PH是工业生产普遍需要测控的参数，在生物培养过程中,pH值是直接影响新陈代谢的重要因素之一,因此pH电极已经是生物反应器必备的传感器，由此可见，pH的重要性已经成为发酵工程师的共识。但是对生物培养过程pH变化的解释却远比控制复杂的多，表现在不同工程师对同一pH变化的解释却各不相同，而很多解释得不到直接的证据支持。 对发酵参数的解释是发酵工艺员最重要的一项能力，本文一方面解释了pH变化的原因及其应用，另一方面通过案例展示了对pH解释，可为正确工艺执行奠定基础，并带来了发酵单位提高30%以上的收获。

一、发酵过程pH为什么变化？

原因分析

1、 pH变化可能与发酵过程微生物胞内物质向胞外释放有关：pH升高，可能是碱性物质释放到胞外，而pH降低，则是酸性物质被释放，如有机酸。

2、 pH变化可能与微生物对物质的吸收和代谢有关：pH升高是由于微生物对培养液中的酸性物质的吸收有关，如有机酸，而pH降低，则被认为是微生物利用胞外碱性物质，如氨。

3、与微生物的呼吸有关系：发酵过程，微生物会释放很多二氧化碳，而二氧化碳溶解到发酵液中，会导致pH降低；当溶解到发酵液中的二氧化碳因为罐压的降低溶解度降低，这时会导致发酵液的pH升高，不过罐压的影响非常微弱。

4、与华体会体育最新地址 的缓冲能力有关：当华体会体育最新地址 中有大量的缓冲物质时，pH变化就不显著。

pH变化解释的支持

虽然，前述列举了多个对pH变化的解释，但是还没有包括所有的可能性，所以遇到具体的发酵场景，如果没有其他参数的辅助，单纯的上述解释很难获得其他工艺员的认可。所以，对pH的变化的解释必需参考其他参数，如CER、RQ等参数，以便获得更接近真实的解释，而解释越接近真实，则根据这一种解释所获得的方案就越能直接解决问题。参数相关性分析，一方面是发酵技术的难点，最考验发酵工程师的能力，另一方面也最能体现发酵工程师的价值，接近真实的解释，可以带来直接的产量提高。

发酵过程常见的pH控制形式

1、 在基础华体会体育最新地址 中包含缓冲物质：如碳酸钙等，另外氨基酸，蛋白质也是很好的缓冲剂，这些缓冲物质可以使发酵过程维持在一定的pH范围内。

2、单向调节：在发酵过程仅当pH偏低时用NaOH调节pH ，偏高时则顺其自然。

3、全程调节：在接种之前将华体会体育最新地址 调节到合适的pH，接种后通过补酸和碱的自控系统将pH全程稳定控制到设定值。

4、补加生理酸性或碱性物质：一方面简化工艺，比如硫酸铵，氨水，硫酸，既可以调节pH；另一方面补加必要的元素，如硫或氮。

5、通过补加碳源对pH进行控制，比如红霉素发酵前期通过补糖对pH进行调控。

二、pH变化在发酵调控工艺中的应用

根据pH变化的应用

1、 移种时机的选择：依据pH变化的拐点结合培养时间和PMV等参数确定移种时机。

2、发酵生长阶段的判断：正常发酵的pH变化拐点时间比较固定，所以可以根据pH变化的拐点判断发酵状态是提前还是拖后，并采取必要的工艺措施。

3、 发酵放罐时机的判断：微生物有自溶现象时，pH会升高，这是因为自溶的微生物会释放碱性物质如：胺类物质。

4、 判断微生物的代谢途径，指导补料：不同发酵阶段代谢不同物质，比如利用有机酸或氨基酸，所以可以根据pH变化反向推测菌体对这些物质的代谢情况，从而指导补料。

5、 判断微生物活力：在发酵过程中通过临时停补糖，之后通过pH变化的情况，判断微生物活力的大小。

6、 染菌判断辅助：发酵中，用pH变化的异常作用染菌的辅助判断。

三、通过pH解释实现工艺突破的案例

下图对pH变化的解释堪称经典，该文对红霉素发酵过程前期调控策略进行了研究，从宏观代谢流的变化入手，着重分析了红霉素发酵前期CER与pH的变化，并根据分析结果确定了合适的调控方式，使发酵平均水平提高了30%以上。具体分析过程如下（图2）

初始，对pH下降的解释

见上图，在0～9 h，华体会体育最新地址 中的淀粉不断水解为葡萄糖，葡萄糖作为碳源和能源被菌体利用而产生酸性物质(如丙酮酸和TCA中的各种中间代谢物)，因而随着CER的增大，pH也渐渐下降。

随后，对pH上升的解释

10 小时以后，随着菌体量的进一步增加，CER也增大，菌体利用酸性物质的速率加大，华体会体育最新地址 中酸性物质的浓度渐渐降低，pH开始反弹。当pH反弹到一定程度时，淀粉的水解速度已与菌体对葡萄糖的需求有相当大的差距，如前所述，为满足菌体生长的需要，菌体胁迫利用其他可利用的碳源，如利用黄豆饼粉中的Glu和Ala的氨基部分可用作氮源，而脱氨基后形成的酮酸部分(碳骨架)可被菌体利用作为碳源，与此同时会释放一定的NH4根(可见图中的NH2-N测定曲线)，导致发酵液中的pH上升。

之后，对pH曲线拉平的解释

之后，发酵液中可被菌体利用的黄豆饼粉的量也是有限的，所以当pH上升到一定幅度，发酵进行到12～13 h时，pH曲线又慢慢拉平，与此同时CER增长的趋势下降。所以红霉素发酵CER与pH的相关性反映了基础华体会体育最新地址 中的淀粉水解速率与菌体对葡萄糖的利用速率之间及菌体利用不同的碳源导致的动态平衡，也有可能是菌体进入次级代谢的一个表征。

四分析的应用

前述参数分析可知，红霉素发酵过程前期有一个过程需利用黄豆饼粉作为碳源，此时主要是由于华体会体育最新地址 中的淀粉水解速率供不应求，导致菌体生长容易利用的碳源不足，而被迫利用黄豆饼粉，实践证明，此过程是红霉素高产稳产所必须的。利用黄豆饼粉中的碳骨架作为碳源而生成的菌体，质量较好，有利于发酵后期合成红霉素，所以当这一阶段减少了葡萄糖的加量后，迫使生产菌利用黄豆饼粉中的营养物质，并为红霉素的生产提供必要的酶和前体的准备，这一微小的变化，却使最终的发酵单位提高了30%。这一案例同时还提示我们，工艺调节要向前移，因为越向前，工艺的效果就越明显。

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