发酵技术中的PH控制

发酵技术中的PH控制1pH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＜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。不同种类微生物，对pH要求不同；酵母：pH3.8－6.0细菌：pH6.5－7.5霉菌：pH4.0－5.8放线菌：pH6.5－8.0同种微生物对pH变化的反映不同。如，石油代蜡酵母pH3.5－5.0生长良好，不易染菌；pH5.0时，易染细菌；pH3.0时，生长受抑制，易自溶；pH不同，微生物代谢产物不同。pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响微生物生长和发酵的最适宜pH可能不同。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值影响孢子发芽；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2～3μm；pH7.4时为2～18μm，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6.5～6.8。影响产物稳定性：β-内酰胺抗生素沙纳霉素的发酵中，pH在6.7～7.5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pH7.5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6～7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①培养基中C/N不当，有机酸积累；②消沫油加得过多；③生理酸性物质过多；(2)上升①C/N比例不当，N过多，氨基氮释放；②生理碱性物质过多；③中间补料时碱性物加入量过大；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5～8之间，如谷氨酸发酵的最适pH值为7.5～8.0。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，待有机酸被生产菌利用，pH上升。若不及时补糖、(NH4)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pH2～3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，发酵中期pH7.2左右，发酵后期pH7.0，在将近放罐时，pH6.5～6.8为好。梭状芽孢杆菌丙酮丁醇发酵，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5～6。链霉素产生菌生长最适pH值为6.2～7.0，合成最适pH值为6.8～7.3。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(μ)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)：①μ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；②Qp(或μ)的最适pH值范围窄，而μ(或Qp)的范围较宽(b)；③μ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；④μ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：①添加CaCO3：当用NH4+盐作为氮源时，可在培养基中加入CaCO3，用于中和NH4+被吸收后剩余的酸.②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。③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的控制方法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，调节空气流量来调节pH(2)当NH2-N低，pH低时补氨水；当NH2-N低，pH高时补(NH4)2SO4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CO2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pH6．50一9．50测定天冬酰胺酶酶活力．1甘氨酸介质pH8.00时酶活力最高；2硼酸在pH8．50，酶反应最快3磷酸在pH8．50，酶反应最快4Tris在pH8．50，酶反应最快酶活1＞2＞4＞3异亮氨酸发酵不同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CaC03控制pH值，“2”表示只加尿素控制，“3”表示CaC03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2．47μg／(mL·h)控制pH7.0时的产率3．37μg／(mL·h)最高控制pH8.0时，产率2．02μg／(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产量达最高值时，变换pH为6.0，以减少CA分解。最高CA浓度可保持24h。由于改变pH，使CA分解速率明显降低。