《发酵过程pH控制》PPT课件.ppt

第九章发酵过程控制第九章发酵过程控制pH的中间控制的中间控制引起引起pH变化的因素变化的因素pH对发酵的影响对发酵的影响pH的选择与控制的选择与控制1 1（1 1）pHpH影影响响酶酶的的活活性性。当当pHpH值值抑抑制制菌菌体体某某些酶的活性时使菌的新陈代谢受阻些酶的活性时使菌的新陈代谢受阻（2 2）pHpH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而改变从而改变细胞膜的透性细胞膜的透性，影响微生物对营养物，影响微生物对营养物质的吸收及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢质的吸收及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行的进行 （3 3）pHpH值影响培养基某些值影响培养基某些营养成分和中间代谢营养成分和中间代谢物的解离物的解离，从而影响微生物对这些物质的利用，从而影响微生物对这些物质的利用 1 1 1 1、pHpHpHpH值影响微生物生长繁殖和代谢的原因值影响微生物生长繁殖和代谢的原因值影响微生物生长繁殖和代谢的原因值影响微生物生长繁殖和代谢的原因2 24 4）pHpH不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使不同，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。代谢产物的质量和比例发生改变。例如：黑曲霉在例如：黑曲霉在pH2-3pH2-3时，发酵产生柠檬酸，时，发酵产生柠檬酸，在在pHpH接近中性时，则产生草酸。接近中性时，则产生草酸。又如：丙酮丁醇发酵中，发酵后期又如：丙酮丁醇发酵中，发酵后期pHpH为时积为时积累丙酮丁醇，累丙酮丁醇，pHpH升高则丙酮丁醇产量减少，而丁升高则丙酮丁醇产量减少，而丁酸、乙酸含量增加。酸、乙酸含量增加。3 32 2、pHpH对发酵的影响对发酵的影响 1 1）影响微生物的）影响微生物的生长繁殖生长繁殖。石油吃蜡酵母（解脂假丝酵母和热带假丝酵母）石油吃蜡酵母（解脂假丝酵母和热带假丝酵母）在在 pH 3.5-5.0 范围内生长良好且不易染菌；高于范围内生长良好且不易染菌；高于5时，时，形态变小，发酵液变黑，发酵过程中容易被细菌污染；形态变小，发酵液变黑，发酵过程中容易被细菌污染；pHpH低于低于3 3时，生长受到严重的抑制，细胞极不齐整，且时，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。出现细胞自溶的情况。4 42）影响微生物的）影响微生物的形态形态。产黄青霉产黄青霉细胞壁的厚度会随细胞壁的厚度会随pH的增加而减小。的增加而减小。pH低于低于6时，菌丝长度变短，直径为时，菌丝长度变短，直径为2-3m，pH 大于大于7时，菌丝直径为时，菌丝直径为2-8 m，膨胀菌丝增，膨胀菌丝增多，多，pH下降后，菌丝又恢复到正常状态。下降后，菌丝又恢复到正常状态。5 53 3）pHpH影响代谢产物的形成的影响代谢产物的形成的数量数量和和方向方向 pHpH不不同同，往往往往引引起起菌菌体体代代谢谢过过程程不不同同，使使代代谢谢产产物的质量和比例发生改变。物的质量和比例发生改变。如黑曲霉如黑曲霉:在在pH 2-3时发酵产生柠檬酸，时发酵产生柠檬酸，在在pH近中性时，则产生草酸。近中性时，则产生草酸。谷氨酸发酵谷氨酸发酵:在中性和微碱性条件下积累谷氨酸，在中性和微碱性条件下积累谷氨酸，在在酸酸性性条条件件下下则则容容易易形形成成谷谷氨氨酰酰胺胺和和N-N-乙酰谷氨酰胺乙酰谷氨酰胺6 64 4）影响产物的）影响产物的稳定性稳定性 如噻纳霉素的发酵中，如噻纳霉素的发酵中，pH pH值在之间时，抗生素的产量相近，产品稳定性值在之间时，抗生素的产量相近，产品稳定性未受影响，半衰期也无变化，未受影响，半衰期也无变化，但当但当pHpH大于时，抗生素半衰期缩短，稳定性下降大于时，抗生素半衰期缩短，稳定性下降，发酵产量也减少，发酵产量也减少。7 75 5）pHpH在微生物培养的不同阶段有不同的影响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对菌体生长影响比产物合成影响小XpH四四环环素素放线菌金色链丛菌放线菌金色链丛菌8 81.1.在微生物细胞的生长阶段在微生物细胞的生长阶段:初期初期:接种后到孢子萌发接种后到孢子萌发,因碳氮源代谢水平比较低因碳氮源代谢水平比较低,pH,pH一般可维持不变一般可维持不变,或者由于添加了或者由于添加了CaCOCaCO3 3而略有上升。而略有上升。快速生长期：快速生长期：pHpH值变化较大，因菌种及培养基不同值变化较大，因菌种及培养基不同而上升或下降而上升或下降2.2.在生产阶段，一般发酵液的在生产阶段，一般发酵液的pHpH值趋于稳定，维持在适值趋于稳定，维持在适合产物形成的合产物形成的pHpH范围。范围。3.3.在微生物细胞自溶阶段在微生物细胞自溶阶段,养分的耗尽，菌体蛋白酶的养分的耗尽，菌体蛋白酶的活跃，培养液中氨基氮增加，致使活跃，培养液中氨基氮增加，致使pHpH又上升又上升。发酵过程中发酵过程中发酵过程中发酵过程中pHpHpHpH值的变化一般规律值的变化一般规律值的变化一般规律值的变化一般规律3 3、发酵过程、发酵过程pHpH变化及其原因变化及其原因 9 91 1、基质代谢、基质代谢 糖代谢糖代谢 特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使使pHpH下降。糖缺乏，下降。糖缺乏，pHpH上升，是补料的标志之一上升，是补料的标志之一氮代谢氮代谢 当当氨基酸氨基酸中的中的-NH-NH2 2被利用后被利用后pHpH会下降；会下降；尿素尿素被被分解成分解成NHNH3 3，pHpH上升，上升，NHNH3 3利用后利用后pHpH下降，当碳源不下降，当碳源不足时氮源当碳源利用足时氮源当碳源利用pHpH上升。上升。生理酸碱性物质生理酸碱性物质被微生物利用后会导致环境被微生物利用后会导致环境pHpH下降（上升）的下降（上升）的物质称为物质称为生理酸性（碱性）物质生理酸性（碱性）物质。3.2 3.2 引起发酵过程引起发酵过程pHpH变化的原因变化的原因10102 2、产物形成、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 3、菌体自溶、菌体自溶pH上升，发酵后期，上升，发酵后期，pH上升。可做为终止发上升。可做为终止发酵的指示。酵的指示。4 4、其它、其它：1111例例 pH对林可霉素发酵的影响对林可霉素发酵的影响 林林可可霉霉素素发发酵酵开开始始，葡葡萄萄糖糖转转化化为为有有机机酸酸类类中中间间产产物物，发发酵酵液液pHpH下下降降，待待有有机机酸酸被被生生产产菌菌利利用用，pHpH上上升升。若若不不及及时时补补糖糖、(NH(NH4 4)2 2SOSO4 4或或酸酸，发发酵酵液液pHpH可可迅迅速速升升到到以以上上，阻阻碍碍或或抑抑制制某某些些酶酶系系，使使林林可可霉霉素素增增长长缓缓慢慢，甚甚至至停停止止。对对照照罐罐发发酵酵6666小小时时pHpH达达，以以后后维维持持在在以以上上至至115115小小时时，菌菌丝丝浓浓度度降降低低，NHNH2 2-N-N升升高高，发酵不再继续。发酵不再继续。发发酵酵1515小小时时左左右右，pHpH值值可可以以从从消消后后的的左左右右下下降降到到，调调节节这一段的这一段的pHpH值至左右，以后自控值至左右，以后自控pHpH，可提高发酵单位。，可提高发酵单位。4 4、pHpH对发酵的影响对发酵的影响 12121 1）各种微生物适应的）各种微生物适应的pHpH范围：范围：细菌细菌6.5-7.5;6.5-7.5;霉菌霉菌4.0-5.8;4.0-5.8;酶母菌酶母菌3.8-6.0;3.8-6.0;放线菌放线菌6.5-8.0.6.5-8.0.)微生物生长阶段和产物合成阶段的最适微生物生长阶段和产物合成阶段的最适pHpH值往值往往不一样。这与菌种的特性有关，也取决于产物的化往不一样。这与菌种的特性有关，也取决于产物的化学性质。学性质。2 2、微生物细胞生长和代谢产物形成的最适、微生物细胞生长和代谢产物形成的最适pHpH值。值。13131 1、选择、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 4 4 4、发酵过程中最适、发酵过程中最适、发酵过程中最适、发酵过程中最适pHpHpHpH值的选择与控制值的选择与控制值的选择与控制值的选择与控制1414 在各种类型的发酵过程中，实验所得的最适在各种类型的发酵过程中，实验所得的最适在各种类型的发酵过程中，实验所得的最适在各种类型的发酵过程中，实验所得的最适pHpH值、菌体值、菌体值、菌体值、菌体的比生长速率的比生长速率的比生长速率的比生长速率()()和产物比生成速率和产物比生成速率和产物比生成速率和产物比生成速率(Qp)(Qp)等等等等3 3个参数的相互个参数的相互个参数的相互个参数的相互关系有四种情况关系有四种情况关系有四种情况关系有四种情况(见图见图见图见图)：和和和和QpQp的最适的最适的最适的最适pHpH值都在一个相似的较宽的适宜范围内值都在一个相似的较宽的适宜范围内值都在一个相似的较宽的适宜范围内值都在一个相似的较宽的适宜范围内(a)(a)，这种发酵过程易于控制；这种发酵过程易于控制；这种发酵过程易于控制；这种发酵过程易于控制；Qp(Qp(或或或或)的最适的最适的最适的最适pHpH值范围窄，而值范围窄，而值范围窄，而值范围窄，而(或或或或Qp)Qp)的范围较宽的范围较宽的范围较宽的范围较宽(b)(b)；和和和和QpQp对对对对pHpH值都很敏感，它们的最适值都很敏感，它们的最适值都很敏感，它们的最适值都很敏感，它们的最适pHpH值又是相同的值又是相同的值又是相同的值又是相同的(c)(c)，第二、第三种情况的发酵第二、第三种情况的发酵第二、第三种情况的发酵第二、第三种情况的发酵pHpH值应严格控制；值应严格控制；值应严格控制；值应严格控制；和和和和QpQp有各自的最适有各自的最适有各自的最适有各自的最适pHpH值值值值(d)(d)，应分别严格控制各自的最适，应分别严格控制各自的最适，应分别严格控制各自的最适，应分别严格控制各自的最适pHpH值，才能优化发酵过程。值，才能优化发酵过程。值，才能优化发酵过程。值，才能优化发酵过程。1515 在发酵过程中，发酵液的在发酵过程中，发酵液的在发酵过程中，发酵液的在发酵过程中，发酵液的pHpHpHpH随着微生物活动而随着微生物活动而随着微生物活动而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不断变化，为提供菌体适宜的生长或产物积累的不断变化，为提供菌体适宜的生长或产物积累的不断变化，为提供菌体适宜的生长或产物积累的pHpHpHpH值，需要对发酵生产过程各阶段的值，需要对发酵生产过程各阶段的值，需要对发酵生产过程各阶段的值，需要对发酵生产过程各阶段的pHpHpHpH值实施控监控，值实施控监控，值实施控监控，值实施控监控，实际生产中，从以下几个方面进行：实际生产中，从以下几个方面进行：实际生产中，从以下几个方面进行：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（一）调整培养基组分：适当调整（一）调整培养基组分：适当调整（一）调整培养基组分：适当调整C/NC/NC/NC/N比，使盐类比，使盐类比，使盐类比，使盐类与碳源配比平衡，一般情况：与碳源配比平衡，一般情况：与碳源配比平衡，一般情况：与碳源配比平衡，一般情况：C/NC/NC/NC/N高时（真菌培养基）高时（真菌培养基）高时（真菌培养基）高时（真菌培养基），pHpHpHpH降低；降低；降低；降低；C/NC/NC/NC/N低时（一般细菌），经过发酵后，低时（一般细菌），经过发酵后，低时（一般细菌），经过发酵后，低时（一般细菌），经过发酵后，pHpHpHpH上升上升上升上升2 2、pHpH的控制的控制 1616在生产上，主要的过程控制方法有：在生产上，主要的过程控制方法有：在生产上，主要的过程控制方法有：在生产上，主要的过程控制方法有：添加添加添加添加CaCO3CaCO3CaCO3CaCO3：当用：当用：当用：当用NH4+NH4+NH4+NH4+盐作为氮源时，可在培养基盐作为氮源时，可在培养基盐作为氮源时，可在培养基盐作为氮源时，可在培养基中加入中加入中加入中加入CaCO3CaCO3CaCO3CaCO3，用于中和，用于中和，用于中和，用于中和NH4+NH4+NH4+NH4+被吸收后剩余的酸被吸收后剩余的酸被吸收后剩余的酸被吸收后剩余的酸.氨水流加法：氨水可以中和发酵中产生的酸，且氨水流加法：氨水可以中和发酵中产生的酸，且氨水流加法：氨水可以中和发酵中产生的酸，且氨水流加法：氨水可以中和发酵中产生的酸，且NH4+NH4+NH4+NH4+可作为氮源，供给菌体营养可作为氮源，供给菌体营养可作为氮源，供给菌体营养可作为氮源，供给菌体营养.通氨一般是使压缩通氨一般是使压缩通氨一般是使压缩通氨一般是使压缩氨气或工业用氨水氨气或工业用氨水氨气或工业用氨水氨气或工业用氨水(浓度浓度浓度浓度20202020左右左右左右左右)，采用少量间歇，采用少量间歇，采用少量间歇，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添加或连续自动流加，可避免一次加入过多造成局添加或连续自动流加，可避免一次加入过多造成局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，对发酵产部偏碱。氨极易和铜反应产生毒性物质，对发酵产部偏碱。氨极易和铜反应产生毒性物质，对发酵产部偏碱。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。生影响，故需避免使用铜制的通氨设备。生影响，故需避免使用铜制的通氨设备。生影响，故需避免使用铜制的通氨设备。1717尿素流加法：味精厂多用，尿素首先被菌体尿酶分解成氨，尿素流加法：味精厂多用，尿素首先被菌体尿酶分解成氨，尿素流加法：味精厂多用，尿素首先被菌体尿酶分解成氨，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，使氨进入发酵液，使氨进入发酵液，使氨进入发酵液，使pHpHpHpH上升，当上升，当上升，当上升，当NHNHNHNH4+4+4+4+被菌体作为氮源消耗并被菌体作为氮源消耗并被菌体作为氮源消耗并被菌体作为氮源消耗并形成有机酸时，发酵液形成有机酸时，发酵液形成有机酸时，发酵液形成有机酸时，发酵液pHpHpHpH下降，这时随着尿素的补加，氨下降，这时随着尿素的补加，氨下降，这时随着尿素的补加，氨下降，这时随着尿素的补加，氨进入发酵液，又使发酵液进入发酵液，又使发酵液进入发酵液，又使发酵液进入发酵液，又使发酵液pHpHpHpH上升及补充氮源，如此循环，上升及补充氮源，如此循环，上升及补充氮源，如此循环，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。致至发酵液中碳源耗尽，完成发酵。致至发酵液中碳源耗尽，完成发酵。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氨基酸发酵常用此法。这种方法既可以达到稳定氨基酸发酵常用此法。这种方法既可以达到稳定氨基酸发酵常用此法。这种方法既可以达到稳定pHpH值的目的，又可以不断补充营养物质，特别是能产生阻遏值的目的，又可以不断补充营养物质，特别是能产生阻遏值的目的，又可以不断补充营养物质，特别是能产生阻遏值的目的，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作用的物质。少量多次补加还可解除对产物合成的阻遏作作用的物质。少量多次补加还可解除对产物合成的阻遏作作用的物质。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，可以同用，提高产物产量。也就是说，采用补料的方法，可以同用，提高产物产量。也就是说，采用补料的方法，可以同用，提高产物产量。也就是说，采用补料的方法，可以同时实现时实现时实现时实现补充营养、延长发酵周期、调节补充营养、延长发酵周期、调节补充营养、延长发酵周期、调节补充营养、延长发酵周期、调节pHpH值和培养液的值和培养液的值和培养液的值和培养液的特性特性特性特性(如菌浓等如菌浓等如菌浓等如菌浓等)等几个目的。等几个目的。等几个目的。等几个目的。1818pHpH的控制方法的控制方法 v常用方法常用方法 调调节节好好基基础础料料的的pHpH。基基础础料料中中若若含含有有玉玉米米浆浆，pHpH呈呈酸酸性性，必必须须调调节节pHpH。若若要要控控制制消消后后pHpH在在，消消前前pHpH往往要调到往往要调到 在基础料中加入维持在基础料中加入维持pHpH的物质，如的物质，如CaCOCaCO3 3 ，或，或具有缓冲能力的试剂，如磷酸缓冲液等具有缓冲能力的试剂，如磷酸缓冲液等 通过补料调节通过补料调节pH pH 1919 在在发发酵酵过过程程中中根根据据糖糖氮氮消消耗耗需需要要进进行行补补料料。在在补补料与调料与调pH没有矛盾时采用补料调没有矛盾时采用补料调pH，如，如 （1）调节补糖速率，调节空气流量来调节）调节补糖速率，调节空气流量来调节pH (2)当当NH2-N低低，pH低低时时补补氨氨水水；当当NH2-N低低，pH高时补高时补(NH4)2SO4 当补料与调当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调发生矛盾时，加酸碱调pH 2020应急措施：应急措施：应急措施：应急措施：改变搅拌转速或通气量，以改变溶解氧浓度，改变搅拌转速或通气量，以改变溶解氧浓度，改变搅拌转速或通气量，以改变溶解氧浓度，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；控制有机酸的积累量及其代谢速度；控制有机酸的积累量及其代谢速度；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；改变温度，以控制微生物代谢速度；改变温度，以控制微生物代谢速度；改变温度，以控制微生物代谢速度；改变罐压及通气量，降低改变罐压及通气量，降低改变罐压及通气量，降低改变罐压及通气量，降低COCOCOCO2 2 2 2的溶解量；的溶解量；的溶解量；的溶解量；改变加油或加糖量等，调节有机酸的积累量；改变加油或加糖量等，调节有机酸的积累量；改变加油或加糖量等，调节有机酸的积累量；改变加油或加糖量等，调节有机酸的积累量；2121思考题1 pH对发酵的影响?2 引起发酵过程pH变化的原因？2222