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发酵过程pH控制课件,1,第九章发酵过程控制,H的中间控制,引起pH变化的因素,H对发酵的影响,H的选择与控制,发酵过程pH控制课件,2,(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值影响培养基某些营养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,1、pH值影响微生物生长繁殖和代谢的原因,发酵过程pH控制课件,3,4)pH不同,往往引起菌体代谢过程的不同,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接近中性时,则产生草酸。 又如:丙酮丁醇发酵中,发酵后期pH为4.3-5.3时积累丙酮丁醇,pH升高则丙酮丁醇产量减少,而丁酸、乙酸含量增加。,发酵过程pH控制课件,4,2、pH对发酵的影响,1)影响微生物的生长繁殖。 石油吃蜡酵母(解脂假丝酵母和热带假丝酵母)在 pH 3.5-5.0 范围内生长良好且不易染菌;高于5时,形态变小,发酵液变黑,发酵过程中容易被细菌污染;pH低于3时,生长受到严重的抑制,细胞极不齐整,且出现细胞自溶的情况。,发酵过程pH控制课件,5,2)影响微生物的形态。 产黄青霉细胞壁的厚度会随pH的增加而减小。 pH低于6时,菌丝长度变短,直径为2-3m, pH 大于7时,菌丝直径为2-8 m ,膨胀菌丝增多, pH下降后,菌丝又恢复到正常状态。,发酵过程pH控制课件,6,3)pH影响代谢产物的形成的数量和方向 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。 如黑曲霉:在pH 2-3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,发酵过程pH控制课件,7,4)影响产物的稳定性 如噻纳霉素的发酵中, pH值在6.7-7.5之间时,抗生素的产量相近,产品稳定性未受影响,半衰期也无变化, 但当pH大于7.5时,抗生素半衰期缩短,稳定性下降,发酵产量也减少。,发酵过程pH控制课件,8,5)pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响,生长,合成,H对菌体生长影响比产物合成影响小,X,pH,四环素,放线菌金色链丛菌,发酵过程pH控制课件,9,1.在微生物细胞的生长阶段: 初期:接种后到孢子萌发,因碳氮源代谢水平比较低, pH一般可维持不变,或者由于添加了CaCO3而略有上升。 快速生长期:pH值变化较大,因菌种及培养基不同而上升或下降 2.在生产阶段,一般发酵液的pH值趋于稳定,维持在适合产物形成的pH范围。 3.在微生物细胞自溶阶段,养分的耗尽,菌体蛋白酶的活跃,培养液中氨基氮增加,致使pH又上升。,3.1发酵过程中pH值的变化一般规律,3、发酵过程pH变化及其原因,发酵过程pH控制课件,10,1、基质代谢,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 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。 生理酸碱性物质 被微生物利用后会导致环境pH下降(上升)的物质称为生理酸性(碱性)物质。,3.2 引起发酵过程pH变化的原因,发酵过程pH控制课件,11,2、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。可做为终止发酵的指示。 4、其它 :,发酵过程pH控制课件,12,例 pH对林可霉素发酵的影响,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。,4、pH对发酵的影响,发酵过程pH控制课件,13,1)各种微生物适应的pH范围: 细菌6.5-7.5; 霉菌4.0-5.8; 酶母菌3.8-6.0; 放线菌6.5-8.0.,)微生物生长阶段和产物合成阶段的最适pH值往往不一样。这与菌种的特性有关,也取决于产物的化学性质。,2、微生物细胞生长和代谢产物形成的最适pH值。,发酵过程pH控制课件,14,1、选择,原则:既有利于微生物的生长,又可以最大限度地获得高产。 最适pH值是根据实验结果来确定的。,4、发酵过程中最适pH值的选择与控制,发酵过程pH控制课件,15,在各种类型的发酵过程中,实验所得的最适pH值、菌体的比生长速率()和产物比生成速率(Qp)等3个参数的相互关系有四种情况(见图): 和Qp的最适pH值都在一个相似的较宽的适宜范围内(a),这种发酵过程易于控制; Qp (或)的最适pH值范围窄,而(或Qp)的范围较宽(b); 和Qp对pH值都很敏感,它们的最适pH值又是相同的(c),第二、第三种情况的发酵pH值应严格控制; 和Qp有各自的最适pH值(d),应分别严格控制各自的最适pH值,才能优化发酵过程。,发酵过程pH控制课件,16,在发酵过程中,发酵液的pH随着微生物活动而不断变化,为提供菌体适宜的生长或产物积累的pH值,需要对发酵生产过程各阶段的pH值实施控监控,实际生产中,从以下几个方面进行: (一)调整培养基组分:适当调整C/N比,使盐类与碳源配比平衡,一般情况:C/N高时(真菌培养基),pH降低;C/N低时(一般细菌),经过发酵后,pH上升,2、pH的控制,发酵过程pH控制课件,17,在生产上,主要的过程控制方法有: 添加CaCO3:当用NH4+盐作为氮源时,可在培养基中加入CaCO3,用于中和NH4+被吸收后剩余的酸. 氨水流加法:氨水可以中和发酵中产生的酸,且NH4+可作为氮源,供给菌体营养.通氨一般是使压缩氨气或工业用氨水(浓度20左右),采用少量间歇添加或连续自动流加,可避免一次加入过多造成局部偏碱。氨极易和铜反应产生毒性物质,对发酵产生影响,故需避免使用铜制的通氨设备。,发酵过程pH控制课件,18,尿素流加法:味精厂多用,尿素首先被菌体尿酶分解成氨,氨进入发酵液,使pH上升,当NH4+被菌体作为氮源消耗并形成有机酸时,发酵液pH下降,这时随着尿素的补加,氨进入发酵液,又使发酵液pH上升及补充氮源,如此循环,致至发酵液中碳源耗尽,完成发酵。 氨基酸发酵常用此法。这种方法既可以达到稳定pH值的目的,又可以不断补充营养物质,特别是能产生阻遏作用的物质。少量多次补加还可解除对产物合成的阻遏作用,提高产物产量。也就是说,采用补料的方法,可以同时实现补充营养、延长发酵周期、调节pH值和培养液的特性(如菌浓等)等几个目的。,发酵过程pH控制课件,19,H的控制方法 常用方法,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 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 通过补料调节pH,发酵过程pH控制课件,20,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 当补料与调pH发生矛盾时,加酸碱调pH,发酵过程pH控制课件,21,应急措施: 改变搅拌转速或通气量,以改变溶解氧浓度,控制有机酸的积累量及其代谢速度; 改变温度,以控制微生物代谢速度; 改变罐压及通气量,降低CO2的溶解量; 改变加油或加糖量等,调节有机酸的积累量;,发酵过程pH控制课件,22,思考题,1 pH对发酵的影响? 2 引起发酵过程pH变化的原因?,
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