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1、1,第九章发酵过程控制,pH的中间控制,引起pH变化的因素,pH对发酵的影响,pH的选择与控制,2,（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值影响培养基某些营养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,1、pH值影响微生物生长繁殖和代谢的原因,3,4）pH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。,例如：黑曲霉在pH2-3时，发酵产生柠檬酸，在pH接近中性时，则产生草酸。又如：丙酮丁
2、醇发酵中，发酵后期pH为时积累丙酮丁醇，pH升高则丙酮丁醇产量减少，而丁酸、乙酸含量增加。,4,2、pH对发酵的影响,1）影响微生物的生长繁殖。石油吃蜡酵母（解脂假丝酵母和热带假丝酵母）在 pH 3.5-5.0 范围内生长良好且不易染菌；高于5时，形态变小，发酵液变黑，发酵过程中容易被细菌污染；pH低于3时，生长受到严重的抑制，细胞极不齐整，且出现细胞自溶的情况。,5,2）影响微生物的形态。产黄青霉细胞壁的厚度会随pH的增加而减小。pH低于6时，菌丝长度变短，直径为2-3m，pH 大于7时，菌丝直径为2-8 m，膨胀菌丝增多，pH下降后，菌丝又恢复到正常状态。,6,3）pH影响代谢产物的形成的
3、数量和方向 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。如黑曲霉:在pH 2-3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,7,4）影响产物的稳定性 如噻纳霉素的发酵中，pH值在之间时，抗生素的产量相近，产品稳定性未受影响，半衰期也无变化，但当pH大于7.5时，抗生素半衰期缩短，稳定性下降，发酵产量也减少。,8,5）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,X,pH,四环素,放线菌金色链丛菌,9,1.在微生物细胞的生长阶段:初期:
4、接种后到孢子萌发,因碳氮源代谢水平比较低,pH一般可维持不变,或者由于添加了CaCO3而略有上升。快速生长期：pH值变化较大，因菌种及培养基不同而上升或下降2.在生产阶段，一般发酵液的pH值趋于稳定，维持在适合产物形成的pH范围。3.在微生物细胞自溶阶段,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。,3.1发酵过程中pH值的变化一般规律,3、发酵过程pH变化及其原因,10,1、基质代谢,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
5、下降，当碳源不足时氮源当碳源利用pH上升。生理酸碱性物质被微生物利用后会导致环境pH下降（上升）的物质称为生理酸性（碱性）物质。,3.2 引起发酵过程pH变化的原因,11,2、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。可做为终止发酵的指示。4、其它：,12,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
6、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。,4、pH对发酵的影响,13,1）各种微生物适应的pH范围：细菌6.5-7.5;霉菌4.0-5.8;酶母菌3.8-6.0;放线菌6.5-8.0.,)微生物生长阶段和产物合成阶段的最适pH值往往不一样。这与菌种的特性有关，也取决于产物的化学性质。,2、微生物细胞生长和代谢产物形成的最适pH值。,14,1、选择,原则：既有利于微生
7、物的生长，又可以最大限度地获得高产。最适pH值是根据实验结果来确定的。,4、发酵过程中最适pH值的选择与控制,15,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()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)：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；Qp(或)的最适pH值范围窄，而(或Qp)的范围较宽(b)；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；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。,16,在发酵过程中，发酵液的pH随
8、着微生物活动而不断变化，为提供菌体适宜的生长或产物积累的pH值，需要对发酵生产过程各阶段的pH值实施控监控，实际生产中，从以下几个方面进行：（一）调整培养基组分：适当调整C/N比，使盐类与碳源配比平衡，一般情况：C/N高时（真菌培养基），pH降低；C/N低时（一般细菌），经过发酵后，pH上升,2、pH的控制,17,在生产上，主要的过程控制方法有：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.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
9、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。,18,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
10、值和培养液的特性(如菌浓等)等几个目的。,19,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 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,20,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,21,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；,22,思考题,1 pH对发酵的影响?2 引起发酵过程pH变化的原因？,
