pH对发酵过程的影响与控制

1、发酵过程中培养液的发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是一项重环境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵参数。它对菌体的生长和产品的积要的发酵参数。它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。因此，必须掌握发酵过程累有很大的影响。因此，必须掌握发酵过程中中pH的变化规律，及时监测并加以控制，的变化规律，及时监测并加以控制，使它处于最佳的状态。使它处于最佳的状态。 尽管多数微生物能在尽管多数微生物能在34个个pH单位的单位的pH范范围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产物形成，必须使长速率和最

2、佳产物形成，必须使pH在很窄的在很窄的范围内保持恒定。范围内保持恒定。发酵过程中发酵过程中pH是不断变化的，通过观察是不断变化的，通过观察pH变化变化规律可以了解发酵的正常与否。规律可以了解发酵的正常与否。一一 、 发酵过程中发酵过程中pH变化的原因是什么？变化的原因是什么？二二 、 pH对发酵的影响表现在哪些方面？对发酵的影响表现在哪些方面？三三 、 我们该如何设计实验确定发酵的最佳我们该如何设计实验确定发酵的最佳pH？四四 、发酵过程的、发酵过程的pH控制可以采取哪些措施？控制可以采取哪些措施？发酵过程中，发酵过程中，pH的变化是微生物在发酵过的变化是微生物在发酵过程中代谢活动的综合反映，

3、其变化的根源取程中代谢活动的综合反映，其变化的根源取决于培养基的成分和微生物的代谢特性。决于培养基的成分和微生物的代谢特性。 有研究表明，培养开始时发酵液有研究表明，培养开始时发酵液pH的的影响是不大的，因为微生物在代谢过程中，影响是不大的，因为微生物在代谢过程中，迅速改变培养基迅速改变培养基pH的能力十分惊人。例如，的能力十分惊人。例如，以花生饼粉为培养基进行土霉素发酵，最初以花生饼粉为培养基进行土霉素发酵，最初将将pH分别调到分别调到5.0、6.0和和7.0，发酵，发酵24h后，这三种培养基的后，这三种培养基的pH已经不相上下，都已经不相上下，都在在6.57.0之间。但是当外界条件发生较之

4、间。但是当外界条件发生较大大变化时，变化时，菌体就失去了调节能力，发酵液的菌体就失去了调节能力，发酵液的pHpH将会将会不断波动。不断波动。而碳源的代谢则往往起到降低而碳源的代谢则往往起到降低pHpH的作用，的作用，例如，糖类氧化不完全时产生的有机酸，例如，糖类氧化不完全时产生的有机酸，脂肪不完全氧化产生的脂肪酸、铵盐氧化脂肪不完全氧化产生的脂肪酸、铵盐氧化后产生的硫酸等。这类物质称为生理酸性后产生的硫酸等。这类物质称为生理酸性物质。物质。 PHPH变化的原因变化的原因1 1、基质代谢、基质代谢 （1）糖代谢）糖代谢 特别是快速利用的糖，分解成小特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使分子酸

5、、醇，使pH下降。糖缺乏，下降。糖缺乏，pH上升，是补上升，是补料的标志之一。料的标志之一。（2）氮代谢）氮代谢 当氨基酸中的当氨基酸中的-NH2被利用后被利用后pH会会下降；尿素被分解成下降；尿素被分解成NH3，pH上升，上升，NH3利用后利用后pH下降，当碳源不足时氮源当碳源利用下降，当碳源不足时氮源当碳源利用pH上升。上升。（3）生理酸碱性物质利用后）生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降。会上升或下降。2 2、产物形成产物形成 某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pH变化。变化。如有机酸类产生使如有机酸类产生使pH下降，下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生

6、素呈碱红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使性，使pH上升。上升。 3 3、菌体自溶菌体自溶，pH上升，发酵后期，上升，发酵后期，pH上升。上升。 二、二、pH对发酵的影响对发酵的影响 林可霉素发酵开始，葡萄糖转化为有机酸类中间产物，林可霉素发酵开始，葡萄糖转化为有机酸类中间产物，发酵液发酵液pH下降，待有机酸被生产菌利用，下降，待有机酸被生产菌利用，pH上升。若不上升。若不及时补糖、及时补糖、(NH4)2SO4或酸，发酵液或酸，发酵液pH可迅速升到可迅速升到8.0以上，以上，阻碍或抑制某些酶系，使林可霉素增长缓慢，甚至停止。阻碍或抑制某些酶系，使林可霉素增长缓慢，甚至停止。对照罐发酵对照

7、罐发酵66小时小时pH达达7.93，以后维持在，以后维持在8.0以上至以上至115小小时，菌丝浓度降低，时，菌丝浓度降低，NH2-N升高，发酵不再继续。升高，发酵不再继续。发酵发酵15小时左右，小时左右，pH值可以从消后的值可以从消后的6.5左右下降到左右下降到5.3，调节这一段的调节这一段的pH值至值至7.0左右，以后自控左右，以后自控pH，可提高发酵，可提高发酵单位。单位。实例实例pH对林可霉素发酵的影响对林可霉素发酵的影响 pH7.0t不调不调pH调调pH效价效价pHpHpH对发酵的影响对发酵的影响 （1）pH影响酶的活性。当影响酶的活性。当pH值抑制菌体某值抑制菌体某些酶的活性时使菌的

8、新陈代谢受阻些酶的活性时使菌的新陈代谢受阻（2）pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的而改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行吸收及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行 （3）pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的解值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离，从而影响微生物对这些物质的利用离，从而影响微生物对这些物质的利用 （4）pH影响代谢方向影响代谢方向 pH不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代谢不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。产物的质量和

9、比例发生改变。例如黑曲霉在例如黑曲霉在pH23时发酵产生柠檬酸，在时发酵产生柠檬酸，在pH近中性时，则产生草酸。近中性时，则产生草酸。谷氨酸发酵，在中性和微碱性条件下积累谷氨谷氨酸发酵，在中性和微碱性条件下积累谷氨酸，在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和酸，在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰乙酰谷氨酰胺。谷氨酰胺。3 3、pHpH在微生物培养的不同阶段有不同的影响在微生物培养的不同阶段有不同的影响 生长合成pH对菌体生长影响比产物合成影响小对菌体生长影响比产物合成影响小青霉素：菌体生长最适青霉素：菌体生长最适pH3.56.0,产物合成最适产物合成最适pH7.27.4四环素：菌体生长最适四环素

10、：菌体生长最适pH6.06.8，产物合成最适，产物合成最适pH5.86.0XpH一般最适一般最适pH是根据实验结果来确定的，通是根据实验结果来确定的，通常将发酵培养基调节成不同的起始常将发酵培养基调节成不同的起始pH值，值，在发酵过程中定时测定、并不断调节在发酵过程中定时测定、并不断调节pH，以维持其起始以维持其起始pH值，或者利用缓冲剂来维值，或者利用缓冲剂来维持发酵液的持发酵液的pH。同时观察菌体的生长情况，。同时观察菌体的生长情况，菌体生长达到最大值的菌体生长达到最大值的pH即为菌体生长的即为菌体生长的最适最适pH。产物形成的最适。产物形成的最适pH也可以如此也可以如此测得。测得。在测定

11、了发酵过程中不同阶段的最适在测定了发酵过程中不同阶段的最适pH要要求后，便可采用各种方法来控制。求后，便可采用各种方法来控制。v配制不同初始配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发的培养基，摇瓶考察发酵情况酵情况pH对产海藻酸裂解酶的影响对产海藻酸裂解酶的影响pH对海藻酸水解酶产生的影响对海藻酸水解酶产生的影响pH菌浓菌浓 pH酶活酶活在工业生产中，调节在工业生产中，调节pH的方法并不是仅仅采用酸的方法并不是仅仅采用酸碱中和，因为酸碱中和虽然可以中和培养基中当碱中和，因为酸碱中和虽然可以中和培养基中当时存在的过量碱，但是却不能阻止代谢过程中连时存在的过量碱，但是却不能阻止代谢过程中连续不断发生的酸

12、碱变化。即使连续不断地进行测续不断发生的酸碱变化。即使连续不断地进行测定和调节，也是徒劳无益的，因为这没有根本改定和调节，也是徒劳无益的，因为这没有根本改善代谢状况。因为发酵过程中引起善代谢状况。因为发酵过程中引起pH变化的根本变化的根本原因是因微生物代谢营养物质的结果，所以调节原因是因微生物代谢营养物质的结果，所以调节控制控制pH的根本措施主要应该考虑培养基中生理酸的根本措施主要应该考虑培养基中生理酸性物质与生理碱性物质的配比，然后是通过中间性物质与生理碱性物质的配比，然后是通过中间补料进一步加以控制。补料进一步加以控制。补料也不是仅仅加入酸碱来控制，可用生理酸性补料也不是仅仅加入酸碱来控制

13、，可用生理酸性和生理碱物质来控制，这些物质不仅可以调节和生理碱物质来控制，这些物质不仅可以调节pH，还可以补充氮源。当还可以补充氮源。当pH和氨基氮含量低时，加入和氨基氮含量低时，加入氨水；当氨水；当pH高，氨基氮含量低时，加入硫酸铵。高，氨基氮含量低时，加入硫酸铵。补糖是根据补糖是根据pH的变化来决定补糖速率，恒速补糖的变化来决定补糖速率，恒速补糖则通过加人酸碱来控制则通过加人酸碱来控制pH。pHpH的控制方法的控制方法 1 1、调节好基础料的、调节好基础料的pHpH。基础料中若含有玉。基础料中若含有玉米浆，米浆，pH呈酸性，必须调节呈酸性，必须调节pH。若要控制。若要控制消后消后pH在在6

14、.0，消前，消前pH往往要调到往往要调到6.56.82 2、在基础料中加入维持、在基础料中加入维持pHpH的物质的物质，如，如CaCO3 ，或具有缓冲能力的试剂，如磷酸具有缓冲能力的试剂，如磷酸缓冲液等。缓冲液等。3 3、通过补料调节、通过补料调节pHpH 在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料。在在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料。在补料与调补料与调pH没有矛盾时采用补料调没有矛盾时采用补料调pH如（如（1）调节补糖速率，调节空气流量来调节）调节补糖速率，调节空气流量来调节pH(2)当当NH2-N低，低，pH低时补氨水；低时补氨水；当当NH2-N低，低，pH高时补高时补(NH4)2SO44

15、4、当补料与调、当补料与调pHpH发生矛盾时，加酸碱调发生矛盾时，加酸碱调pHpH 分别在分别在4 4种缓冲介质中，于种缓冲介质中，于pH pH 6 65050一一9 95050测定天冬酰胺酶酶测定天冬酰胺酶酶活力活力1 1 甘氨酸介质甘氨酸介质pH 8.00pH 8.00时酶活力时酶活力最高；最高；2 2 硼酸在硼酸在pH 8pH 85050，酶反应最，酶反应最快快3 3 磷酸磷酸在在pH 850，酶反应最，酶反应最快快4 Tris4 Tris在在pH 850，酶反应最快，酶反应最快酶活酶活1 12 24 43 35 5、不同调、不同调pHpH方法的影响方法的影响天冬酰胺酶天冬酰胺酶小小 结结发酵过程发酵过程pH会发生变化会发生变化变化原因变化原因基质代谢基质代谢产物形成产物形成菌体自溶菌体自溶对发酵的影响对发酵的影响pHpH影响酶的活性影响酶的活性pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改值影响微生物细胞膜所带电荷的改变变pH