發(fā)酵技術(shù)中地PH控制

1、發(fā)酵技術(shù)中的 PH 控制pH值對菌體生長和代謝產(chǎn)物形成的影響pH表示溶液氫離子濃度的負(fù)對數(shù)，純水的H+濃度是10-7mol/L,因此pH為7, pH 7呈堿性，pHV7呈酸性，pH值差1時，其H+濃度就相差10倍。最高、最適、最低三基點(diǎn)，主要是影響微生物活動環(huán)境的離子強(qiáng)度、細(xì)胞膜的透性及 膜上的帶電性和氧化-還原電位、酶活性。不同種類微生物，對 pH 要求不同；酵 母：pH 38-60細(xì) 菌： pH 6.57.5霉 菌： pH 40- 58放線菌： pH 65-80同種微生物對 pH 變化的反映不同。如，石油代蠟酵母pH 35-50 生長良好，不易染菌；pH 50 時，易染細(xì)菌；pH 75 時

2、，穩(wěn)定性下降，半衰期縮短，發(fā)酵單位 也下降。青霉素在堿性條件下發(fā)酵單位低，也與青霉素的穩(wěn)定性有關(guān)。影響 pH 值變化的因素在發(fā)酵過程中， pH 值的變化決定于所用的菌種、培養(yǎng)基的成分和培養(yǎng)條件。在產(chǎn) 生菌的代謝過程中，菌體本身具有一定的調(diào)整周圍環(huán)境 pH 值，構(gòu)建最適 pH 值的 能力。以產(chǎn)生利福霉素SV的地中海諾卡菌進(jìn)行發(fā)酵研究，采用pH值為60、68、75三個出發(fā)值， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)：pH值在68、75時，最終發(fā)酵pH值都達(dá)到75左右，菌絲生長和發(fā)酵單位都達(dá)到 正常水平；pH值為60時，發(fā)酵中期pH值只達(dá)45,菌濃僅為20%，發(fā)酵單位為零。這說明菌體僅有一定的自調(diào)能力。1）基質(zhì)代謝（1）糖代謝特

3、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會上升或下降如灰黃霉素發(fā)酵的 pH 值變化，就與所用碳源種類有密切關(guān)系，如以乳糖為碳源， 乳糖被緩慢利用，丙酮酸堆積很少，pH值維持在67之間；如以葡萄糖為碳源， 丙酮酸迅速積累，使pH值下降到36,發(fā)酵單位很低。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

4、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。引起發(fā)酵液pH值變化的常見因素（1）下降心 培養(yǎng)基中C/N不當(dāng)，有機(jī)酸積累；心消沫油加得過多；心生理酸性物質(zhì)過多；（2）上升心 C/N比例不當(dāng)，N過多，氨基氮釋放；心生理堿性物質(zhì)過多；心中間補(bǔ)料時堿性物加入量過大；心 發(fā)酵液的pH值變化是菌體代謝反應(yīng)的綜合結(jié)果。心 從代謝曲線的pH值變化就可以推測發(fā)酵罐中的各種生化反應(yīng)的進(jìn)展和pH值變化 異常的可能原因。心在發(fā)酵過程中，要選擇好發(fā)酵培養(yǎng)基的成分及其配比，并控制好發(fā)酵工藝條件，使 pH 值穩(wěn)定維持在最佳的范圍內(nèi)。4發(fā)酵過程中pH值的調(diào)節(jié)及控制1）發(fā)酵pH值的確定（范圍，時間）一般

5、是在58之間，如谷氨酸發(fā)酵的最適pH值為7580。隨菌種和產(chǎn)品不同而不同。同一菌種，生長最適 pH 值可能與產(chǎn)物合成的最適 pH 值是不一樣的。按發(fā)酵過程的不同階段分別控制不同的pH,使產(chǎn)量最大。例pH對林可霉素發(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。若不及時補(bǔ)糖、（NH4）2SO4或酸，發(fā)酵液pH可迅速升到 80 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pH達(dá)793,以后維持在80以上至115小時，菌絲濃度降低，NH2-N升高， 發(fā)酵不再繼續(xù)。發(fā)酵15小時左右，pH值可以從消后的65左右下

6、降到53,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。黑曲霉pH23時合成檸檬酸，pH值接近中性時積累草酸。谷氨酸生產(chǎn)菌在中性和微堿性條件下積累谷氨酸，在酸性條件下形成谷氨酰胺。谷 氨酸發(fā)酵在不同階段對 pH 值的要求不同，發(fā)酵前期控制 pH7.5 左右，發(fā)酵中期 pH72左右，發(fā)酵后期pH70,在將近放罐時，pH6568為好。梭狀芽抱桿菌丙酮丁醇發(fā)酵，pH值在中性時，菌種生長良好，但產(chǎn)物產(chǎn)量很低， 實(shí)際發(fā)酵最適pH值為56。鏈霉素產(chǎn)生菌生長最適pH值為627.0，合成最適pH值為6873。 最適pH值的確定：根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同的 pH 值出發(fā)進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵過程中定時測定和調(diào)

7、節(jié) pH 值以維持出發(fā) pH 值，或者利用緩沖液配制培養(yǎng)基來維持。定時觀察菌體的生長情況，以菌體生長達(dá) 到最高值的pH值為生長最適pH。同樣的方法可測得產(chǎn)物合成的最適pH值。但同一產(chǎn)物的最適pH值，還與 所用的菌種、培養(yǎng)基組成和培養(yǎng)條件有關(guān)。確定發(fā)酵最適pH值時，要考慮溫度的影響。在各種類型的發(fā)酵過程中，實(shí)驗(yàn)所得的最適pH值、菌體的比生長速率）和產(chǎn)物比生成 速率（Qp）等3個參數(shù)的相互關(guān)系有四種情況（見圖10-1）：g和Qp的最適pH值都在一個相似的較寬的適宜范圍內(nèi)（a）,這種發(fā)酵過程易于控制；Qp （或g）的最適pH值范圍窄，而g（或Qp）的范圍較寬（b）；g和Qp對pH值都很敏感，它們的最

8、適pH值又是相同的（c）,第二、第三種情況的 發(fā)酵pH值應(yīng)嚴(yán)格控制；g和Qp有各自的最適pH值（d），應(yīng)分別嚴(yán)格控制各自的最適pH值，才能優(yōu)化發(fā)酵 過程。在生產(chǎn)上，主要的過程控制方法有：添加CaCO3:當(dāng)用NH4+鹽作為氮源時，可在培養(yǎng)基中加入CaCO3，用于中和 NH4+被吸收后剩余的酸.氨水流加法：氨水可以中和發(fā)酵中產(chǎn)生的酸，且NH4+可作為氮源，供給菌體營養(yǎng). 通氨一般是使壓縮氨氣或工業(yè)用氨水（濃度20左右），采用少量間歇添加或連續(xù)自動流 加，可避免一次加入過多造成局部偏堿。氨極易和銅反應(yīng)產(chǎn)生毒性物質(zhì)，對發(fā)酵產(chǎn)生影 響，故需避免使用銅制的通氨設(shè)備。尿素流加法：味精廠多用，尿素首先被菌體尿

9、酶分解成氨，氨進(jìn)入發(fā)酵液，使pH上 升，當(dāng)NH4+被菌體作為氮源消耗并形成有機(jī)酸時，發(fā)酵液pH下降，這時隨著尿素的 補(bǔ)加，氨進(jìn)入發(fā)酵液，又使發(fā)酵液pH上升及補(bǔ)充氮源，如此循環(huán)，致至發(fā)酵液中碳源 耗盡，完成發(fā)酵。氨基酸發(fā)酵常用此法。這種方法既可以達(dá)到穩(wěn)定pH值的目的，又可以不 斷補(bǔ)充營養(yǎng)物質(zhì)，特別是能產(chǎn)生阻遏作用的物質(zhì)。少量多次補(bǔ)加還可解除對產(chǎn)物合成的 阻遏作用，提高產(chǎn)物產(chǎn)量。也就是說，采用補(bǔ)料的方法，可以同時實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充營養(yǎng)、延長 發(fā)酵周期、調(diào)節(jié)pH值和培養(yǎng)液的特性（如菌濃等）等幾個目的。pH的控制方法常用方法調(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

10、60,消前pH往往要調(diào)到6.5-68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當(dāng)NH2-N低，pH低時補(bǔ)氨水；當(dāng)NH2-N低，pH高時補(bǔ)(NH4)2SO4當(dāng)補(bǔ)料與調(diào) pH 發(fā)生矛盾時，加酸堿調(diào) Ph應(yīng)急措施： 改變攪拌轉(zhuǎn)速或通氣量，以改變?nèi)芙庋鯘舛?，控制有機(jī)酸的積累量及其代謝速度； 改變溫度，以控制微生物代謝速度；改變罐壓及通氣量，降低CO2的溶解量；改變加油或加糖量等，調(diào)節(jié)有機(jī)酸的積累量；5、不同調(diào)pH方法的

11、影響分別在4種緩沖介質(zhì)中，于pH 6. 50 一 9. 50測定天冬酰胺酶酶活力.甘氨酸介質(zhì) pH 8.00 時酶活力最高；硼酸在 pH 8. 50，酶反應(yīng)最快磷酸在 pH 8. 50，酶反應(yīng)最快Tris在pH 8. 50,酶反應(yīng)最快酶活 1243異亮氨酸發(fā)酵不同pH控制方式對目的突變株ISw330異亮氨酸搖瓶發(fā)酵的影響，結(jié)果如圖所示。“1”表 示只加CaC03控制pH值，“2”表示只加尿素控制，“3”表示CaC03和尿素聯(lián)合控制pH值。 6發(fā)酵的不同階段釆取不同的pH值例：pH對L-異亮氨酸發(fā)酵的影響研究不同pH對發(fā)酵的影響分別配置pH為60, 70, 80的培養(yǎng)基測定菌的生長和產(chǎn)物合成控制pH7.0和80時，最高細(xì)胞濃度接近相同(約16%PMV),但控制pH6. 0時細(xì)胞生長受 抑制。在 2. 5 升生物反應(yīng)器內(nèi)，不控制pH時2. 47ug/(mLh )控制pH7.0時的產(chǎn)率3. 37ug/(mLh)最高控制pH8.0時，產(chǎn)率2. 02g/(mLh)在控制pH6. 0時，CA產(chǎn)生被抑制，但降解少因此對細(xì)胞生長和CA產(chǎn)生最好將pH控制于70,但