發酵工藝控製—— pH對發酵的影響及控製

     發酵過程中培養液的pH值是微生物在一定環境條件下代謝活動的綜合指標，是一項重要的發酵參數。它對菌體的生長和產品的積累有很大的影響。因此，必須掌握發酵過程中pH的變化規律，及時監測並加以控製，使它處於最佳的狀態。盡管多數微生物能在3～4個pH單位的pH範圍內生長，但是在發酵工藝中，為了達到高生長速率和最佳產物形成，必須使pH在很窄的範圍內保持恒定。

 

     微生物生長和生物合成都有其最適和能夠耐受的pH範圍，大多數細菌生長的最適pH範圍在6.3～7.5，黴菌和酵母生長的最適pH範圍在3～6，放線菌生長的最適pH範圍在7～8。有的微生物生長繁殖階段的最適pH範圍與產物形成階段的最適pH範圍是一致的，但也有許多是不一致的。表7-1列舉了幾種生長最適pH範圍與產物形成最適pH範圍不一致的例子。

   

    pH還會影響菌體的形態。例如，產黃青黴細胞壁的厚度隨pH的增加而減小；當pH低於6時，菌絲的長度縮短，直徑為2～3μm，當pH=7或>7時，直徑為2～18μm，酵母狀膨脹菌絲的數目增加。pH下降後，菌絲形態又恢複正常。pH還影響細胞膜的電荷狀態，引起膜的滲透性發生改變，進而影響菌體對營養物質的吸收和代謝產物的形成。對產物的穩定性同樣有影響。

 

      除此之外，pH對某些生物合成途徑有顯著影響。例如，丙酮丁醇發酵中，細菌增殖的pH範圍是5.5～7.0為好，發酵後期pH=4.3～5.3時積累丙酮丁醇，pH升高則丙酮丁醇產量減少，而丁酸、乙酸含量增加。又如，黑曲黴在pH=2～3時產生檸檬酸，pH近中性時，積累草酸和葡萄糖酸。穀氨酸發酵中，pH=7或微堿時形成穀氨酸，pH酸性時產生N—乙酰穀酰胺。從以上看出，為要更有效地控製生產過程，必須充分了解微生物生長和產物形成的最適pH範圍。

 

      發酵過程中，pH的變化是微生物在發酵過程中代謝活動的綜合反映，其變化的根源取決於培養基的成分和微生物的代謝特性。

     

      有研究表明，培養開始時發酵液pH的影響是不大的，因為微生物在代謝過程中，迅速改變培養基pH的能力十分驚人。例如，以花生餅粉為培養基進行土黴素發酵，最初將pH分別調到5.0、6.0和7.0，發酵24h後，這三種培養基的pH已經不相上下，都在6.5～7.0之間。但是當外界條件發生較大變化時，菌體就失去了調節能力，發酵液的pH將會不斷波動。

 

     引起這種波動的原因除了取決於微生物自身的代謝外，還與培養基的成分有極大的關係。一般來說，有機氮源和某些無機氮源的代謝起到提高pH的作用，例如氨基酸的氧化和硝酸鈉的還原，玉米漿中的乳酸被氧化等，這類物質被微生物利用後，可使pH上升，這些物質被稱為生理堿性物質，如有機氮源、硝酸鹽、有機酸等。而碳源的代謝則往往起到降低pH的作用，例如，糖類氧化不完全時產生的有機酸，脂肪不完全氧化產生的脂肪酸、銨鹽氧化後產生的硫酸等。這類物質稱為生理酸性物質。

 

      此外通氣條件的變化，菌體自溶或雜均汙染都可能引起發酵液pH的改變，所以確定最適pH以及采最適有效的控製措施，是使菌種發揮最大生產能力的保證。

 

三、最適pH的選擇和調控

     選擇最適pH的原則是既有利於菌體的生長繁殖，又可以最大限度地獲得高的產量。一般最適pH是根據實驗結果來確定的，通常將發酵培養基調節成不同的起始pH值，在發酵過程中定時測定、並不斷調節pH，以維持其起始pH值，或者利用緩衝劑來維持發酵液的pH。同時觀察菌體的生長情況，菌體生長達到最大值的pH即為菌體生長的最適pH。產物形成的最適pH也可以如此測得。

 

      微生物生長最適pH與產物形成最適pH相互關係的四種情況。第一種情況是菌體的比生長速率(μ)和產物的比生產速率(Qp)都有一個相似的並且較寬的最適pH範圍；第二種是Qp(或μ)的最適pH範圍很窄，而μ(或Qp)的範圍較寬；第三種是μ和Qp有相同的最適pH範圍，但範圍很窄，即對pH值的變化敏感；第四種，μ和Qp都有各自的最適pH範圍。屬於第一種情況的發酵過程比較易於控製，第二、三模式的發酵pH須要嚴格控製，最後一種情況應該分別嚴格控製各自的最適pH。

 

      在測定了發酵過程中不同階段的最適pH要求後，便可采用各種方法來控製。在工業生產中，調節pH的方法並不是僅僅采用酸堿中和，因為酸堿中和雖然可以中和培養基中當時存在的過量堿，但是卻不能阻止代謝過程中連續不斷發生的酸堿變化。即使連續不斷地進行測定和調節，也是徒勞無益的，因為這沒有根本改善代謝狀況。因為發酵過程中引起pH變化的根本原因是因微生物代謝營養物質的結果，所以調節控製pH的根本措施主要應該考慮培養基中生理酸性物質與生理堿性物質的配比，然後是通過中間補料進一步加以控製。

   

     補料也不是僅僅加入酸堿來控製，可用生理酸性和生理堿物質來控製，這些物質不僅可以調節pH，還可以補充氮源。當pH和氨基氮含量低時，加入氨水；當pH高，氨基氮含量低時，加入硫酸銨。

     補糖是根據pH的變化來決定補糖速率，恒速補糖則通過加人酸堿來控製pH。