发酵pH参数的控制 [复制链接]

文

乔宏兴

pH值对微生物的繁殖和产物合成的主要影响如下。

①影响酶的活性，影响菌体的新陈代谢。一般认为，培养基的H+或OH-并不直接作用于胞内酶蛋白，而是首先作用在胞外的弱酸(或弱碱)上，使之成为易于透过细胞膜的分子状态的弱酸(或弱碱)，这样的弱酸(或弱碱)进入细胞后再解离出H+或OH-，改变胞内原有的中性状态，影响酶蛋白的解离和所带电荷，进而影响酶的结构和活性。

②影响微生物细胞膜所带电荷的状态，从而影响细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸收和代谢产物的排泄。

③影响培养基中某些组分的解离，进而影响微生物对这些成分的吸收。

④影响菌体的代谢过程，菌体在不同pH条件下的代谢过程不同，致使代谢产物的质量和比例不同。以基因工程菌毕赤酵母生产重组人血清白蛋白为例，当pH5.0以下时，蛋白酶活性迅速上升，不利于产白蛋白；在pH5.6以上，蛋白酶活性很低，可避免白蛋白损失。pH值对产物稳定性也有影响。在β-内酰胺抗生素沙纳霉素的发酵中，在pH6.7~7.5之间，沙纳霉素的产量相近，稳定性未受到严重影响，半衰期也无大的变化；超出该范围，沙纳霉素的合成就受到抑制，pH7.5时，稳定性下降，半衰期缩短，发酵单位也下降。在碱性条件下青霉素发酵单位低，也与青霉素的稳定性有关。

发酵过程pH值的变化

在发酵过程中，发酵液的pH值是动态变化的，而pH值的变化与所用菌种、培养基成分以及培养条件有关。

微生物在代谢过程中具有一定的调节周围pH值的能力，可构建最适pH值的环境。生产利福霉素SV的地中海诺卡菌分别以初始pH6.0、6.8和7.5进行发酵的结果表明，在初始pH值为6.8和pH7.5时，最终发酵pH值都达到7.5左右，菌丝生长和发酵单位都达到正常水平；而在初始pH值为6.0时，发酵中期pH值只达pH4.5，菌浓仅为20％，发酵单位为零。这说明菌体的自调能力是有限的。

培养基中营养物质的代谢是pH值变化的重要原因。如灰*霉素发酵的pH值变化与所用碳源种类密切相关，如以乳糖为碳源，乳糖被缓慢利用，丙酮酸堆积很少，pH值维持在6.0～7.0之间；如以葡萄糖为碳源，丙酮酸迅速积累，使pH值下降到3.6，发酵单位很低。

营养物质的消耗和代谢产物的合成都会引起发酵环境pH的变化，因此，发酵液的pH值变化是微生物代谢活动的综合反映，有一定的规律性。从代谢曲线的pH值变化可以推测发酵的进程和判断发酵是否正常。必须掌握发酵过程中pH的变化规律，以便适时监控，维持在生产的最佳状态。

发酵过程pH值的确定

最适发酵pH的选择依据是获得合适的菌体量和最大比生产速率，以获得最高产量。发酵的pH值随菌种和产品不同而不同。同一菌种的最适生长pH值与产物合成最适pH值可能不同。黑曲霉在pH2～3时合成柠檬酸，在pH值接近中性时积累草酸。谷氨酸生产菌在中性和微碱性条件下积累谷氨酸，在酸性条件下形成谷氨酰胺。谷氨酸发酵在不同阶段对pH值的要求不同，发酵前期控制pH7.5左右，发酵中期控制pH7.2左右，发酵后期控制pH7.0，在将近放罐时，控制pH6.5～6.8，以利于后续提取谷氨酸。因此，应该按发酵过程的不同阶段分别控制pH值，使产物的产量达到最大。

一般根据实验结果来确定最适pH值。以不同初始pH值的发酵培养基进行发酵，定时测定发酵过程中的pH值，并维持不同的pH值，同时观测菌体生长量，以菌体生长达到最高值的pH值为菌体生长的合适pH值，同法测得产物合成的合适pH值。但同一产品的合适pH值还与所用的菌种、培养基组成和培养条件有关。在确定合适发酵pH值时，还要定期测定培养温度的影响，若温度提高或降低，合适pH值也可能发生变动。

发酵过程pH值的控制

要控制发酵过程的pH值，首先要选择好发酵培养基的成分并确定其适宜的配比，使发酵过程中的pH值在合适的范围内。因为培养基中含有代谢产酸的基质(如葡萄糖、硫酸铵等)和代谢产碱的基质（如硝酸钠、尿素等）以及缓冲剂（如磷酸盐、CaCO3）等成分，它们在发酵过程中影响pH值的变化，特别是CaCO3能与酮酸等反应而起到缓冲作用，所以它的用量很重要。

在分批发酵中，常采用如下三种方法来控制pH值的变化。方法一是在培养基中加入缓冲物质（如CaCO3）；方法二是在发酵过程中直接补加酸或碱；方法三是采用补料方式。上述三种方法中，方法一调节pH值的能力有限，如果此法达不到要求时，可采用方法二或方法三。方法三调pH的效果明显优于方法二。

早期发酵生产一般用H2SO4或NaOH来调控，近年来常用(NH+)2SO4这种生理酸性物质或NaNO3这种生理碱性物质来控制，它们不仅可以调节pH值，还可以补充氮源。当发酵的pH值和氮含量均较低时，补加氨水可达到调节pH值和补充氮源的目的；而在pH值较高和氮含量较低时，补加(NH+)2SO4。

目前，采用补料方法调节pH值比较成熟的工艺，如氨基酸发酵采用流加尿素法、抗生素发酵采用流加糖法。在青霉素发酵生产过程中，控制葡萄糖的补加速率比恒速率加糖和加酸或碱来控制pH值的青霉素产量高25%。对能产生阻遏作用的物质，少量多次流加还可解除对产物合成的阻遏作用，提高产物产量。采用补料的方法，可以同时实现补充营养、调节pH值、延长发酵周期以及控制菌体浓度和产物浓度等目的。

一般通氨是指少量间歇添加或连续自动流加液氨或工业用氨水(浓度20％左右)，可避免一次加入过多造成局部偏碱。氨极易和铜反应产生*性物质，从而影响发酵，故需避免使用铜制的通氨设备。在天然油脂类消泡剂加量过多的情况下，可采用提高空气流量来加速脂肪酸的代谢，以调节pH值。