pH值对微生物发酵的影响及其控制

1、pH值对微生物发酪的影响及其控制一、pH值对发酵的影响发酵培养基的pH值，对微生物生长具有非常明显的影响，也是影响发 酵过程中各种酶活的重要因素。pH值对微生物的生长繁殖和产物合成的 影响有以下几个方面：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。培养基中营养物质的代谢，是引起 pH值变化的主要原因，发酵液pH值 的变化乃是菌体代谢的综合

2、效果。由于 pH值不当，可能严重影响菌体 的生长和产物的合成，因此对微生物发酵来说有各自的最适生长pH值和最适生产pH值。各种不同白微生物，对 pH值的要求不同。多数微生 物生长都有最适pH值范围及其变化的上下限：上限都在 8.5左右，超 过此上限，微生物将无法忍受而自溶；下限以酵母为最低（2.5）。但菌体内的pH值一般认为是中性附近。pH值对产物的合成有明显的影响， 因为菌体生长和产物合成都是酶反应的结果，仅仅是酶的种类不同而 已，因此代谢产物的合成也有自己最适的 pH值范围，如合成青霉素的最适pH值范围为6.56.8。这两种pH值的范围对发酵控制来说都是很 重要的参数。另外，pH值还会影响

3、某些霉菌的形态。一般认为，细胞内的H+或。+能影响酶蛋白的解离度和电荷情况，改变酶的结构和功能，引起酶活性的改变。但培养基的H+或OHh并不是 直接作用在胞内酶蛋白上，而是首先作用在胞外的弱酸（或弱碱）上，使之成为易于透过细胞膜的分子状态的弱酸（或弱碱），它们进入细胞后， 再行解离，产生H+或O+,改变胞内原先存在的中性状态，进而影响 酶的结构和活性。所以培养基中H+或O+是通过间接作用来产生影响 的。pH值还影响菌体对基质的利用速率和细胞的结构，影响菌体的生长和产物的合成。Collnig等人发现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23Hmi pH7.4时为

4、218Hmi 并呈膨胀酵母状；pH值下降后菌丝形态又会恢复正常。pH值还影响菌体细胞膜的电荷状况，引起膜透性发生改变，因而影响菌体对营养物质的吸收和代谢产物的形成等。如同温度对发酵影响一样，pH值对产物稳定性也有影响。如在B -内酰 胺抗生素沙纳霉素（thienamycin）的发酵中，考察pH值对产物生物合成 的影响时，发现pH6.77.5之间，抗生素的产量相近，高于或低于这 个范围，合成就受到抑制。在这个 pH值范围内，沙纳霉素的稳定性未 受到严重影响，半衰期也无大的变化；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。

5、由于pH值的高低对菌体生长和产物的合成产生明显的影响，所以在工业发酵中，维持最适pH值已成为生产成败的关键因素之一。二、发酵过程pH值的变化在发酵过程中，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。曾以产生利福霉素 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、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；但 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

6、能力。培养基中的营养物质的代谢，也是引起 pH值变化的重要原因，发酵所 用的碳源种类不同，pH值变化也不一样。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。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，才能保证 pH值不会产生明显的波动，维持在最佳的 范围内，得到良好的结果。实践

7、证明，维持稳定的pH值，对产物的形成有利。三、发酵pH值的确定和控制1 .发酵pH值的确定微生物发酵的最适pH值范围一般是在58之间，如谷氨酸发酵的最 适pH值为7.58.0。但发酵的pH值又随菌种和产品不同而不同。由于发酵是多酶复合反应系统，各酶的最适 pH值也不相同，因此，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。例 如，黑曲霉pH23时合成柠檬酸，在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 ,

8、在将近放罐时，为 了后工序提取谷氨酸，pH6.56.8为好。如初级代谢产物丙酮丁醇的 梭状芽胞杆菌发酵，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。次级代谢产物抗生素的发酵更是如此，链霉素产生菌生长的最适 pH值为6.27.0 ,而合成链霉素的最适pH 值为6.87.3。因此，应该按发酵过程的不同阶段分别控制不同的 p H值范围，使产物的产量达到最大。最适pH值是根据实验结果来确定的。 将发酵培养基调节成不同的出发 pH值进行发酵，在发酵过程中，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之。 定时观察菌体的生长情况， 以菌体生长达到最高值

9、的pH值为菌体生长的最适pH值。以同样的方 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。如合成青霉素的最适 pH值, 先后报告有7.27.5、7.0左右和6.56.6等不同数值，产生这样的 差异，可能是所用的菌株、培养基组成和发酵工艺不同引起的。在确定 发酵最适pH值时，要不定期考虑培养温度的影响，若温度提高或降低， 最适pH值也可能发生变动。2 . pH值的控制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（小和产物比生成速率（Qp）等3个参数的相互关系有四种情况（见图7-3）:第一种情况是 仙和Qp的最适pH值都在一

10、个相似的较宽的适宜 范围内（a）,这种发酵过程易于控制；第二种情况是Qp（或小的最适 pH值范围很窄，而 小或Qp）的范围较宽（b）;第三种情况是 仙和Q p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；第四种情况更复杂，仙和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。在了解发酵过程中最适pH值的要求之后，就要采用各种方法来控制。首先需要考虑和试验发酵培养基的基础配方，使它们有个适当的配比，使发酵过程中的pH值变化在合适的范围内。因为培养基中含有代谢产酸如葡萄糖产生酮酸、（NH4）2SO4和产碱（如NaNO

11、3、尿素）的物质以及缓冲剂（如CaCO3）等成分，它们在发酵过程中要影响 pH值的变化，特别是CaCO3能与酮酸等反应，而起到缓冲作用，所以它的用量比较重要。在分批发酵中，常采用这种方法来控制pH值的变化。利用上述方法调节pH值的能力是有限的，如果达不到要求，可以用在 发酵过程中直接补加酸或碱和补料的方式来控制，特别是补料的方法， 效果比较明显。过去是直接加入酸（如H2SO4）或碱（NaOH）来控制， 但现在常用的是以生理酸性物质（NH4）2SO4 和碱性物质（如氨水、尿 素）来控制。它们不仅可以调节 pH值，还可以补充氮源。当发酵的 pH 值和氨氮含量都低时，补加氨水，就可达到调节 pH值和补充氨氮的目 的；反之，pH值较高，氨氮含量又低时，就补加（NH4）2SO4 。在加 多了消泡剂（如豆油）的个别情况下，还可采用提高空气流量来加速脂肪 酸的代谢，以调节pH值。通氨一般是使压缩氨气或工业用氨水（浓度2 0%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。目前，已比较成功地采用补料的方法来调节pH值，如氨基酸发酵采用流加尿素（NH 2）2CO的方法，特别是次级代谢产物抗生素发酵，更常 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，