发酵工艺：pH值对高密度发酵的影响及控制

发酵液中营养物质的代谢吸收是引起pH值变化的重要原因，发酵液的pH值对菌体的生长繁殖和产物积累的影响极大，因此是一项重点检测的发酵参数。任何微生物进入生产之前，都必须进行生长和产物形成最适pH值的研究和实验，以便于掌握发酵过程中pH值变化的规律，及时对其进行检测，并加以合理的控制。pH值可用耐灭菌的玻璃电极和银-汞参比电极以及pH测量仪表的检测系统检测，可连续指示罐内酸碱变化。

一、pH值对发酵的影响

pH值对微生物繁殖和产物形成的影响主要有以下几个方面：

(1)影响酶的活性，当环境pH值抑制菌体内某些酶的活性时，就会阻碍菌体的新陈代谢；微生物的生长和生物合成都有其最适合能够耐受的pH值范围，但菌体生长阶段和产物合成阶段的pH值不一定一致。

(2)影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞的通透性，影响微生物对营养物质的吸收和代谢产物的分泌；对发酵产物的稳定性也有影响。例如，在噻孢霉素的发酵中， pH值在6.7~7.5之间时，抗生素的产量相近，稳定性未受到影响，半衰期也没有太大的变化。但pH值超出这个范围，即或高或低，合成就受到抑制；当pH值大于7.5时，抗生素的稳定性下降，半衰期缩短，产量也下降。

(3)影响菌体的形态，例如，产黄青霉细胞壁的厚度随着pH值的升高而减小。

(4) pH值不同，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，丙酮丁醇发酵中，细菌增殖的pH值以5.5~7.0为好，发酵后期pH值为4.3~5.3时积累丙酮丁醇， pH值升高则丙酮丁醇产量减少，而丁酸、乙酸含量增加。从以上可以看出，为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值范围。

二、发酵过程pH值的变化

在发酵过程中，随着菌种对华体会体育最新地址 种碳、氮源的利用，随着有机酸和氨基酸的积累，会使pH值产生一定的变化。
1、生长阶段：菌体产生蛋白酶水解华体会体育最新地址 中的蛋白质，生成铵离子，使pH上升至碱；随着菌体量增多，铵离子的消耗也增多，另外糖利用过程中有机酸的积累使pH值下降。
2、生产阶段：这个阶段pH值趋于稳定。
3、自溶阶段：随着养分的耗尽，菌体蛋白酶的活跃，培养液中氨基氮增加，致使pH又上升，此时菌体趋于自溶而代谢活动终止。
由此可见，在适合于菌生长及合成产物的环境条件下，菌体本身具有一定的调节pH的能力，但是当外界条件变化过于剧烈，菌体就失去了调节能力，培养液的pH就会波动。

三、影响发酵pH值的因素

发酵过程中， pH值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华体会体育最新地址 的成分和微生物的代谢反应。比如，在青霉素合成中，发酵中以乳糖作为碳源，乳糖被缓慢利用，丙酮酸积累较少， pH值维持在6~7之间，利于青霉素的积累；如以葡萄糖为碳源，葡萄糖被利用的速度很快，丙酮酸迅速积累，使pH值下降到3.6，从而抑制青霉素的合成。

一般来说，有机氮源和某些无机氮源的代谢起到升高pH值的作用，例如氨基酸的氧化、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值升高，这些物质即被称为生理碱性物质。碳源的代谢往往起到降低pH值的作用，例如糖类不完全氧化时产生的有机酸、脂肪不完全氧化时产生的脂肪酸、铵盐氧化后产生的硫酸等，这些物质即被称为生理酸性物质。此外通气条件的变化、菌体自溶或杂菌污染都可能引起发酵液的pH值变化。总之，发酵液的pH值变化是菌体代谢反应的综合结果。据此我们也可以从发酵过程中pH值的变化情况推测发酵罐中各种生化反应的进展和pH值变化异常的可能原因。在发酵过程中，要选择好发酵华体会体育最新地址 的成分及配比，并控制好发酵工艺条件，才能保证pH值不会产生明显的波动。总结如下：

pH值的变化决定于所用的菌种、华体会体育最新地址 的成分和培养条件。

1、pH下降：
（1）华体会体育最新地址 中碳、氮比例不当。碳源过多，特别是葡萄糖过量，或者中间补糖过多加上溶氧不足，致使有机酸大量积累而pH下降；
（2）消泡剂加得过多；
（3）酸性物质的存在，铵被利用，pH下降。
2、pH上升：
（1）发酵罐华体会体育最新地址 中碳、氮比例不当。氮源过多，氨基氮释放，使pH上升；
（2）碱性物质存在；
（3）中间补料氨水活尿素等碱性物质加入过多。

（4）菌体自溶、杂菌污染

四、最适pH值的选择和控制

选择最适pH值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值是根据实验结果来确定的，通常将发酵华体会体育最新地址 调成不同的起始pH值，在发酵过程中定时检测，并不断调节pH值，以维持其最适起始pH值，或者利用缓冲剂来维持发酵液的pH值。同时观察菌体的生长情况。菌体生长达到最大值的pH值即为菌体生长的最适pH值。产物形成的最适pH值也可以如此检测。

在测定了发酵过程中不同阶段的最适pH值之后，便可以采用各种方法来控制。在工业生产中，调节pH值的方法不仅仅是采用酸碱中和，因为酸碱中和虽然可以迅速中和华体会体育最新地址 中当时存在的过量酸碱， 但是却不能阻止代谢过程中连续不断的酸碱变化，酸碱中和不能根本改善代谢状况。因为发酵过程中引起pH值变化的根本原因是微生物代谢营养物质的结果，因此最根本的措施是考虑华体会体育最新地址 中生理酸性物质与生理碱性物质的配比，然后通过中间补料进一步加以控制。在补料过程中，常使用生理酸性物质[如(NH₄)₂S0₄]和生理碱性物质(如氨水) ，这些物质不仅可以调节pH值，还可以补充氮源。当pH值和氨氮含量均低时，补加氨水；若pH值较高，而氨氮含量较低时，应补加(NH₄)₂S0₄在青霉素发酵中，采用自动化补料工艺，通过控制葡萄糖的补加速率来控制发酵的pH值；在氨基酸发酵中，采用流加尿素的方法来调节pH值。流加发酵既可以达到稳定pH值的目的，又可以不断地补充营养物质，还可以解除由于底物的阻遏作用而对发酵产生的抑制，从而提高产量。补料发酵可以同时实现补充营养、延长发酵周期、调节pH值和调节培养液的特性等几个目的。

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