pH對發(fā)酵過程的影響與控制

盡管多數(shù)微生物能在3～4個(gè)pH單位的pH范圍內(nèi)生長，但是在發(fā)酵工藝中，為了達(dá)到高生長速率和最佳產(chǎn)物形成，必須使pH在很窄的范圍內(nèi)保持恒定。發(fā)酵過程中pH是不斷變化的，通過觀察pH變化規(guī)律可以了解發(fā)酵的正常與否。一、發(fā)酵過程中pH變化的原因是什么？二、pH對發(fā)酵的影響表現(xiàn)在哪些方面？三、我們該如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)確定發(fā)酵的最佳pH？四、發(fā)酵過程的pH控制可以采取哪些措施？一、發(fā)酵過程pH變化的原因

發(fā)酵過程中，pH的變化是微生物在發(fā)酵過程中代謝活動(dòng)的綜合反映，其變化的根源取決于培養(yǎng)基的成分和微生物的代謝特性。

有研究表明，培養(yǎng)開始時(shí)發(fā)酵液pH的影響是不大的，因?yàn)槲⑸镌诖x過程中，迅速改變培養(yǎng)基pH的能力十分驚人。例如，以花生餅粉為培養(yǎng)基進(jìn)行土霉素發(fā)酵，最初將pH分別調(diào)到5.0、6.0和7.0，發(fā)酵24h后，這三種培養(yǎng)基的pH已經(jīng)不相上下，都在6.5～7.0之間。但是當(dāng)外界條件發(fā)生較大變化時(shí)，

引起這種波動(dòng)的原因除了取決于微生物自身的代謝外，還與培養(yǎng)基的成分有極大的關(guān)系。一般來說，有機(jī)氮源和某些無機(jī)氮源的代謝起到提高pH的作用，例如氨基酸的氧化和硝酸鈉的還原，玉米漿中的乳酸被氧化等，這類物質(zhì)被微生物利用后，可使pH上升，這些物質(zhì)被稱為生理堿性物質(zhì)，如有機(jī)氮源、硝酸鹽、有機(jī)酸等。

菌體就失去了調(diào)節(jié)能力，發(fā)酵液的pH將會(huì)不斷波動(dòng)。

此外通氣條件的變化，菌體自溶或雜均污染都可能引起發(fā)酵液pH的改變，所以確定最適pH以及采最適有效的控制措施，是使菌種發(fā)揮最大生產(chǎn)能力的保證。

而碳源的代謝則往往起到降低pH的作用，例如，糖類氧化不完全時(shí)產(chǎn)生的有機(jī)酸，脂肪不完全氧化產(chǎn)生的脂肪酸、銨鹽氧化后產(chǎn)生的硫酸等。這類物質(zhì)稱為生理酸性物質(zhì)。

PH變化的原因1、基質(zhì)代謝

（1）糖代謝特別是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是補(bǔ)料的標(biāo)志之一。（2）氮代謝當(dāng)氨基酸中的-NH2被利用后pH會(huì)下降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，當(dāng)碳源不足時(shí)氮源當(dāng)碳源利用pH上升。（3）生理酸堿性物質(zhì)利用后pH會(huì)上升或下降。2、產(chǎn)物形成

某些產(chǎn)物本身呈酸性或堿性，使發(fā)酵液pH變化。如有機(jī)酸類產(chǎn)生使pH下降，紅霉素、潔霉素、螺旋霉素等抗生素呈堿性，使pH上升。

3、菌體自溶，pH上升，發(fā)酵后期，pH上升。

二、pH對發(fā)酵的影響

林可霉素發(fā)酵開始，葡萄糖轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸類中間產(chǎn)物，發(fā)酵液pH下降，待有機(jī)酸被生產(chǎn)菌利用，pH上升。若不及時(shí)補(bǔ)糖、(NH4)2SO4或酸，發(fā)酵液pH可迅速升到8.0以上，阻礙或抑制某些酶系，使林可霉素增長緩慢，甚至停止。對照罐發(fā)酵66小時(shí)pH達(dá)7.93，以后維持在8.0以上至115小時(shí)，菌絲濃度降低，NH2-N升高，發(fā)酵不再繼續(xù)。發(fā)酵15小時(shí)左右，pH值可以從消后的6.5左右下降到5.3，調(diào)節(jié)這一段的pH值至7.0左右，以后自控pH，可提高發(fā)酵單位。實(shí)例pH對林可霉素發(fā)酵的影響

pH7.0t不調(diào)pH調(diào)pH效價(jià)pHpH對發(fā)酵的影響

（1）pH影響酶的活性。當(dāng)pH值抑制菌體某些酶的活性時(shí)使菌的新陳代謝受阻（2）pH值影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的改變，從而改變細(xì)胞膜的透性，影響微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收及代謝物的排泄，因此影響新陳代謝的進(jìn)行

（3）pH值影響培養(yǎng)基某些成分和中間代謝物的解離，從而影響微生物對這些物質(zhì)的利用

（4）pH影響代謝方向

pH不同，往往引起菌體代謝過程不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變。例如黑曲霉在pH2~3時(shí)發(fā)酵產(chǎn)生檸檬酸，在pH近中性時(shí)，則產(chǎn)生草酸。谷氨酸發(fā)酵，在中性和微堿性條件下積累谷氨酸，在酸性條件下則容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。3、pH在微生物培養(yǎng)的不同階段有不同的影響

生長合成pH對菌體生長影響比產(chǎn)物合成影響小青霉素：菌體生長最適pH3.5~6.0,產(chǎn)物合成最適pH7.2~7.4四環(huán)素：菌體生長最適pH6.0~6.8，產(chǎn)物合成最適pH5.8~6.0XpH三、最佳pH的確定

一般最適pH是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來確定的，通常將發(fā)酵培養(yǎng)基調(diào)節(jié)成不同的起始pH值，在發(fā)酵過程中定時(shí)測定、并不斷調(diào)節(jié)pH，以維持其起始pH值，或者利用緩沖劑來維持發(fā)酵液的pH。同時(shí)觀察菌體的生長情況，菌體生長達(dá)到最大值的pH即為菌體生長的最適pH。產(chǎn)物形成的最適pH也可以如此測得。在測定了發(fā)酵過程中不同階段的最適pH要求后，便可采用各種方法來控制。配制不同初始pH的培養(yǎng)基，搖瓶考察發(fā)酵情況pH對產(chǎn)海藻酸裂解酶的影響pH對海藻酸水解酶產(chǎn)生的影響pH——菌濃

pH——酶活四、pH的控制

在工業(yè)生產(chǎn)中，調(diào)節(jié)pH的方法并不是僅僅采用酸堿中和，因?yàn)樗釅A中和雖然可以中和培養(yǎng)基中當(dāng)時(shí)存在的過量堿，但是卻不能阻止代謝過程中連續(xù)不斷發(fā)生的酸堿變化。即使連續(xù)不斷地進(jìn)行測定和調(diào)節(jié)，也是徒勞無益的，因?yàn)檫@沒有根本改善代謝狀況。因?yàn)榘l(fā)酵過程中引起pH變化的根本原因是因微生物代謝營養(yǎng)物質(zhì)的結(jié)果，所以調(diào)節(jié)控制pH的根本措施主要應(yīng)該考慮培養(yǎng)基中生理酸性物質(zhì)與生理堿性物質(zhì)的配比，然后是通過中間補(bǔ)料進(jìn)一步加以控制。補(bǔ)料也不是僅僅加入酸堿來控制，可用生理酸性和生理堿物質(zhì)來控制，這些物質(zhì)不僅可以調(diào)節(jié)pH，還可以補(bǔ)充氮源。當(dāng)pH和氨基氮含量低時(shí)，加入氨水；當(dāng)pH高，氨基氮含量低時(shí)，加入硫酸銨。補(bǔ)糖是根據(jù)pH的變化來決定補(bǔ)糖速率，恒速補(bǔ)糖則通過加人酸堿來控制pH。pH的控制方法

1、調(diào)節(jié)好基礎(chǔ)料的pH。基礎(chǔ)料中若含有玉米漿，pH呈酸性，必須調(diào)節(jié)pH。若要控制消后pH在6.0，消前pH往往要調(diào)到6.5~6.82、在基礎(chǔ)料中加入維持pH的物質(zhì)，如CaCO3

，或具有緩沖能力的試劑，如磷酸緩沖液等。3、通過補(bǔ)料調(diào)節(jié)pH

在發(fā)酵過程中根據(jù)糖氮消耗需要進(jìn)行補(bǔ)料。在補(bǔ)料與調(diào)pH沒有矛盾時(shí)采用補(bǔ)料調(diào)pH如（1）調(diào)節(jié)補(bǔ)糖速率，調(diào)節(jié)空氣流量來調(diào)節(jié)pH(2)當(dāng)NH2-N低，pH低時(shí)補(bǔ)氨水；當(dāng)NH2-N低，pH高時(shí)補(bǔ)(NH4)2SO44、當(dāng)補(bǔ)料與調(diào)pH發(fā)生矛盾時(shí)，加酸堿調(diào)pH

分別在4種緩沖介質(zhì)中，于pH6．50一9．50測定天冬酰胺酶酶活力．1甘氨酸介質(zhì)pH8.00時(shí)酶活力最高；2硼酸在pH8．50，酶反應(yīng)最快3磷酸在pH8．50，酶反應(yīng)最快4Tris在pH8．50，酶反應(yīng)最快酶活1＞2＞4＞35、不同調(diào)pH方法的影響天冬酰胺酶小結(jié)發(fā)酵過程pH會(huì)發(fā)生變化變化原因基質(zhì)代謝產(chǎn)物形成菌體自溶對發(fā)酵的影響pHpH影響酶的活性pH值影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷