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發酵工藝控制―― pH對發酵的影響及控制

2016-07-12 09:16:13車邦

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aaaa,是一項重要的發酵參數aaaaa。它對菌體的生長和產品的積累有很大的影響aaaa。因此aaaaa,必須掌握髮酵過程中pH的變化規律aaa,及時監測並加以控制aaaaa,使它處於最佳的狀態aaa。儘管多數微生物能在3~4個pH單位的pH範圍內生長aaa,但是在發酵工藝中aaa,爲了達到高生長速率和最佳產物形成aaaa,必須使pH在很窄的範圍內保持恆定aaaaa。
一、PH對發酵的影響
微生物生長和生物合成都有其最適和能夠耐受的pH範圍aaaa,大多數細菌生長的最適pH範圍在6.3~7.5aaa,黴菌和酵母生長的最適pH範圍在3~6aaaaa,放線菌生長的最適pH範圍在7~8aaa。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aaaaa,但也有許多是不一致的aaa。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aaa。
pH還會影響菌體的形態aaaa。例如aaa,產黃青黴細胞壁的厚度隨pH的增加而減小aaaa;當pH低於6時aaa,菌絲的長度縮短aaa,直徑爲2~3μmaaaa,當pH=7或>7時aaa,直徑爲2~18μmaaaaa,酵母狀膨脹菌絲的數目增加aaaa。pH下降後aaa,菌絲形態又恢復正常aaaa。pH還影響細胞膜的電荷狀態aaa,引起膜的滲透性發生改變aaaaa,進而影響菌體對營養物質的吸收和代謝產物的形成aaaa。對產物的穩定性同樣有影響aaa。
除此之外aaaaa,pH對某些生物合成途徑有顯著影響aaaa。例如aaaa,丙酮丁醇發酵中aaa,細菌增殖的pH範圍是5.5~7.0爲好aaaaa,發酵後期pH=4.3~5.3時積累丙酮丁醇aaaa,pH升高則丙酮丁醇產量減少aaa,而丁酸、乙酸含量增加aaaaa。又如aaaaa,黑麴黴在pH=2~3時產生檸檬酸aaaaa,pH近中性時aaaaa,積累草酸和葡萄糖酸aaaaa。穀氨酸發酵中aaaaa,pH=7或微鹼時形成穀氨酸aaaaa,pH酸性時產生N―乙酰谷酰胺aaaa。從以上看出aaaaa,爲要更有效地控制生產過程aaa,必須充分了解微生物生長和產物形成的最適pH範圍aaa。
二、影響發酵pH的因素
發酵過程中aaaa,pH的變化是微生物在發酵過程中代謝活動的綜合反映aaa,其變化的根源取決於培養基的成分和微生物的代謝特性aaa。
有研究表明aaa,培養開始時發酵液pH的影響是不大的aaaa,因爲微生物在代謝過程中aaa,迅速改變培養基pH的能力十分驚人aaaa。例如aaa,以花生餅粉爲培養基進行土黴素發酵aaaaa,最初將pH分別調到5.0、6.0和7.0aaa,發酵24h後aaaa,這三種培養基的pH已經不相上下aaaa,都在6.5~7.0之間aaaa。但是當外界條件發生較大變化時aaaaa,菌體就失去了調節能力aaaaa,發酵液的pH將會不斷波動aaa。
引起這種波動的原因除了取決於微生物自身的代謝外aaa,還與培養基的成分有極大的關係aaaa。一般來說aaaa,有機氮源和某些無機氮源的代謝起到提高pH的作用aaa,例如氨基酸的氧化和硝酸鈉的還原aaaaa,玉米漿中的乳酸被氧化等aaaa,這類物質被微生物利用後aaaa,可使pH上升aaa,這些物質被稱爲生理鹼性物質aaaaa,如有機氮源、硝酸鹽、有機酸等aaaaa。而碳源的代謝則往往起到降低pH的作用aaa,例如aaaaa,糖類氧化不完全時產生的有機酸aaaa,脂肪不完全氧化產生的脂肪酸、銨鹽氧化後產生的硫酸等aaaa。這類物質稱爲生理酸性物質aaaa。
此外通氣條件的變化aaa,菌體自溶或雜均污染都可能引起發酵液pH的改變aaaa,所以確定最適pH以及採最適有效的控制措施aaa,是使菌種發揮最大生產能力的保證aaaa。
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aaa,又可以最大限度地獲得高的產量aaaa。一般最適pH是根據實驗結果來確定的aaaa,通常將發酵培養基調節成不同的起始pH值aaa,在發酵過程中定時測定、並不斷調節pHaaaaa,以維持其起始pH值aaaaa,或者利用緩衝劑來維持發酵液的pHaaaaa。同時觀察菌體的生長情況aaaaa,菌體生長達到最大值的pH即爲菌體生長的最適pHaaa。產物形成的最適pH也可以如此測得aaaa。
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aaa。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aaa;第二種是Qp(或μ)的最適pH範圍很窄aaa,而μ(或Qp)的範圍較寬aaa;第三種是μ和Qp有相同的最適pH範圍aaaaa,但範圍很窄aaaaa,即對pH值的變化敏感aaaa;第四種aaaaa,μ和Qp都有各自的最適pH範圍aaaa。屬於第一種情況的發酵過程比較易於控制aaaa,第二、三模式的發酵pH須要嚴格控制aaa,最後一種情況應該分別嚴格控制各自的最適pHaaaaa。
在測定了發酵過程中不同階段的最適pH要求後aaaaa,便可採用各種方法來控制aaaa。在工業生產中aaa,調節pH的方法並不是僅僅採用酸鹼中和aaaa,因爲酸鹼中和雖然可以中和培養基中當時存在的過量鹼aaa,但是卻不能阻止代謝過程中連續不斷髮生的酸鹼變化aaaa。即使連續不斷地進行測定和調節aaa,也是徒勞無益的aaa,因爲這沒有根本改善代謝狀況aaaaa。因爲發酵過程中引起pH變化的根本原因是因微生物代謝營養物質的結果aaaa,所以調節控制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鹼性物質的配比aaaa,然後是通過中間補料進一步加以控制aaa。
補料也不是僅僅加入酸鹼來控制aaa,可用生理酸性和生理鹼物質來控制aaaa,這些物質不僅可以調節pHaaaaa,還可以補充氮源aaaa。當pH和氨基氮含量低時aaaaa,加入氨水aaa;當pH高aaa,氨基氮含量低時aaaa,加入硫酸銨aaa。
補糖是根據pH的變化來決定補糖速率aaaaa,恆速補糖則通過加人酸鹼來控制pHaaa。

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