第七章pH对发酵的影响与控制(6)

三、发酵pH值的确定
最适pH值是根据实验结果来确定的。
微生物发酵的最适pH值范围一般是在5～8之间。
• 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，以分别维 持出发pH值，或者利用缓冲液来配制培养基来维 持。 • 到时观察菌体的生长情况，以菌体生长达到最高 值的pH值为菌体生长的合适pH值。 • 用同样的方法，可测得产物合成的合适pH值。 • 同一产品的合适pH值，与所用的菌种、培养基组 成和培养条件有关。 • 在确定合适发酵pH值时，不定期要考虑培养温度 的影响，若温度提供或降低，合适pH值也可能发 生变动。
3～6，最适pH的变化范围是0.5～1.0。
2、 pH对发酵的影响有哪些呢？
（1）pH影响酶的活性。当pH值抑制菌体某些 酶的活性时使菌的新陈代谢受阻 （2）pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变， 从而改变细胞膜的透性，影响微生物对营养 物质的吸收及代谢物的排泄，因此影响新陈 代谢的进行 （3）pH值影响培养基某些成分和中间代谢物 的解离，从而影响微生物对这些物质的利用
四、pH的控制
1.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变化在合适的范围内。
在分批发酵中，常添加缓冲剂如CaCO3、
生理酸性物质或碱性物质来控制pH。
2.在发酵过程中直接补加酸、碱或补料的
方式来控制，特别是补料效果比较明显。
现在常用的是以生理酸性物质像（NH4)2SO4
pH对发酵的影响与控制
本节内容
• pH对发酵的影响
• 发酵pH的变化
• 发酵pH的确定 • 发酵pH的控制
一、pH对发酵的影响
• 微生物菌体的生长、发育及代谢产物的
合成，不仅需要合适的温度，还需要合
适的pH值。
• 适合微生物生长的pH和适合微生物合成
产物的pH往往不同。
• 适宜大多数微生物生长的pH值范围是
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• 一般来说，高碳源培养基倾向于向酸性pH转移，
高氮源培养基倾向于向碱性pH转移，这都跟碳 氮比直接有关。 • 生理酸性物质和生理碱性物质的消耗
在发酵过程中，随着菌种对培养基种碳、氮 源的利用，随着有机酸和氨基酸的积累，会 使pH值产生一定的变化。
• 生长阶段
• 生成阶段 • 自溶阶段
1、生长阶段：菌体产生蛋白酶水解培养基 中的蛋白质，生成铵离子，使pH上升至 碱性；随着菌体量增多，铵离子的消耗 也增多，另外糖利用过程中有机酸的积 累使pH值下降。 2、生产阶段：这个阶段pH值趋于稳定。 3、自溶阶段：随着养分的耗尽，菌体蛋白 酶的活跃，培养液中氨基氮增加，致使 pH又上升，此时菌体趋于自溶而代谢活 动终止。
如：青霉素生产的葡萄糖补加控制pH。
（按需补糖比恒速补糖效果好。） –添加弱酸或弱碱、加缓冲剂。（一般效果不好）
具体操作：
• 首先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。
补料方法，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。 • 最成功的例子就是青霉素的补料工艺，利 用控制葡萄糖的补加速率来控制pH值的变 化范围(现已实现自动化)，其青霉素产量 比用恒定的加糖速率和加酸或碱来控制pH 值的产量高25％。
或碱性物质氨水来控制。
在加多了消沫油时，采用提高空气流量来加
速脂肪酸的氧化，以提高pH。 在氨基酸、抗生素等的发酵中，已经成功地 采用了补料的方法来调节pH。
3、最适pH的选择和调节
• 最适pH的选择和调节的原则：
–既有利于菌体的生长繁殖，又可最大限度的获得高产。
–根据不同微生物的特性，在发酵过程中随时检查pH 值的变化，选用适当的方法进行调节。 • 生长最适pH和产物形成最适pH的相互关系： ①两者相同，范围都宽；容易控制。
况，改变酶的结构和功能，引起酶活性
的改变。
二、 发酵pH的变化
• 影响发酵液pH值变化的主要因素有：菌种
遗传特性、培养基的成分、培养条件。
培养基中营养物质的代谢引起pH的变化： • 培养基pH在发酵过程中能被菌体代谢所改变。 若阴离子氮源被利用后产生NH3 ，则pH上升； 有机酸的积累，使pH下降。
8 15 20 25 30 35 500mL三角瓶装液量/mL L-亮氨酸 糖酸转化率
• 为什么pH的变化能对代谢产生影响？ 培养基中H+或OH-离子通过间接作用来 产生影响，其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OH-离 子，影响胞内酶蛋白的解离度和电荷状
pH值
培养过程中培 养液pH值的大 致变化趋势
培养时间
由此可见，在适合于菌生长及合成产物的环境条 件下，菌体本身具有一定的调节pH的能力，但是 当外界条件变化过于剧烈，菌体就失去了调节能 力，培养液的pH就会波动。
引起pH下降的因素
① 培养基中碳、氮比例不当。碳源过
多，特别是葡萄糖过量，或者中间补
②两者相同，范围都窄；必须严格控制。
③两者相同，范围一宽一窄；必须严格控制。 ④两者不同，范围都窄；分别严格控制。
3、最适pH的选择和调节
• 选择pH值的方法：通过实验确定。
配制并始终调节控制不同pH，检出菌体或产物最大值。
• 调节pH值的方法： –主要考虑培养基中生理酸、碱性物质的配比； –补料调节：调节通气量、调整盐类、氮源、碳源的配 比平衡；
（4）pH影响代谢方向
pH不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代
谢产物的质量和比例发生改变。例如黑曲霉
在pH2-3时发酵产生柠檬酸，在pH近中性时，
则产生草酸。
谷氨酸发酵，在中性和微碱性条件下积累谷
氨酸，在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和
N-乙酰谷氨酰胺
20
糖酸转化率/％
-1
L-亮氨酸/g•L
16
12
• 在发酵过程中直接补加酸或碱和补料的
方式来控制；补充生理酸性物质（如
(NH4)2SO4）和生理碱性物质（如NaNO3）
来控制。
4、pH的测定
• 发酵过程中pH的测定一般采用可原位蒸汽 灭菌的复合pH电极，因为复合pH电极便于 安装、标定与作用。 • 它由内外两个玻璃管构成，其中心为pH指 示电极，外部为参比电极及参比电解液。 • pH极在灭菌前先标定，再插入发酵液中灭 菌使用。
一般根据实验结果确定。
最适pH与菌株，培养基组成，发酵工 艺有关。应按发酵过程的不同阶段分 别控制不同的pH范围。
最适pH与微生物生长，产物形成之间相互 关系有四种类型：
菌体比生长速率μ和产物比生产速率QP的最适pH在 一个相似的较宽的范围内（比较容易控制）； μ较宽，Qp范围较窄，或μ较窄，Qp范围较宽（难 控制，应严格控制）； μ和 Qp对pH都很敏感，其最适pH相同（应严格控 制）； 更复杂，μ和 Qp对pH都很敏感，并有各自的最适 pH（难度最大）；
糖过多加上溶氧不足，致使有机酸大
量积累而pH下降；
② 消泡剂加得过多；
③ 生理酸性物质的存在，铵被利用，
pH下降。
引起pH上升的因素
① 培养基中碳、氮比例不当。氮源过
多，氨基氮释放，使pH上升；
② 生理碱性物质存在； ③ 中间补料氨水或尿素等碱性物质加 入过多。
最适pH的选择
原则：有利于菌体生长和产物的合成。