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1、第四节 发酵过程的pH控制,pH是微生物代谢的综合反映，又影响代谢的进行，所以是十分重要的参数。,发酵过程中pH是不断变化的，通过观察pH变化规律可以了解发酵的正常与否,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,一、发酵过程pH变化的原因,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,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,2、产物形成,某些产物本身呈酸
2、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。,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,二、pH对发酵的影响,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
3、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。,1、实例,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,pH,7.0,t,不调pH,调pH,效价,pH,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,例：培养基初始pH值对漆酶分泌的影响,pH在47范围内产酶最高,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,2、pH对发酵的影响,（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
4、影响微生物对这些物质的利用,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,（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pH23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,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,3、pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响,生长,合成,pH对菌体生长影响比产物合成影响小 例 青霉素：菌体生长最适pH3.56.0,产物合成最适pH7.27.4 四环素：菌体生长最适pH6.06.8，产物合成最适pH5.86.0,X,pH,四环素,
5、发酵过程控制,发酵过程的pH控制,4、最佳pH的确定,配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况,pH对产海藻酸裂解酶的影响,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,pH对海藻糖水解酶产生的影响,pH菌浓 pH酶活,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,pH对谷氨酰胺转氨酶活力的影响,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,热凝胶产生不同阶段pH的考察,biomass,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,从图中可见，热凝胶发酵菌体生长和热凝胶合成是非偶联的，整个发酵过程可以分成两个阶段：前10 h是菌体生长期，之后热凝胶开始合成，至发酵结束是热凝胶合成期。 在菌体生长期，DO 直线下降，培养液中的pH也迅速下降
6、。10 h左右，菌体质量浓度达到最大值，DO 和pH降至最低点（5.45.6），菌体生长结束。此后进入热凝胶合成期。,试验两阶段的最适pH，见表,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,稳定期随着pH降低，糖耗速率增加，生物量增加，但产物合成速率在pH5.6时达到最高。说明当pH小于5.6以后微生物消耗的糖并非用于合成热凝胶，而是合成菌体。,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,三、pH的控制,1、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6.56.8,2、在基础料中加入维持pH的物质，如CaCO3
7、，或具有缓冲能力的试剂，如磷酸缓冲液等,3、通过补料调节pH,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,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)2SO4,4、当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,分别在4种缓冲介质中，于pH 650一950测定天冬酰胺酶酶活力 1 甘氨酸介质pH 8.00时酶活力最高； 2 硼酸在pH 850，酶反应最快 3 磷酸在pH 850，酶反应最快 4 Tris在pH 850，酶反应
8、最快 酶活1243,5、不同调pH方法的影响,天冬酰胺酶,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,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。,异亮氨酸发酵,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,例：pH对L-异亮氨酸发酵的影响（天津科技大学）,菌株最适生长pH控制在6.87.0,6、发酵的不同阶段采取不同的pH值,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,不同pH值对菌体的形态影响很大，当pH值高于75时，菌体易于老化，呈现球状；当pH值低于65时菌体同样受抑制，易于老化。
9、而在72左右时，菌体是处于产酸期，呈现长的椭圆形；在69左右时，菌体处于生长期，呈“八”字形状并占有绝对的优势。,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,pH69时，菌体生长旺盛，pH715时，对菌体的产酸有利。因此，在发酵的产酸期产酸较高。采用阶段pH控制模式进行发酵，在发酵中前期控制pH6.9，到48h后pH值为715，到80h后pH值为725。产率2227g/L，产酸率提高1223。,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,例：克拉维酸发酵中pH变换控制,问题的提出：在pH低时菌体生长受抑制，在高pH时克拉维酸要分解,用2.5升罐进行的不控制pH的发酵发现，前期由于
10、微生物产生的酸性副产物和有机酸使pH降至6.5。在达到最高细胞浓度后，pH开始从6.5升至8.3。CA产量达最高水平时，pH不再升高。在发酵终止时，pH再次升至8.5。随着pH升高，CA迅速分解。,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,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,pH6.0时，生长受抑制，产物降解少,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,pH8.0时生长良好 产量低，产物降解,pH7.0时的状况,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,控制pH7.0和8.0时，最高细胞浓度接近相同(约16PMV)，但控制pH60时细胞生长受抑制。 在25升生
11、物反应器内， 不控制pH时247g(m1h ) 控制pH7.0时的产率337g(m1h) 最高 控制pH8.0时，产率202g(m1h) 在控制pH60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。,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,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pH70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
12、，使CA分解速率明显降低。,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,pH控制是一项非常细致的工作，不仅考虑最佳pH值，而且要根据生长阶段考察对pH的要求。在pH控制中还要采用合适的调节方法。,总结,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,小 结,发酵过程pH会发生变化,变化原因,基质代谢,产物形成,菌体自溶,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,对发酵的影响,pH,pH影响酶的活性 pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变 pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离 pH影响代谢方向,pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,pH的控制方式,基础培养基调节pH,在基础料中加入维持pH的物质,通过补料调节pH,当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH,发酵的不同阶段采取不同的pH值,选择合适的pH调节剂,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,思考题 7.12 发酵过程中pH会不会发生变化为什么？ 7.13 pH对发酵的影响表现在哪些方面？ 7.14 为了确定发酵的最佳pH,我们该如何实验？ 7.15 发酵过程的pH控制可以采取哪些措施？,发酵过程控制,发酵过程的pH控制,
