发酵过程pH的调控方法浅析

发酵过程pH的调控方法浅析

微生物发酵是一个十分复杂的生物化学反应过程，由于生物体的生长、繁殖、代谢有许多不确定性，并受环境影响比较大，而微生物细胞内同时进行着成千上万种不同的生化反应，各有各的调控机制，相互促进相互制约，因此，其控制过程也比较难，只能依据宏观现象或借助一些检测手段来推测微观变化，而后施行进行人为干预，进而引导其朝着我们设定的方向发展。

现行的pH控制理论

为什么要控制pH值？

1. 影响菌体生长：

• 每种微生物都有其适合生长的pH值范围，原因有二：
• 不同的pH值条件下，培养基中各营养物质的稳定性不同；各营养物质之间发生化学反应不同；有机碳、氮源的水解或变性情况不同。进而影响菌体对营养物质的利用。
• 培养基中的H+或OH-直接影响胞外生物酶的活性，进而影响菌体生长。
• 对菌体细胞结构的影响。
• 对菌体细胞膜荷电影响：引起细胞膜的通透性发生改变，因而影响菌体对营养物质的吸收和代谢物排泄。

2. 影响菌体代谢：

• 培养基中的H+、OH-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（弱碱），它们进入细胞后，再进行解离，产生H+或OH-离子，改变胞内原先的中性状态，影响酶的结构和活性。进而影响菌体代谢。

3. 影响产物稳定性：

• 不同的物质有不同的稳定pH值范围。特别是胞外表达的产物，直接裸露于培养液中，给予合适的pH条件至关重要。

4. 影响发酵液的后处理：

• pH值直接影响发酵液中某些物质的电荷性质
• pH值会影响发酵液的粘度。

是什么原因使pH值产生变化？

1. 培养基基质：

• 成分种类、含量及配比，分两种情况：
• 其一，成分本身的酸碱特性；
• 其二，成分经过菌体代谢后呈现出酸碱性：凡是代谢后产生酸性的物质，称为生理酸性物质；经代谢后产生碱性的物质，称为生理碱性物质。
• 生理酸性物质，如硫酸铵：菌体吸收其中的NH4作为氮源，残留的SO4与培养液中的H+结合成硫酸而使pH值降低。
• 生理碱性物质，如硝酸钠：菌体吸收其中的NO3-量远大于对Na 的吸收量，为保持体内电性平衡，细胞向外界分泌HCO3-或OH-，使溶液的pH值上升。
• 培养基灭菌：培养基中基质成分在高温高压状态下发生变化引起pH改变。

2. 菌体生长不同阶段对pH影响不同：

• 菌体指数生长期：本阶段pH值迅速降低。原因如下：为满足菌体快速生长，大量营养物质被利用，打破原有体系的pH值体系平衡。如：碳源代谢：无论是单糖、双糖、寡糖还是多糖，均先经水解为单糖再被利用，利用后产生有机酸，使pH值降低。
• 菌体生长平台期：菌体生长、衰亡趋于平衡。pH值基本呈下降，但趋势趋缓。若此时pH快速回升，说明碳源被利用完，菌体被迫利用胞内有机酸所致。
• 菌体衰亡期：由于菌体衰亡、自溶，pH值迅速回升。
• 注：若在菌体平台期、衰亡期出现pH值迅速下降状况，原因可能如下：
• 传感器故障；
• 染菌；
• 补料时间过早，前期营养物质剩余；
• 补料速率不合理，造成二次生长。

3. 通气量及罐压

• 通气量不足：
• 引起pH降低：厌氧发酵，产生大量乳酸pH值降低；另外，通气量流量小，产生的CO2不能及时随尾气排出，CO2溶于水中，使pH值降低；
• 引起pH值升高：氧气供应不足使菌体衰亡自溶，引起pH值升高。
• 罐压太高：一般高于0.03Mpa
• 引起pH值降低：随着压力增高，CO2在水中溶解度增加，因此引起pH值降低。

发酵过程中pH值控制手段

1. 改变培养基中基质成分及比例：

• 每种微生物生长，以及目的产物的合成对营养物质的需求有一定的偏好性，因此可以利用来调控的空间不大。

2. 培养基中增加缓冲体系：

• 但需关注缓冲体系成分对菌体生长代谢的影响。

3. 培养过程中通过补加碳源来调节pH值

4. 培养过程中使用酸、碱进行调控：

• 常用酸如：盐酸、硫酸、醋酸、硝酸等；常用碱如：氢氧化钠、氨水等。
• 注意：
• 氨水可被作为氮源利用，因而打破营养物质的碳氮比平衡。
• 酸、碱调解过程，会造成培养液的局部过酸或过碱，从而引起局部菌体被灼伤、或代谢物被强酸、强碱破坏。
• 酸、碱调控，会改变培养液的离子强度。

总结

发酵过程中的pH值变化是发酵过程状态体现、是生物生长代谢的结果。pH值不是发酵过程中需要控制的参数，而是发酵过程控制的依据和方向标。