pH的影响及其控制

topmit · 发表于 2006-11-9 23:39:26

pH的影响及其控制
1 pH的影响
pH对微生物生长的影响很明显，pH不当，将严重影响菌体生长和产物合成。
不同生物的最适生长pH和最适生产pH不同。大多数抗生素生产的微生物生长的pH为3－6，最大生长速率的pH变化范围为0.5－1.0。

pH对生长代谢和产物生成的影响在于：
（1）改变了细胞膜的透性，影响了物质的吸收和产物的分泌；

（2）改变了H有一定的忍耐性，超出一定范围，则死亡。酵母的下限为2.5，其他生物上限为8.5。
生长范围与忍耐限度：放线菌和细菌分别为6.5－7.5和5－8.5；酵母为4－5和3.5－7.5；霉菌为5－7和3－8.5。

生长与生产阶段不同，链霉素和红霉素为中性偏碱，6.8－7.3；金霉素和四环素，5.9－6.3；青霉素6.5－6.8。细胞形态结构，影响了酶的电荷性和结构，进而影响酶的活性，影响了产物的稳定性。pH对菌体和产物合成影响很大，维持最适pH已成为生产成败的关键因素之一。

2 pH的变化
发酵液的pH变化是菌体产酸和产碱的代谢反应的综合结果，它与菌种、培养基和发酵条件有关。菌种本身对pH有一定的自我调节能力，培养基成分利用后，往往产生有机酸，如丙酮酸、乳酸、乙酸等积累，使pH下降。

培养过程中菌体对碳源、氮源物质的利用也是造成培养体系pH变化的重要原因。
当培养基中不添加糖类物质时，细菌会以水解酪蛋白，即氨基酸或者短肽为碳源，该过程包括氨基酸的脱氨过程和脂肪酸的吸收利用过程。

由于脂肪酸的利用速度大于氨的吸收速度，而脂肪酸的吸收伴随质子的吸收，氨的吸收伴随质子的释放，所以以水解酪蛋白为碳源的发酵过程必然伴随着培养基的碱化。
若培养基添加糖类物质，糖和水解酪蛋白成为竞争性碳源，菌体优先利用糖类，从而抑制水解酪蛋白的碳源作用。

糖类的吸收利用不引起pH的升高，甚至在缺氧条件下的无氧呼吸还可以引起pH的下降，因此糖类物质的存在抑制了吸收利用水解酪蛋白时引起的培养液pH升高，甚至出现酸化现象。
在碳源竞争吸收过程中，糖类物质越容易被菌体吸收，对培养液碱化的抑制作用就越强。补加糖的培养基，在发酵结束时pH都比不添加糖的培养液低，甚至出现酸化现象。

3 pH的控制
要根据试验结构来确定菌体生长最适pH和产物生产最适pH，分不同阶段分别控制pH，已达到最佳生产。
（1）培养基配方考虑。含有产酸物质如葡萄糖和硫酸铵、产碱物质如尿素和硝酸铵均衡使用及缓冲剂如碳酸钙和磷酸盐缓冲液等，碳氮比平衡。碳酸钙与酮酸反应起到了缓冲作用，因此碳酸钙的用量很重要，在分批培养中，常用碳酸钙控制pH变化。然而这种调节能力非常有限，有时达不到要求。

（2）酸碱调节。以前常用加酸如硫酸和碱氢氧化钠来控制，虽然效果好，但对菌体的伤害很大，因此现在常用生理酸性物质如硫酸铵和生理碱性物质氨水来控制，不仅调节了pH，还补充了氮源。当pH和氮含量低时，补充氨水；pH较高和氮含量低时，补充硫酸铵。一般用压缩氨气或工业氨水（浓度20％左右）进行通氨，采用少量间歇或少量自动流加，避免一次加入过量造成局部偏碱。

（3）补料流加控制。目前采用补料方法调节pH是成功的，一种是直接补加酸碱物质，如在氨基酸和抗生素发酵中，补加尿素。另一种方法是通过控制代谢途径的策略实现pH控制，在青霉素的发酵中，通过控制加糖率来控制pH在的补料工艺中成功应用，提高产量25％。优越于衡速度加糖，酸碱控制pH。

（4）提高通气量。加速脂肪酸代谢也可以补偿pH变化。