发酵技术中的PH控制

1、发酵技术中的PH控制1 pH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，pH V 7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。pH 3.8 6.0 pH 6.5 7.5 pH 4.0 5.8 pH 6.5 8.0不同种类微生物，对 pH要求不同；母:菌:菌:酵细放线菌：霉同种微生物对pH变化的反映不同。如，石油代蜡酵母pH 3.5 5.0生长良好，不易染菌；pH >5.0时

2、，易染细菌；pH <3.0时，生长受抑制，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： 4M-5_03,乙醇 发酵pH： &0,甘油发酵pH： 7-8, GA发酵谷氨酸菌IpH, 土 0 5-8,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；菌体生长最适产物合成最适pH7.2 7.4四环素，菌体生长最适pH605.8,产物合成最适 pH&MO微生物生长和发酵的最适宜 pH可能不同。r 生长二 pH 5.57.0;丙酮丁醇围I 发酵；pH £3-5,3

3、;生长；pH 6. 5-7- 2发酵，pH 6. 2-6- 8生长：pH 6. 3-6. 9发酵；pH 6. 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23 pm; pH7.4时为218

4、pm,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值范围为6.56.8。影响产物稳定性：3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

5、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、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

6、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值维持在67之间；如以葡萄糖为碳源，丙酮酸迅速积累，使 pH值下降到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，发酵后期，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

7、；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，

8、待有机酸 被生产菌利用，pH上升。若不及时补糖、（NH 4）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66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

9、期pH7.2左右，发酵后期 pH7.0，在将近放罐时，pH6.56.8为好。 梭状芽跑杆菌丙酮丁醇发酵，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

10、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（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）: 和Qp的最适pH值都在一个相似的较宽的适宜范围内（a）,这种发酵过程易于控制； Qp （或 两勺最适pH值范围窄，而 或Qp）的范围较宽（b）; 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； 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

11、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 加，可避免一次加入过多造成局部偏碱。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

12、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

13、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；改变罐压及通气量，降低 CO 2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 pH 6 . 50 一 9. 50测定大冬酰胺酶酶活力.1甘氨酸介质pH 8.00时酶活力最高；2硼酸在pH 8 . 50,酶反应最快3 磷酸在pH 8 . 50,酶反应最快4 Tris在pH 8 . 50,酶反应最快酶活 1&

14、gt; 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CaC0 3控制pH值，2”表示只加尿素控制， 3”表示CaC0 3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0.2，0 LJ1h66.577.5800620 洲0苔0图3 pH值对种子的影响菌株最适生长pH控制在6. 87. 00 & 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88时间h1=pH69时，菌体生长旺盛,pH7. 15时，对菌体的 产酸有利。因此，在发酵的产酸期产酸较高。

15、采用 阶段口昭制模式进行发酵，在发酵中前期控制 pH6.9,到48h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%,0816 24 32 40 48 56 64 72 SO SS一 pH6.9 一。一 pH7.0 pH7J 叶fhjh8不同pH值影响下的研究不同pH对发酵的影响分别配置pH为6.0, 7.0, 8.0的培养基测定菌的生长和产物合成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. 47 g/ (mL. h )控制pH7.0时的产率3. 37 g/(mL. h)最高控制 pH8.0 时，产率 2. 02 g/(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