淺析發(fā)酵過程中PH的影響與控制

摘要：PH是微生物代謝的綜合反映，影響微生物代謝的進(jìn)行，是發(fā)酵過程中十分重要的參數(shù)。發(fā)酵培養(yǎng)基的PH值對(duì)微生物菌體的生長(zhǎng)及產(chǎn)物的合成有著重要的影響，也是影響發(fā)酵過程中各種酶活性的重要因素，是一項(xiàng)重點(diǎn)檢測(cè)的發(fā)酵參數(shù)。因此，必須掌握發(fā)酵過程中PH的變化規(guī)律，定時(shí)觀察菌體的生長(zhǎng)情況，以便及時(shí)進(jìn)行監(jiān)控。通過觀測(cè)PH的變化規(guī)律，為菌體生長(zhǎng)提供最適的PH值，使其一直處于生產(chǎn)的最佳狀態(tài)水平。

關(guān)鍵詞：影響 原因 控制

1. PH對(duì)發(fā)酵的影響

1.1 影響菌體生長(zhǎng)

1.1.1 對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分的影響

培養(yǎng)基中由于有機(jī)物分解，分解糖類、脂肪等。產(chǎn)酸性物質(zhì)使培養(yǎng)液PH值下降；分解蛋白質(zhì)、尿素等堿性物質(zhì)使培養(yǎng)液PH值上升；不同PH值條件下，培養(yǎng)基中各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的穩(wěn)定性不同；各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)不同；進(jìn)而影響菌體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用。

1.1.2 對(duì)菌體生物酶活性影響

培養(yǎng)基中的H+或OH-直接影響細(xì)胞外生物酶的活性，PH值可以改變酶活、酶促反應(yīng)及代謝途徑，進(jìn)而影響菌體生長(zhǎng)。

1.1.3 對(duì)菌體細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響

微生物細(xì)胞內(nèi)的PH值相當(dāng)穩(wěn)定，一般都接近中性。這種維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定中性PH值的特性，能夠保持細(xì)胞內(nèi)各種生物活性分子的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和細(xì)胞內(nèi)酶所需要的最適PH值。微生物細(xì)胞內(nèi)酶的最適PH值一般為中性，胞外酶最適PH值接近環(huán)境PH值。PH影響代謝方向，pH值不同，往往引起菌種代謝過程不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變，進(jìn)而影響菌體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝物排泄。

1.2 影響菌體代謝：

培養(yǎng)基中H+、OH-的首先作用在外的弱酸、弱堿上，使之成為易于透過細(xì)胞膜的分子狀態(tài)的弱酸、弱堿。它們進(jìn)入細(xì)胞后，在進(jìn)行解離，產(chǎn)生H+ 或OH-離子，改變細(xì)胞內(nèi)原先的中性狀態(tài)，影響酶的結(jié)構(gòu)和活性，進(jìn)而影響菌體代謝。

1.3影響產(chǎn)物的穩(wěn)定性：

不同物質(zhì)有不同的穩(wěn)定PH值范圍，特別是胞外表達(dá)的產(chǎn)物，直接表露于培養(yǎng)液中，給予適當(dāng)?shù)腜H條件特別重要。

1.4 影響發(fā)酵液的后處理：

pH值直接影響發(fā)酵液中某些物質(zhì)的電荷性質(zhì)；PH值會(huì)影響發(fā)酵液的粘度；pH值直接影響提煉工序的預(yù)處理的進(jìn)行。

2 發(fā)酵過程ph變化的原因

在發(fā)酵過程中，影響發(fā)酵液PH值變化的主要因素有：菌種遺傳特性、培養(yǎng)基的成分和培養(yǎng)條件。在適合于微生物生長(zhǎng)及產(chǎn)物合成的環(huán)境下，微生物本身具有一定的調(diào)節(jié)PH值的能力，會(huì)使PH值處于比較適宜的狀態(tài)。但外界條件發(fā)生較大變化時(shí)，菌體將失去調(diào)節(jié)能力，使PH值不斷波動(dòng)。菌體生長(zhǎng)不同階段對(duì)PH影響不同：第一階段 菌體指數(shù)生長(zhǎng)期：此階段PH值迅速降低。原因是：為滿足菌體快速生長(zhǎng)，大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被利用，打破原有體系的ph值體系平衡。例如C源代謝：無論單糖、雙糖還是多糖必須先水解為單糖才被菌體利用。使用后產(chǎn)生有機(jī)酸，使PH值下降。第二階段 菌體生長(zhǎng)平臺(tái)期：菌體生長(zhǎng)、衰亡趨于平衡，PH值基本呈下降趨勢(shì)，但較為緩慢。如果此時(shí)PH快速回升，說明C源被利用完，菌體被迫利用胞內(nèi)有機(jī)酸所致。第三階段 菌體衰亡期：由于菌體衰亡、自溶，PH值迅速回升。

引起發(fā)酵液PH上升的主要原因有：培養(yǎng)基中的碳氮比不當(dāng)，氮源過多，氨基氮釋放；有生理堿性物質(zhì)生成，如紅霉素、潔霉素、螺旋霉素等抗生素；中間補(bǔ)料堿性物質(zhì)添加過多（NaNO3+4H2---NH3+2H2O+NaOH）.

引起發(fā)酵液PH下降的主要原因有：培養(yǎng)基中的碳氮比不當(dāng)，碳源過多，特別是葡萄糖過量；消泡油加入量大；有生理酸性物質(zhì)存在，如微生物通過代謝活動(dòng)分泌有機(jī)酸（如乳酸、乙酸、檸檬酸等），使PH下降；通氣條件變化，氧化不完全，使有機(jī)酸、脂肪酸等物質(zhì)積累；一些生理酸性鹽如（NH4）2SO4，其中NH+4被菌體利用后，殘留的2價(jià)SO4負(fù)離子與培養(yǎng)液中的H+結(jié)合成H2SO4，就會(huì)引起發(fā)酵液PH值下降（（NH4）2SO2---2NH3+H2SO4）。

凡是導(dǎo)致酸性物質(zhì)生成或釋放，堿性物質(zhì)的消耗都會(huì)引起發(fā)酵液的PH下降；反之，凡是造成堿性物質(zhì)的生成或釋放，酸性物質(zhì)的消耗將使發(fā)酵液的PH上升。經(jīng)微生物生理作用（代謝）后產(chǎn)生酸性物質(zhì)無機(jī)氮源，稱為生理酸性物質(zhì)。若菌體代謝后產(chǎn)生堿性物質(zhì)的此種無機(jī)氮源稱為生理堿性物質(zhì)。正確使用生理酸性、堿性物質(zhì)，對(duì)穩(wěn)定和調(diào)節(jié)發(fā)酵過程PH值有積極作用。

3 發(fā)酵過程中PH的控制

首先需要考慮發(fā)酵培養(yǎng)基的基礎(chǔ)配方使它們有個(gè)適當(dāng)?shù)呐浔仁拱l(fā)酵過程中的PH值變化在合適的范圍內(nèi)。

3.1調(diào)節(jié)好基礎(chǔ)料的PH

基礎(chǔ)料中若含有玉米漿PH呈酸性，必須調(diào)節(jié)PH。若要控制消后PH在6.0消前PH往往要調(diào)到6.5-6.8。

3.2在基礎(chǔ)料中加入維持PH的物質(zhì)

在基礎(chǔ)料中加入維持PH的物質(zhì)，如CaCO3；或具有緩沖能力的物質(zhì)，如磷酸緩沖液等，避免C、N源比例失衡。不同種類微生物，不同的代謝產(chǎn)物，所需要C、N比不同。如代謝產(chǎn)酸物質(zhì)：葡萄糖、產(chǎn)酮酸、（NH4）2so4；產(chǎn)堿物質(zhì)：NaNO3、尿素。

3.3 通過補(bǔ)料調(diào)節(jié)PH

在發(fā)酵過程中根據(jù)糖、氮消耗需要進(jìn)行補(bǔ)料。在補(bǔ)料與調(diào)PH沒有矛盾時(shí)采用補(bǔ)料調(diào)。PH根據(jù)補(bǔ)料配方及補(bǔ)料速率分三個(gè)階段：第一階段 指數(shù)生長(zhǎng)期 ：C、N比宜高，切以速效C、N源為主。以PH值比變化速率降低為補(bǔ)料點(diǎn)，可以有效的控制PH值變化，且不會(huì)造成營(yíng)養(yǎng)過剩或者營(yíng)養(yǎng)缺乏。補(bǔ)料速率控制比在生長(zhǎng)速率30%左右，即可控制PH平緩下降。生長(zhǎng)速率太低，生物量積累太少，不利于產(chǎn)物代謝。生長(zhǎng)速率過高，菌體迅速衰亡期，PH值變化幅度過大，生產(chǎn)周期短，不利于產(chǎn)物的積累；第二階段 平臺(tái)期 ：這個(gè)階段初級(jí)產(chǎn)物開始積累。C、N比縮小，增加遲效C、N源。以PH值比變化速率降低為補(bǔ)料點(diǎn)。控制生物量基本保持不變，即可控制PH平穩(wěn)；第三階段 衰亡期：這個(gè)階段次級(jí)產(chǎn)物大量積累。此階段補(bǔ)料可維持pH值平穩(wěn)。C、N源濃度僅維持菌體代謝即可，若過高則造成菌體二次生長(zhǎng)，使PH值下降。當(dāng)補(bǔ)料與調(diào)PH發(fā)生矛盾時(shí)，加酸、堿調(diào)PH。加酸堿調(diào)PH須注意，緩慢加入，否則易灼傷菌體。

4 總結(jié)

發(fā)酵過程中的PH值變化是發(fā)酵過程狀態(tài)的體現(xiàn)，是生物生長(zhǎng)代謝的結(jié)果。PH控制是一項(xiàng)非常細(xì)致的工作，不僅考慮最佳PH值，而且要根據(jù)生長(zhǎng)階段，考察對(duì)PH的要求。總之PH值不僅是發(fā)酵過程中必須控制的參數(shù)，也是發(fā)酵過程控制的依據(jù)和方向標(biāo)。

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[3]張舟.微生物學(xué)雜志.1998

作者簡(jiǎn)介：黃莉（1976.09.19.）女，漢族，籍貫：河南省駐馬店市，助理工程師，研究方向抗生素發(fā)酵過程中的控制。