成受到抑制。在这个pH值范围内，沙纳霉素的稳定性未受到严重影响；但pH>7.5时，稳定性下降，半衰期缩短，发酵单位也下降。青霉素在碱性条件下发酵单位低，也与青霉素的稳定性有关。2影响pH值变化的因素在发酵过程中，pH值的变化决定于所用的菌种、培养基的成分和培养条件。在产生菌的代谢过程中，菌体本身具有一定的调整周围环境pH值，构建最适pH值的能力。以产生利福霉素SV的地中海诺卡菌进行发酵研究，采用pH值为6.0、6.8、7.5三个出发值，结果发现：pH值在6.8

5、、7.5时，最终发酵pH值都达到7.5左右，菌丝生长和发酵单位都达到正常水平；pH值为6.0时，发酵中期pH值只达4.5,菌浓仅为20%,发酵单位为零。这说明菌体仅有一定的自调能力。1)基质代谢(1)糖代谢特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一(2)氮代谢当氨基酸中的-NH2被利用后pH会下降；尿素被分解成NH3,pH上升，NH3利用后pH下降，当碳源不足时氮源当碳源利用pH上升。(3)生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降如灰黄霉素发酵的pH值变化，就与所用碳源种类有密切关系，如以乳糖为碳源，乳糖被缓慢利用，丙酮酸堆积很少，pH值维才I在67之间

6、；如以葡萄糖为碳源，丙酮酸迅速积累，使pH值下BI到3.6,发酵单位很低。2)产物形成某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pH变化。如有机酸类产生使pH下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pH上升。3)菌体自溶，pH上升，发酉?后期，pH上升。引起发酵液pH值变化的常见因素(1)下降培养基中C/N不当，有机酸积累；消沫油加得过多；生理酸性物质过多；(2)上升C/N比例不当，N过多，氨基氮释放；生理碱性物质过多；中间补料时碱性物加入量过大；发酵液的pH值变化是菌体代谢反应的综合结果。从代谢曲线的pH值变化就可以推测发酵罐中的各种生化反应的进展和pH值变化异常的可能原因。在发酵过程中，要

7、选择好发酵培养基的成分及其配比，并控制好发酵工艺条件，使pH值稳定维持在最佳的范围内。4发酵过程中pH值的调节及控制1)发酵pH值的确定(范围，时间)一般是在58之间，如谷氨酸发酵的最适pH值为7.58.0。随菌种和产品不同而不同。同一菌种，生长最适pH值可能与产物合成的最适pH值是不一样的。按发酵过程的不同阶段分别控制不同的pH,使产量最大。例pH对林可霉素发酵的影响林可霉素发酵开始，葡萄糖转化为有机酸类中间产物，发酵液pH下降，待有机酸被生产菌利用，pH上升。若不及时补糖、（NH4）2SO4或酸，发酵液pH可迅速升到8.0以上，阻碍或抑制某些酶系，使林可霉素增长缓慢，甚至停止。对照罐发酵6

8、6小时pH达7.93,以后维持在8.0以上至115小时，菌丝浓度降低，NH2-N升高，发酵不再继续。发酵15小时左右，pH值可以从消后的6.5左右下降到5.3,调节这一段的pH值至7.0左右，以后自控pH,可提高发酵单位。黑曲霉pH23时合成柠檬酸，pH值接近中性时积累草酸。谷氨酸生产菌在中性和微碱性条件下积累谷氨酸，在酸性条件下形成谷氨酰胺。谷氨酸发酵在不同阶段对pH值的要求不同，发酵前期控制pH7.5左右，发酵中期pH7.2左右，发酵后期pH7.0,在将近放罐时，pH6.56.8为好。梭状芽抱杆菌丙酮丁醇发酵，pH值在中性时，菌种生长良好，但产物产量很低，实际发酵最适pH值为56。链霉素产

9、生菌生长最适pH值为6.27.0,合成最适pH值为6.87.3。最适pH值的确定：根据实验结果不同的pH值出发进行发酵，发酵过程中定时测定和调节pH值以维持出发pH值，或者利用缓冲液配制培养基来维持。定时观察菌体的生长情况，以菌体生长达到最高值的pH值为生长最适pH。同样的方法可测得产物合成的最适pH值。但同一产物的最适pH值，还与所用的菌种、培养基组成和培养条件有关。确定发酵最适pH值时，要考虑温度的影响。在各种类型的发酵过程中，实验所得的最适pH值、菌体的比生长速率（科和产物比生成速率（Qp）等3个参数的相互关系有四种情况（见图10-1）:科和Qp的最适pH值都在一个相似的较宽的适宜范围内

10、（a）,这种发酵过程易于控制；Qp（或科的最适pH值范围窄，而科或Qp）的范围较宽（b）;科和Qp对pH值都很敏感，它们的最适pH值又是相同的（c）,第二、第三种情况的发酵pH值应严格控制；科和Qp有各自的最适pH值（d）,应分别严格控制各自的最适pH值，才能优化发酵过程。在生产上，主要的过程控制方法有：添加CaCO3:当用NH4+盐作为氮源时，可在培养基中加入CaCO3,用于中和NH4+被吸收后剩余的酸.氨水流加法：氨水可以中和发酵中产生的酸，且NH4+可作为氮源，供给菌体营养.通氨一般是使压缩氨气或工业用氨水（浓度20%左右），采用少量间歇添加或连续自动流力口，可避免一次加入过多造成局部偏

11、碱。氨极易和铜反应产生毒性物质，对发酵产生影响，故需避免使用铜制的通氨设备。尿素流加法：味精厂多用，尿素首先被菌体尿酶分解成氨，氨进入发酵液，使pH上升，当NH4+被菌体作为氮源消耗并形成有机酸时，发酵液pH下降，这时随着尿素的补加，氨进入发酵液，又使发酵液pH上升及补充氮源，如此循环，致至发酵液中碳源耗尽，完成发酵。氨基酸发酵常用此法。这种方法既可以达到稳定pH值的目的，又可以不断补充营养物质，特别是能产生阻遏作用的物质。少量多次补加还可解除对产物合成的阻遏作用，提高产物产量。也就是说，采用补料的方法，可以同时实现补充营养、延长发酵周期、调节pH值和培养液的特性(如菌浓等)等几个目的。pH的

12、控制万法常用方法调节好基础料的pH。基础料中若含有玉米浆，pH呈酸性，必须调节pH。若要控制消后pH在6.0,消前pH往往要调到6.5-6.8在基础料中加入维持pH的物质，如CaCO3,或具有缓冲能力的试剂，如磷酸缓冲液等通过补料调节pH在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料。在补料与调pH没有矛盾时采用补料调pH,如(1)调节补糖速率，调节空气流量来调节pH(2)当NH2-N低，pH低时补氨水；当NH2-N低，pH高时补(NH02SO4当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调Ph应急措施：改变搅拌转速或通气量，以改变溶解氧浓度，控制有机酸的积累量及其代谢速度；改变温度，以控制微生物代谢速度；改变罐压

13、及通气量，降低CO2的溶解量；改变加油或加糖量等，调节有机酸的积累量；5、不同调pH方法的影响分别在4种缓冲介质中，于pH6.509.50测定天冬酰胺酶酶活力.1甘氨酸介质pH8.00时酶活力最高；2硼酸在pH8.50,酶反应最快3 磷酸在pH8.50,酶反应最快4 Tris在pH8.50,酶反应最快酶活1>2>4>3异亮氨酸发酵pH控制方式不同pH控制方式对目的突变株ISw330异亮氨酸摇瓶发酵的影响，结果如图所示。1”表示只加CaC03控制pH值，2”表示只加尿素控制，3”表示CaC03和尿素联合控制pH值。6发酵的不同阶段采取不同的pH值例：pH对L-异亮氨酸发酵的影响

14、0.2*OJ-0LJ1-h66,577.58t-CD620诩OZ9GO图3pH值对种子的影响菌株最适生长pH控制在087.00816243240485664728088时间hpH6.9时，菌体生长旺盛，pH7.15时，对菌体的产酸有利口因此，在发酵的产酸期产酸较高口采用阶段P晦制模式进行发酵，在发酵中前期控制pH6.9,到4sh后pH值为7.15,到80h后pH值为7.25。产率22.27g7L,产酸率提高12.23%。081624324048566472SOSS一.一pH6.9-o-pH7.0pH7J时”h不同pH值影响下的L，Ik研究不同pH对发酵的影响分别配置pH为6.0,7.0,8.0

15、的培养基测定菌的生长和产物合成(千£)靛款落砥pH6.0时，生长受抑制,产物降解少控制pH7.0和8.0时，最高细胞浓度接近相同(约16%PMV),但控制pH6.0时细胞生长受抑制。在2.5升生物反应器内，不控制pH时2.47g/(mL-h)控制pH7.0时的产率3.37g/(mL-h)最高控制pH8.0时，产率2.02g/(mL-h)在控制pH6.0时，CA产生被抑制，但降解少因此对细胞生长和CA产生最好将pH控制于7.0,但在控制pH7.0时，仍出现CA的迅速分解。由于CA生产的最适pH和减少CA分解的pH各不相同，因此在分批发酵中应用了pH变换策略，使发酵pH由中性pH7.0变换为酸性pH6.0。在发酵前期，在细胞生长和产生CA期间控制pH7.0,4d后，当CA产量达最高值时，变