一、pH值對發(fā)酵的影響

　　發(fā)酵培養(yǎng)基的pH值,，對微生物生長具有非常明顯的影響,，也是影響發(fā)酵過程中各種酶活的重要因素。pH值對微生物的生長繁殖和產物合成的影響有以下幾個方面：①影響酶的活性,，當pH值抑制菌體中某些酶的活性時,，會阻礙菌體的新陳代謝；②影響微生物細胞膜所帶電荷的狀態(tài),，改變細胞膜的通透性,，影響微生物對營養(yǎng)物質的吸收和代謝產物的排泄；③影響培養(yǎng)基中某些組分的解離,，進而微生物對這些成分的吸收,；④pH值不同，往往引起菌體代謝過程的不同,，使代謝產物的質量和比例發(fā)生改變,。
　　培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質的代謝，是引起pH值變化的主要原因,，發(fā)酵液pH值的變化乃是菌體代謝的綜合效果,。由于pH值不當，可能嚴重影響菌體的生長和產物的合成,，因此對微生物發(fā)酵來說有各自的最適生長pH值和最適生產pH值,。各種不同的微生物，對pH值的要求不同,。多數微生物生長都有最適pH值范圍及其變化的上下限：上限都在8.5左右,，超過此上限，微生物將無法忍受而自溶,；下限以酵母為最低(2.5),。但菌體內的pH值一般認為是中性附近。pH值對產物的合成有明顯的影響,，因為菌體生長和產物合成都是酶反應的結果,，僅僅是酶的種類不同而已，因此代謝產物的合成也有自己最適的pH值范圍,，如合成青霉素的最適pH值范圍為6.5～6.8,。這兩種pH值的范圍對發(fā)酵控制來說都是很重要的參數,。另外，pH值還會影響某些霉菌的形態(tài),。
　　一般認為,，細胞內的H＋或OH－能影響酶蛋白的解離度和電荷情況，改變酶的結構和功能,，引起酶活性的改變,。但培養(yǎng)基的H＋或OH－并不是直接作用在胞內酶蛋白上，而是首先作用在胞外的弱酸(或弱堿)上,，使之成為易于透過細胞膜的分子狀態(tài)的弱酸(或弱堿),，它們進入細胞后，再行解離,，產生H＋或OH－,，改變胞內原先存在的中性狀態(tài)，進而影響酶的結構和活性,。所以培養(yǎng)基中H＋或OH－是通過間接作用來產生影響的,。pH值還影響菌體對基質的利用速率和細胞的結構，影響菌體的生長和產物的合成,。Collnig等人發(fā)現(xiàn)產黃曲霉的細胞壁的厚度就隨pH值的增加而減?。浩渚z直徑在pH6.0時為2～3μm；pH7.4時為2～18μm,，并呈膨脹酵母狀,；pH值下降后菌絲形態(tài)又會恢復正常。pH值還影響菌體細胞膜的電荷狀況,，引起膜透性發(fā)生改變,，因而影響菌體對營養(yǎng)物質的吸收和代謝產物的形成等。
　　如同溫度對發(fā)酵影響一樣,，pH值對產物穩(wěn)定性也有影響,。如在β-內酰胺抗生素沙納霉素(thienamycin)的發(fā)酵中，考察pH值對產物生物合成的影響時,，發(fā)現(xiàn)pH6.7～7.5之間,，抗生素的產量相近，高于或低于這個范圍,，合成就受到抑制,。在這個pH值范圍內，沙納霉素的穩(wěn)定性未受到嚴重影響,，半衰期也無大的變化；但pH>7.5時,，穩(wěn)定性下降,，半衰期縮短,，發(fā)酵單位也下降。青霉素在堿性條件下發(fā)酵單位低,，也與青霉素的穩(wěn)定性有關,。
　　由于pH值的高低對菌體生長和產物的合成產生明顯的影響，所以在工業(yè)發(fā)酵中,，維持最適pH值已成為生產成敗的關鍵因素之一,。

二、發(fā)酵過程pH值的變化
　　在發(fā)酵過程中,，pH值的變化決定于所用的菌種,、培養(yǎng)基的成分和培養(yǎng)條件。在產生菌的代謝過程中,，菌體本身具有一定的調整周圍環(huán)境pH值,，構建最適pH值的能力。曾以產生利福霉素SV的地中海諾卡菌進行發(fā)酵研究,，采用pH值為6.0,、6.8、7.5三個出發(fā)值,，結果發(fā)現(xiàn)pH值在6.8,、7.5時，最終發(fā)酵pH值都達到7.5左右,，菌絲生長和發(fā)酵單位都達到正常水平,；但pH值為6.0時，發(fā)酵中期pH值只達4.5,，菌濃僅為20％,，發(fā)酵單位為零。這說明菌體僅有一定的自調能力,。
　　培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質的代謝,，也是引起pH值變化的重要原因，發(fā)酵所用的碳源種類不同,，pH值變化也不一樣,。如灰黃霉素發(fā)酵的pH值變化，就與所用碳源種類有密切關系,，如以乳糖為碳源,，乳糖被緩慢利用，丙酮酸堆積很少,，pH值維持在6～7之間,；如以葡萄糖為碳源，丙酮酸迅速積累,，使pH值下降到3.6,，發(fā)酵單位很低,。
發(fā)酵液的pH值變化是菌體代謝反應的綜合結果。從代謝曲線的pH值變化就可以推測發(fā)酵罐中的各種生化反應的進展和pH值變化異常的可能原因,。在發(fā)酵過程中,，要選擇好發(fā)酵培養(yǎng)基的成分及其配比，并控制好發(fā)酵工藝條件,，才能保證pH值不會產生明顯的波動,，維持在最佳的范圍內，得到良好的結果,。實踐證明,，維持穩(wěn)定的pH值，對產物的形成有利,。

三,、發(fā)酵pH值的確定和控制
　　⒈發(fā)酵pH值的確定
　　微生物發(fā)酵的最適pH值范圍一般是在5～8之間,，如谷氨酸發(fā)酵的最適pH值為7.5～8.0,。但發(fā)酵的pH值又隨菌種和產品不同而不同。由于發(fā)酵是多酶復合反應系統(tǒng),，各酶的最適pH值也不相同,，因此，同一菌種,，生長最適pH值可能與產物合成的最適pH值是不一樣的,。例如，黑曲霉pH2～3時合成檸檬酸,，在pH值接近中性時積累草酸,。谷氨酸生產菌在中性和微堿性條件下積累谷氨酸，在酸性條件下形成谷氨酰胺,。谷氨酸發(fā)酵在不同階段對pH值的要求不同,，發(fā)酵前期控制pH7.5左右，發(fā)酵中期pH7.2左右,，發(fā)酵后期pH7.0,，在將近放罐時，為了后工序提取谷氨酸,，pH6.5～6.8為好,。如初級代謝產物丙酮丁醇的梭狀芽孢桿菌發(fā)酵，pH值在中性時,，菌種生長良好,，但產物產量很低，實際發(fā)酵最適pH值為5～6。次級代謝產物抗生素的發(fā)酵更是如此,，鏈霉素產生菌生長的最適pH值為6.2～7.0,，而合成鏈霉素的最適pH值為6.8～7.3,。因此,，應該按發(fā)酵過程的不同階段分別控制不同的pH值范圍，使產物的產量達到最大,。
　　最適pH值是根據實驗結果來確定的,。將發(fā)酵培養(yǎng)基調節(jié)成不同的出發(fā)pH值進行發(fā)酵，在發(fā)酵過程中,，定時測定和調節(jié)pH值以維持出發(fā)pH值,，或者利用緩沖液配制培養(yǎng)基來維持之。定時觀察菌體的生長情況,，以菌體生長達到最高值的pH值為菌體生長的最適pH值,。以同樣的方法，可測得產物合成的最適pH值,。但同一產物的最適pH值,，還與所用的菌種、培養(yǎng)基組成和培養(yǎng)條件有關,。如合成青霉素的最適pH值,，先后報告有7.2～7.5、7.0左右和6.5～6.6等不同數值,，產生這樣的差異,，可能是所用的菌株、培養(yǎng)基組成和發(fā)酵工藝不同引起的,。在確定發(fā)酵最適pH值時,，要不定期考慮培養(yǎng)溫度的影響，若溫度提高或降低,，最適pH值也可能發(fā)生變動,。

⒉pH值的控制
　　在各種類型的發(fā)酵過程中，實驗所得的最適pH值,、菌體的比生長速率(μ)和產物比生成速率(Qp)等3個參數的相互關系有四種情況(見圖7-3)：①第一種情況是μ和Qp的最適pH值都在一個相似的較寬的適宜范圍內(a),，這種發(fā)酵過程易于控制；②第二種情況是Qp(或μ)的最適pH值范圍很窄,，而μ(或Qp)的范圍較寬(b),；③第三種情況是μ和Qp對pH值都很敏感，它們的最適pH值又是相同的(c),，第二,、第三種情況的發(fā)酵pH值應嚴格控制；④第四種情況更復雜，μ和Qp有各自的最適pH值(d),，應分別嚴格控制各自的最適pH值,，才能優(yōu)化發(fā)酵過程。

　　在了解發(fā)酵過程中最適pH值的要求之后,，就要采用各種方法來控制,。首先需要考慮和試驗發(fā)酵培養(yǎng)基的基礎配方，使它們有個適當的配比,，使發(fā)酵過程中的pH值變化在合適的范圍內,。因為培養(yǎng)基中含有代謝產酸[如葡萄糖產生酮酸、(NH4)2SO4]和產堿(如NaNO3,、尿素)的物質以及緩沖劑(如CaCO3)等成分,，它們在發(fā)酵過程中要影響pH值的變化，特別是CaCO3能與酮酸等反應,，而起到緩沖作用,，所以它的用量比較重要。在分批發(fā)酵中,，常采用這種方法來控制pH值的變化,。
　　利用上述方法調節(jié)pH值的能力是有限的，如果達不到要求,，可以用在發(fā)酵過程中直接補加酸或堿和補料的方式來控制,，特別是補料的方法，效果比較明顯,。過去是直接加入酸(如H2SO4)或堿(NaOH)來控制,，但現(xiàn)在常用的是以生理酸性物質[(NH4)2SO4]和堿性物質(如氨水、尿素)來控制,。它們不僅可以調節(jié)pH值,，還可以補充氮源。當發(fā)酵的pH值和氨氮含量都低時,，補加氨水,，就可達到調節(jié)pH值和補充氨氮的目的；反之,，pH值較高,，氨氮含量又低時，就補加(NH4)2SO4,。在加多了消泡劑(如豆油)的個別情況下,，還可采用提高空氣流量來加速脂肪酸的代謝，以調節(jié)pH值,。通氨一般是使壓縮氨氣或工業(yè)用氨水(濃度20％左右),，采用少量間歇添加或連續(xù)自動流加,，可避免一次加入過多造成局部偏堿。氨極易和銅反應產生毒性物質,，對發(fā)酵產生影響,，故需避免使用銅制的通氨設備。
　　目前,，已比較成功地采用補料的方法來調節(jié)pH值,，如氨基酸發(fā)酵采用流加尿素[(NH2)2CO]的方法，特別是次級代謝產物抗生素發(fā)酵,，更常用此法,。這種方法，既可以達到穩(wěn)定pH值的目的,，又可以不斷補充營養(yǎng)物質，特別是能產生阻遏作用的物質,。少量多次補加還可解除對產物合成的阻遏作用,，提高產物產量。也就是說,，采用補料的方法,，可以同時實現(xiàn)補充營養(yǎng)、延長發(fā)酵周期,、調節(jié)pH值和培養(yǎng)液的特性(如菌濃等)等幾個目的,。最成功的例子就是青霉素的補料工藝，利用控制葡萄糖的補加速率來控制pH值的變化范圍(現(xiàn)已實現(xiàn)自動化),，其青霉素產量比用恒定的加糖速率和加酸或堿來控制pH值的產量高25％,。