第四节 发酵过程的 pH控制
pH是微生物代谢的综合反映，又影响代
谢的进行，所以是十分重要的参数。
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 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
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 。
1、实例
pH
7.0
t
不调 pH 调 pH
效价
pH
例：培养基初始 pH值对漆酶分泌的影响
pH在 4～ 7范围内产酶最高
2,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
例 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
四
环
素
4,最佳 pH的确定
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对海藻糖水解酶产生的影响
pH—— 菌浓 pH—— 酶活
pH对谷氨酰胺转氨酶活力的影响
热凝胶产生不同阶段 pH的考察
pH DO
biomass
从图中可见，热凝胶发酵菌体生长和热凝胶
合成是非偶联的，整个发酵过程可以分成两
个阶段：前 10 h是菌体生长期，之后热凝胶
开始合成，至发酵结束是热凝胶合成期。
在菌体生长期,DO 直线下降，培养液中的
pH也迅速下降。 10 h左右，菌体质量浓度达
到最大值,DO 和 pH降至最低点（ 5.4～ 5.6），
菌体生长结束。此后进入热凝胶合成期。
试验两阶段的最适 pH，见表
稳定期随着 pH降低，糖耗速率增加，
生物量增加，但产物合成速率在
pH5.6时达到最高。说明当 pH小于 5.6
以后微生物消耗的糖并非用于合成热
凝胶，而是合成菌体。
三,pH的控制
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 pH 6,50一 9,50测定天
冬酰胺酶酶活力．
1 甘氨酸介质 pH 8.00时
酶活力最高；
2 硼酸在 pH 8,50，酶反
应最快
3 磷酸 在 pH 8,50，酶反
应最快
4 Tris在 pH 8,50，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
不同 pH控制方式对目的突变株 ISw330异亮
氨酸摇瓶发酵的影响，结果如图所示。
,1”表示只加 CaC03控制 pH值,,2”表示
只加尿素控制,,3”表示 CaC03和尿素联
合控制 pH值 。
异亮氨酸发酵
例,pH对 L-异亮氨酸发酵的影响 （天津科技大学）
菌株最适生长 pH控制在 6.8～ 7.0
6、发酵的不同阶段采取不同的 pH值
不同 pH值对菌体的形态影响很大，当 pH值高于 7,5
时，菌体易于老化，呈现球状；当 pH值低于 6,5时
菌体同样受抑制，易于老化。而在 7,2左右时，菌
体是处于产酸期，呈现长的椭圆形；在 6,9左右时，
菌体处于生长期，呈, 八, 字形状并占有绝对的优
势。
pH6,9时，菌体生长旺盛,pH7,15时，对菌体的
产酸有利。因此，在发酵的产酸期产酸较高。采用
阶段 pH控制模式进行发酵，在发酵中前期控制
pH6.9，到 48h后 pH值为 7,15，到 80h后 pH值为
7,25。产率 22,27g·/L，产酸率提高 12,23％。
例：克拉维酸发酵中 pH变换控制
问题的提出,在 pH低时菌体生长受
抑制，在高 pH时克拉维酸要分解
用 2.5升罐进行的不控制 pH的发酵发现，
前期由于微生物产生的酸性副产物和
有机酸使 pH降至 6.5。在达到最高细胞
浓度后,pH开始从 6.5升至 8.3。 CA产
量达最高水平时,pH不再升高。在发
酵终止时,pH再次升至 8.5。随着 pH升
高,CA迅速分解。
研究不同 pH对发酵的影响
分别配置 pH为 6.0,7.0,8.0的培养基测
定菌的生长和产物合成
pH6.0时，生长受
抑制，产物降解
少
pH8.0时生长良好
产量低，产物降
解
pH7.0时的状况
控制 pH7.0和 8.0时，最高细胞浓度接近相同 (约
16％ PMV)，但控制 pH6,0时细胞生长受抑制。
在 2,5升生物反应器内，
不控制 pH时 2,47μ g／ (m1·h )
控制 pH7.0时的产率 3,37μ g／ (m1·h) 最高
控制 pH8.0时，产率 2,02μ g／ (m1‘h)
在控制 pH6,0时,CA产生被抑制,但降解少
因此对细胞生长和 CA产生最好将 pH控制于 7.0，
但在控制 pH7.0时，仍出现 CA的迅速分解。
由于 CA生产的最适 pH和减少 CA分解的 pH各
不相同，因此在分批发酵中应用了 pH变换
策略，使发酵 pH由中性 pH7,0变换为酸性
pH6.0。
在发酵前期，在细胞生长和产生 CA期间控
制 pH7.0,4d后，当 CA产量达最高值时，
变换 pH为 6.0，以减少 CA分解。最高 CA浓
度可保持 24h。由于改变 pH，使 CA分解速
率明显降低。
pH控制是一项非常细致的工作，不仅
考虑最佳 pH值，而且要根据生长阶段
考察对 pH的要求。在 pH控制中还要采
用合适的调节方法。
总结
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
思考题
7.12 发酵过程中 pH会不会发生变化为什么？
7.13 pH对发酵的影响表现在哪些方面？
7.14 为了确定发酵的最佳 pH,我们该如何实验？
7.15 发酵过程的 pH控制可以采取哪些措施？
pH是微生物代谢的综合反映，又影响代
谢的进行，所以是十分重要的参数。
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 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
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 。
1、实例
pH
7.0
t
不调 pH 调 pH
效价
pH
例：培养基初始 pH值对漆酶分泌的影响
pH在 4～ 7范围内产酶最高
2,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
例 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
四
环
素
4,最佳 pH的确定
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对海藻糖水解酶产生的影响
pH—— 菌浓 pH—— 酶活
pH对谷氨酰胺转氨酶活力的影响
热凝胶产生不同阶段 pH的考察
pH DO
biomass
从图中可见，热凝胶发酵菌体生长和热凝胶
合成是非偶联的，整个发酵过程可以分成两
个阶段：前 10 h是菌体生长期，之后热凝胶
开始合成，至发酵结束是热凝胶合成期。
在菌体生长期,DO 直线下降，培养液中的
pH也迅速下降。 10 h左右，菌体质量浓度达
到最大值,DO 和 pH降至最低点（ 5.4～ 5.6），
菌体生长结束。此后进入热凝胶合成期。
试验两阶段的最适 pH，见表
稳定期随着 pH降低，糖耗速率增加，
生物量增加，但产物合成速率在
pH5.6时达到最高。说明当 pH小于 5.6
以后微生物消耗的糖并非用于合成热
凝胶，而是合成菌体。
三,pH的控制
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 pH 6,50一 9,50测定天
冬酰胺酶酶活力．
1 甘氨酸介质 pH 8.00时
酶活力最高；
2 硼酸在 pH 8,50，酶反
应最快
3 磷酸 在 pH 8,50，酶反
应最快
4 Tris在 pH 8,50，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
不同 pH控制方式对目的突变株 ISw330异亮
氨酸摇瓶发酵的影响，结果如图所示。
,1”表示只加 CaC03控制 pH值,,2”表示
只加尿素控制,,3”表示 CaC03和尿素联
合控制 pH值 。
异亮氨酸发酵
例,pH对 L-异亮氨酸发酵的影响 （天津科技大学）
菌株最适生长 pH控制在 6.8～ 7.0
6、发酵的不同阶段采取不同的 pH值
不同 pH值对菌体的形态影响很大，当 pH值高于 7,5
时，菌体易于老化，呈现球状；当 pH值低于 6,5时
菌体同样受抑制，易于老化。而在 7,2左右时，菌
体是处于产酸期，呈现长的椭圆形；在 6,9左右时，
菌体处于生长期，呈, 八, 字形状并占有绝对的优
势。
pH6,9时，菌体生长旺盛,pH7,15时，对菌体的
产酸有利。因此，在发酵的产酸期产酸较高。采用
阶段 pH控制模式进行发酵，在发酵中前期控制
pH6.9，到 48h后 pH值为 7,15，到 80h后 pH值为
7,25。产率 22,27g·/L，产酸率提高 12,23％。
例：克拉维酸发酵中 pH变换控制
问题的提出,在 pH低时菌体生长受
抑制，在高 pH时克拉维酸要分解
用 2.5升罐进行的不控制 pH的发酵发现，
前期由于微生物产生的酸性副产物和
有机酸使 pH降至 6.5。在达到最高细胞
浓度后,pH开始从 6.5升至 8.3。 CA产
量达最高水平时,pH不再升高。在发
酵终止时,pH再次升至 8.5。随着 pH升
高,CA迅速分解。
研究不同 pH对发酵的影响
分别配置 pH为 6.0,7.0,8.0的培养基测
定菌的生长和产物合成
pH6.0时，生长受
抑制，产物降解
少
pH8.0时生长良好
产量低，产物降
解
pH7.0时的状况
控制 pH7.0和 8.0时，最高细胞浓度接近相同 (约
16％ PMV)，但控制 pH6,0时细胞生长受抑制。
在 2,5升生物反应器内，
不控制 pH时 2,47μ g／ (m1·h )
控制 pH7.0时的产率 3,37μ g／ (m1·h) 最高
控制 pH8.0时，产率 2,02μ g／ (m1‘h)
在控制 pH6,0时,CA产生被抑制,但降解少
因此对细胞生长和 CA产生最好将 pH控制于 7.0，
但在控制 pH7.0时，仍出现 CA的迅速分解。
由于 CA生产的最适 pH和减少 CA分解的 pH各
不相同，因此在分批发酵中应用了 pH变换
策略，使发酵 pH由中性 pH7,0变换为酸性
pH6.0。
在发酵前期，在细胞生长和产生 CA期间控
制 pH7.0,4d后，当 CA产量达最高值时，
变换 pH为 6.0，以减少 CA分解。最高 CA浓
度可保持 24h。由于改变 pH，使 CA分解速
率明显降低。
pH控制是一项非常细致的工作，不仅
考虑最佳 pH值，而且要根据生长阶段
考察对 pH的要求。在 pH控制中还要采
用合适的调节方法。
总结
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
思考题
7.12 发酵过程中 pH会不会发生变化为什么？
7.13 pH对发酵的影响表现在哪些方面？
7.14 为了确定发酵的最佳 pH,我们该如何实验？
7.15 发酵过程的 pH控制可以采取哪些措施？
