发酵工艺控制—— pH对发酵的影响及控制

     发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵参数。它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。因此，必须掌握发酵过程中pH的变化规律，及时监测并加以控制，使它处于最佳的状态。尽管多数微生物能在3～4个pH单位的pH范围内生长，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pH在很窄的范围内保持恒定。

 

     微生物生长和生物合成都有其最适和能够耐受的pH范围，大多数细菌生长的最适pH范围在6.3～7.5，霉菌和酵母生长的最适pH范围在3～6，放线菌生长的最适pH范围在7～8。有的微生物生长繁殖阶段的最适pH范围与产物形成阶段的最适pH范围是一致的，但也有许多是不一致的。表7-1列举了几种生长最适pH范围与产物形成最适pH范围不一致的例子。

   

    pH还会影响菌体的形态。例如，产黄青霉细胞壁的厚度随pH的增加而减小；当pH低于6时，菌丝的长度缩短，直径为2～3μm，当pH=7或>7时，直径为2～18μm，酵母状膨胀菌丝的数目增加。pH下降后，菌丝形态又恢复正常。pH还影响细胞膜的电荷状态，引起膜的渗透性发生改变，进而影响菌体对营养物质的吸收和代谢产物的形成。对产物的稳定性同样有影响。

 

      除此之外，pH对某些生物合成途径有显著影响。例如，丙酮丁醇发酵中，细菌增殖的pH范围是5.5～7.0为好，发酵后期pH=4.3～5.3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。又如，黑曲霉在pH=2～3时产生柠檬酸，pH近中性时，积累草酸和葡萄糖酸。谷氨酸发酵中，pH=7或微碱时形成谷氨酸，pH酸性时产生N—乙酰谷酰胺。从以上看出，为要更有效地控制生产过程，必须充分了解微生物生长和产物形成的最适pH范围。

 

      发酵过程中，pH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pH的影响是不大的，因为微生物在代谢过程中，迅速改变培养基pH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pH分别调到5.0、6.0和7.0，发酵24h后，这三种培养基的pH已经不相上下，都在6.5～7.0之间。但是当外界条件发生较大变化时，菌体就失去了调节能力，发酵液的pH将会不断波动。

 

     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pH的作用，例如氨基酸的氧化和硝酸钠的还原，玉米浆中的乳酸被氧化等，这类物质被微生物利用后，可使pH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。而碳源的代谢则往往起到降低pH的作用，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、铵盐氧化后产生的硫酸等。这类物质称为生理酸性物质。

 

      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pH的改变，所以确定最适pH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。

 

三、最适pH的选择和调控

     选择最适pH的原则是既有利于菌体的生长繁殖，又可以最大限度地获得高的产量。一般最适pH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pH值，在发酵过程中定时测定、并不断调节pH，以维持其起始pH值，或者利用缓冲剂来维持发酵液的pH。同时观察菌体的生长情况，菌体生长达到最大值的pH即为菌体生长的最适pH。产物形成的最适pH也可以如此测得。

 

      微生物生长最适pH与产物形成最适pH相互关系的四种情况。第一种情况是菌体的比生长速率(μ)和产物的比生产速率(Qp)都有一个相似的并且较宽的最适pH范围；第二种是Qp(或μ)的最适pH范围很窄，而μ(或Qp)的范围较宽；第三种是μ和Qp有相同的最适pH范围，但范围很窄，即对pH值的变化敏感；第四种，μ和Qp都有各自的最适pH范围。属于第一种情况的发酵过程比较易于控制，第二、三模式的发酵pH须要严格控制，最后一种情况应该分别严格控制各自的最适pH。

 

      在测定了发酵过程中不同阶段的最适pH要求后，便可采用各种方法来控制。在工业生产中，调节pH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pH变化的根本原因是因微生物代谢营养物质的结果，所以调节控制pH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pH和氨基氮含量低时，加入氨水；当pH高，氨基氮含量低时，加入硫酸铵。

     补糖是根据pH的变化来决定补糖速率，恒速补糖则通过加人酸碱来控制pH。