H对发酵过程的影响与控制.ppt

PH对发酵的影响及其控制 发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标 是一项重要的发酵参数 它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响 因此 必须掌握发酵过程中pH的变化规律 及时监测并加以控制 使它处于最佳的状态 尽管多数微生物能在3 4个pH单位的pH范围内生长 但是在发酵工艺中 为了达到高生长速率和最佳产物形成 必须使pH在很窄的范围内保持恒定 发酵过程中pH是不断变化的 通过观察pH变化规律可以了解发酵的正常与否 一 发酵过程中pH变化的原因是什么 二 pH对发酵的影响表现在哪些方面 三 我们该如何设计实验确定发酵的最佳pH 四 发酵过程的pH控制可以采取哪些措施 一 发酵过程pH变化的原因 发酵过程中 pH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培养基的成分和微生物的代谢特性 有研究表明 培养开始时发酵液pH的影响是不大的 因为微生物在代谢过程中 迅速改变培养基pH的能力十分惊人 例如 以花生饼粉为培养基进行土霉素发酵 最初将pH分别调到5 0 6 0和7 0 发酵24h后 这三种培养基的pH已经不相上下 都在6 5 7 0之间 但是当外界条件发生较大变化时 引起这种波动的原因除了取决于微生物自身的代谢外 还与培养基的成分有极大的关系 一般来说 有机氮源和某些无机氮源的代谢起到提高pH的作用 例如氨基酸的氧化和硝酸钠的还原 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上升 这些物质被称为生理碱性物质 如有机氮源 硝酸盐 有机酸等 菌体就失去了调节能力 发酵液的pH将会不断波动 此外通气条件的变化 菌体自溶或杂均污染都可能引起发酵液pH的改变 所以确定最适pH以及采最适有效的控制措施 是使菌种发挥最大生产能力的保证 而碳源的代谢则往往起到降低pH的作用 例如 糖类氧化不完全时产生的有机酸 脂肪不完全氧化产生的脂肪酸 铵盐氧化后产生的硫酸等 这类物质称为生理酸性物质 PH变化的原因1 基质代谢 1 糖代谢特别是快速利用的糖 分解成小分子酸 醇 使pH下降 糖缺乏 pH上升 是补料的标志之一 2 氮代谢当氨基酸中的 NH2被利用后pH会下降 尿素被分解成NH3 pH上升 NH3利用后pH下降 当碳源不足时氮源当碳源利用pH上升 3 生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降 2 产物形成 某些产物本身呈酸性或碱性 使发酵液pH变化 如有机酸类产生使pH下降 红霉素 洁霉素 螺旋霉素等抗生素呈碱性 使pH上升 3 菌体自溶 pH上升 发酵后期 pH上升 二 pH对发酵的影响 林可霉素发酵开始 葡萄糖转化为有机酸类中间产物 发酵液pH下降 待有机酸被生产菌利用 pH上升 若不及时补糖 NH4 2SO4或酸 发酵液pH可迅速升到8 0以上 阻碍或抑制某些酶系 使林可霉素增长缓慢 甚至停止 对照罐发酵66小时pH达7 93 以后维持在8 0以上至115小时 菌丝浓度降低 NH2 N升高 发酵不再继续 发酵15小时左右 pH值可以从消后的6 5左右下降到5 3 调节这一段的pH值至7 0左右 以后自控pH 可提高发酵单位 实例pH对林可霉素发酵的影响 pH 7 0 t 不调pH 调pH 效价 pH pH对发酵的影响 1 pH影响酶的活性 当pH值抑制菌体某些酶的活性时使菌的新陈代谢受阻 2 pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变 从而改变细胞膜的透性 影响微生物对营养物质的吸收及代谢物的排泄 因此影响新陈代谢的进行 3 pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离 从而影响微生物对这些物质的利用 4 pH影响代谢方向pH不同 往往引起菌体代谢过程不同 使代谢产物的质量和比例发生改变 例如黑曲霉在pH2 3时发酵产生柠檬酸 在pH近中性时 则产生草酸 谷氨酸发酵 在中性和微碱性条件下积累谷氨酸 在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N 乙酰谷氨酰胺 3 pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响 生长 合成 pH对菌体生长影响比产物合成影响小青霉素 菌体生长最适pH3 5 6 0 产物合成最适pH7 2 7 4四环素 菌体生长最适pH6 0 6 8 产物合成最适pH5 8 6 0 X pH 三 最佳pH的确定 一般最适pH是根据实验结果来确定的 通常将发酵培养基调节成不同的起始pH值 在发酵过程中定时测定 并不断调节pH 以维持其起始pH值 或者利用缓冲剂来维持发酵液的pH 同时观察菌体的生长情况 菌体生长达到最大值的pH即为菌体生长的最适pH 产物形成的最适pH也可以如此测得 在测定了发酵过程中不同阶段的最适pH要求后 便可采用各种方法来控制 配制不同初始pH的培养基 摇瓶考察发酵情况 pH对产海藻酸裂解酶的影响 pH对海藻酸水解酶产生的影响 pH 菌浓pH 酶活 四 pH的控制 在工业生产中 调节pH的方法并不是仅仅采用酸碱中和 因为酸碱中和虽然可以中和培养基中当时存在的过量碱 但是却不能阻止代谢过程中连续不断发生的酸碱变化 即使连续不断地进行测定和调节 也是徒劳无益的 因为这没有根本改善代谢状况 因为发酵过程中引起pH变化的根本原因是因微生物代谢营养物质的结果 所以调节控制pH的根本措施主要应该考虑培养基中生理酸性物质与生理碱性物质的配比 然后是通过中间补料进一步加以控制 补料也不是仅仅加入酸碱来控制 可用生理酸性和生理碱物质来控制 这些物质不仅可以调节pH 还可以补充氮源 当pH和氨基氮含量低时 加入氨水 当pH高 氨基氮含量低时 加入硫酸铵 补糖是根据pH的变化来决定补糖速率 恒速补糖则通过加人酸碱来控制pH pH的控制方法 1 调节好基础料的pH 基础料中若含有玉米浆 pH呈酸性 必须调节pH 若要控制消后pH在6 0 消前pH往往要调到6 5 6 8 2 在基础料中加入维持pH的物质 如CaCO3 或具有缓冲能力的试剂 如磷酸缓冲液等 3 通过补料调节pH 在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料 在补料与调pH没有矛盾时采用补料调pH如 1 调节补糖速率 调节空气流量来调节pH 2 当NH2 N低 pH低时补氨水 当NH2 N低 pH高时补 NH4 2SO4 4 当补料与调pH发生矛盾时 加酸碱调pH 分别在4种缓冲介质中 于pH6 50一9 50测定天冬酰胺酶酶活力 1甘氨酸介质pH8 00时酶活力最高 2硼酸在pH8 50 酶反应最快3磷酸在pH8 50 酶反应最快4Tris在pH8 50 酶反应最快酶活1 2 4 3 5 不同调pH方法的影响 天冬酰胺酶 小结 发酵过程pH会发生变化 变化原因 基质代谢 产物形成 菌体自溶 对发酵的影响 pH pH影响酶的活性pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离pH影响代谢方向 pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响 pH的控制方式 基础培养基调节pH 在基础料中加入维持pH的物质 通过补料调节pH 当补料与调pH发生矛盾时 加酸碱调pH 发酵的不同阶段采取不同的pH值 选择合适的pH调节剂