pH对发酵过程的影响与控制.pptx

尽管多数微生物能在尽管多数微生物能在34个个pH单位的单位的pH范围范围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产物形成，必须使速率和最佳产物形成，必须使pH在很窄的范围在很窄的范围内保持恒定。内保持恒定。发酵过程中发酵过程中pH是不断变化的，通过观察是不断变化的，通过观察pH变化变化规律可以了解发酵的正常与否。规律可以了解发酵的正常与否。一一 、发酵过程中发酵过程中pH变化的原因是什么？变化的原因是什么？二二 、pH对发酵的影响表现在哪些方面？对发酵的影响表现在哪些方面？三三、我们该如何设计实验确定发酵的最佳我们该如何设计实验确定发酵的最佳pH？四四 、发酵过程的、发酵过程的pH控制可以采取哪些措施？控制可以采取哪些措施？一、发酵过程一、发酵过程pHpH变化的原因变化的原因 发酵过程中，发酵过程中，pH的变化是微生物在发酵过程的变化是微生物在发酵过程中代谢活动的综合反映，其变化的根源取决中代谢活动的综合反映，其变化的根源取决于培养基的成分和微生物的代谢特性。于培养基的成分和微生物的代谢特性。有研究表明，培养开始时发酵液有研究表明，培养开始时发酵液pH的影的影响是不大的，因为微生物在代谢过程中，迅响是不大的，因为微生物在代谢过程中，迅速改变培养基速改变培养基pH的能力十分惊人。例如，以的能力十分惊人。例如，以花生饼粉为培养基进行土霉素发酵，最初将花生饼粉为培养基进行土霉素发酵，最初将pH分别调到分别调到5.0、6.0和和7.0，发酵，发酵24h后，这后，这三种培养基的三种培养基的pH已经不相上下，都在已经不相上下，都在6.57.0之间。但是当外界条件发生较大之间。但是当外界条件发生较大变化时，变化时，引起这种波动的原因除了取决于微生物引起这种波动的原因除了取决于微生物自身的代谢外，还与培养基的成分有极大自身的代谢外，还与培养基的成分有极大的关系。一般来说，有机氮源和某些无机的关系。一般来说，有机氮源和某些无机氮源的代谢起到提高氮源的代谢起到提高PH的作用，例如氨基的作用，例如氨基酸的氧化和硝酸钠的还原，玉米浆中的乳酸的氧化和硝酸钠的还原，玉米浆中的乳酸被氧化等，这类物质被微生物利用后，酸被氧化等，这类物质被微生物利用后，可使可使PH上升，这些物质被称为生理碱性物上升，这些物质被称为生理碱性物质，如有机氮源、硝酸盐、有机酸等。质，如有机氮源、硝酸盐、有机酸等。菌体就失去了调节能力，发酵液的菌体就失去了调节能力，发酵液的pH将会将会不断波动。不断波动。此外通气条件的变化，菌体自溶或杂均此外通气条件的变化，菌体自溶或杂均污染都可能引起发酵液污染都可能引起发酵液PH的改变，所以的改变，所以确定最适确定最适PH以及采最适有效的控制措施，以及采最适有效的控制措施，是使菌种发挥最大生产能力的保证。是使菌种发挥最大生产能力的保证。而碳源的代谢则往往起到降低而碳源的代谢则往往起到降低pH的作用，的作用，例如，糖类氧化不完全时产生的有机酸，例如，糖类氧化不完全时产生的有机酸，脂肪不完全氧化产生的脂肪酸、铵盐氧化脂肪不完全氧化产生的脂肪酸、铵盐氧化后产生的硫酸等。这类物质称为生理酸性后产生的硫酸等。这类物质称为生理酸性物质。物质。PHPH变化的原因变化的原因1 1、基质代谢、基质代谢（1）糖代谢）糖代谢 特别是快速利用的糖，分解成小特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，下降。糖缺乏，pH上升，是补上升，是补料的标志之一。料的标志之一。（2）氮代谢）氮代谢 当氨基酸中的当氨基酸中的-NH2被利用后被利用后pH会会下降；尿素被分解成下降；尿素被分解成NH3，pH上升，上升，NH3利用后利用后pH下降，当碳源不足时氮源当碳源利用下降，当碳源不足时氮源当碳源利用pH上升。上升。（3）生理酸碱性物质利用后）生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降。会上升或下降。2 2、产物形成产物形成 某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pH变化。变化。如有机酸类产生使如有机酸类产生使pH下降，下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使性，使pH上升。上升。3 3、菌体自溶菌体自溶，pH上升，发酵后期，上升，发酵后期，pH上升。上升。二、二、pH对发酵的影响对发酵的影响 林林可可霉霉素素发发酵酵开开始始，葡葡萄萄糖糖转转化化为为有有机机酸酸类类中中间间产产物物，发发酵酵液液pH下下降降，待待有有机机酸酸被被生生产产菌菌利利用用，pH上上升升。若若不不及及时时补补糖糖、(NH4)2SO4或或酸酸，发发酵酵液液pH可可迅迅速速升升到到8.0以以上上，阻阻碍碍或或抑抑制制某某些些酶酶系系，使使林林可可霉霉素素增增长长缓缓慢慢，甚甚至至停停止止。对对照照罐罐发发酵酵66小小时时pH达达7.93，以以后后维维持持在在8.0以以上上至至115小小时，菌丝浓度降低，时，菌丝浓度降低，NH2-N升高，发酵不再继续。升高，发酵不再继续。发发酵酵15小小时时左左右右，pH值值可可以以从从消消后后的的6.5左左右右下下降降到到5.3，调调节节这这一一段段的的pH值值至至7.0左左右右，以以后后自自控控pH，可可提提高高发发酵单位。酵单位。实例实例pH对林可霉素发酵的影响对林可霉素发酵的影响 pH7.0t不调不调pH调调pH效价效价pHpHpH对发酵的影响对发酵的影响（1）pH影影响响酶酶的的活活性性。当当pH值值抑抑制制菌菌体体某某些酶的活性时使菌的新陈代谢受阻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离，从而影响微生物对这些物质的利用（4）pH影响代谢方向影响代谢方向 pH不不同同，往往往往引引起起菌菌体体代代谢谢过过程程不不同同，使使代代谢谢产物的质量和比例发生改变。产物的质量和比例发生改变。例例如如黑黑曲曲霉霉在在pH23时时发发酵酵产产生生柠柠檬檬酸酸，在在pH近中性时，则产生草酸。近中性时，则产生草酸。谷谷氨氨酸酸发发酵酵，在在中中性性和和微微碱碱性性条条件件下下积积累累谷谷氨氨酸酸，在在酸酸性性条条件件下下则则容容易易形形成成谷谷氨氨酰酰胺胺和和N-乙乙酰酰谷谷氨氨酰胺。酰胺。3 3、pHpH在微生物培养的不同阶段有不同的影响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对菌体生长影响比产物合成影响小青霉素：菌体生长最适青霉素：菌体生长最适pH3.56.0,产物合成最适产物合成最适pH7.27.4四环素：菌体生长最适四环素：菌体生长最适pH6.06.8，产物合成最适，产物合成最适pH5.86.0XpH三、最佳三、最佳pHpH的确定的确定一般最适一般最适pH是根据实验结果来确定的，通是根据实验结果来确定的，通常将发酵培养基调节成不同的起始常将发酵培养基调节成不同的起始pH值，值，在发酵过程中定时测定、并不断调节在发酵过程中定时测定、并不断调节pH，以维持其起始以维持其起始pH值，或者利用缓冲剂来维值，或者利用缓冲剂来维持发酵液的持发酵液的pH。同时观察菌体的生长情况，。同时观察菌体的生长情况，菌体生长达到最大值的菌体生长达到最大值的pH即为菌体生长的即为菌体生长的最适最适pH。产物形成的最适。产物形成的最适pH也可以如此测也可以如此测得。得。在测定了发酵过程中不同阶段的最适在测定了发酵过程中不同阶段的最适pH要要求后，便可采用各种方法来控制。求后，便可采用各种方法来控制。v配制不同初始配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵的培养基，摇瓶考察发酵情况情况pH对产海藻酸裂解酶的影响对产海藻酸裂解酶的影响pH对海藻酸水解酶产生的影响对海藻酸水解酶产生的影响pH菌浓菌浓 pH酶活酶活四、四、pHpH的控制的控制 在工业生产中，调节在工业生产中，调节pH的方法并不是仅仅采用酸的方法并不是仅仅采用酸碱中和，因为酸碱中和虽然可以中和培养基中当碱中和，因为酸碱中和虽然可以中和培养基中当时存在的过量碱，但是却不能阻止代谢过程中连时存在的过量碱，但是却不能阻止代谢过程中连续不断发生的酸碱变化。即使连续不断地进行测续不断发生的酸碱变化。即使连续不断地进行测定和调节，也是徒劳无益的，因为这没有根本改定和调节，也是徒劳无益的，因为这没有根本改善代谢状况。因为发酵过程中引起善代谢状况。因为发酵过程中引起pH变化的根本变化的根本原因是因微生物代谢营养物质的结果，所以调节原因是因微生物代谢营养物质的结果，所以调节控制控制pH的根本措施主要应该考虑培养基中生理酸的根本措施主要应该考虑培养基中生理酸性物质与生理碱性物质的配比，然后是通过中间性物质与生理碱性物质的配比，然后是通过中间补料进一步加以控制。补料进一步加以控制。补料也不是仅仅加入酸碱来控制，可用生理酸性补料也不是仅仅加入酸碱来控制，可用生理酸性和生理碱物质来控制，这些物质不仅可以调节和生理碱物质来控制，这些物质不仅可以调节pH，还可以补充氮源。当，还可以补充氮源。当pH和氨基氮含量低时，加和氨基氮含量低时，加入氨水；当入氨水；当pH高，氨基氮含量低时，加入硫酸铵。高，氨基氮含量低时，加入硫酸铵。补糖是根据补糖是根据pH的变化来决定补糖速率，恒速补糖的变化来决定补糖速率，恒速补糖则通过加人酸碱来控制则通过加人酸碱来控制pH。pHpH的控制方法的控制方法 1 1、调调节节好好基基础础料料的的pHpH。基基础础料料中中若若含含有有玉玉米米浆浆，pH呈呈酸酸性性，必必须须调调节节pH。若若要要控控制制消后消后pH在在6.0，消前，消前pH往往要调到往往要调到6.56.82 2、在基础料中加入维持、在基础料中加入维持pHpH的物质的物质，如，如CaCO3，或具有缓冲能力的试剂，如磷酸具有缓冲能力的试剂，如磷酸缓冲液等。缓冲液等。3 3、通过补料调节、通过补料调节pHpH 在在发发酵酵过过程程中中根根据据糖糖氮氮消消耗耗需需要要进进行行补补料料。在在补补料与调料与调pH没有矛盾时采用补料调没有矛盾时采用补料调pH如（如（1）调节补糖速率，调节空气流量来调节）调节补糖速率，调节空气流量来调节pH(2)当当NH2-N低，低，pH低时补氨水；低时补氨水；当当NH2-N低，低，pH高时补高时补(NH4)2SO44 4、当补料与调、当补料与调pHpH发生矛盾时，加酸碱调发生矛盾时，加酸碱调pHpH 分别在分别在4 4种缓冲介质中，于种缓冲介质中，于pH 6pH 65050一一9 95050测定天冬酰胺酶酶测定天冬酰胺酶酶活力活力1 1 甘氨酸介质甘氨酸介质pH 8.00pH 8.00时酶活力时酶活力最高；最高；2 2 硼酸在硼酸在pH 8pH 85050，酶反应最，酶反应最快快3 3 磷酸磷酸在在pH 850，酶反应最，酶反应最快快4 Tris4 Tris在在pH 850，酶反应最快，酶反应最快酶活酶活1 12 24 43 35 5、不同调、不同调pHpH方法的影响方法的影响天冬酰胺酶天冬酰胺酶小小 结结发酵过程发酵过程pH会发生变化会发生变化变变化化原原因因基质代谢基质代谢产物形成产物形成菌体自溶菌体自溶对对发发酵酵的的影影响响pHpH影响酶的活性影响酶的活性pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改值影响微生物细胞膜所带电荷的改变变pH值影响培养基某些成分和中间代谢值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离物的解离pH影响代谢方向影响代谢方向 pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响在微生物培养的不同阶段有不同的影响 pHpH的的控控制制方方式式基础培养基调节基础培养基调节pH在基础料中加入维持在基础料中加入维持pH的物质的物质通过补料调节通过补料调节pH 当补料与调当补料与调pH发生矛盾时，加发生矛盾时，加酸碱调酸碱调pH 发酵的不同阶段采取不同的发酵的不同阶段采取不同的pH值值选择合适的选择合适的pH调节剂调节剂