发酵工程 精品课程
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
华东理工大学 ·生物工程学院
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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。
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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pH
7.0
t
不调 pH 调 pH
效价
pH
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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（ 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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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pH对海藻糖水解酶产生的影响
pH—— 菌浓 pH—— 酶活
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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pH对谷氨酰胺转氨酶活力的影响
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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热凝胶产生不同阶段 pH的考察
biomass
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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。
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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。
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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％。
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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。
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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pH8.0时生长良好
产量低，产物降
解
pH7.0时的状况
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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。
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
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。
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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？
发酵过程控制
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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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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
发酵过程控制
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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。
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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pH
7.0
t
不调 pH 调 pH
效价
pH
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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（ 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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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pH对海藻糖水解酶产生的影响
pH—— 菌浓 pH—— 酶活
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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pH对谷氨酰胺转氨酶活力的影响
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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热凝胶产生不同阶段 pH的考察
biomass
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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
发酵过程控制
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发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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。
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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
发酵过程控制
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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
发酵过程控制
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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
发酵过程控制
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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
发酵过程控制
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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。
发酵过程控制
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发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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％。
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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。
发酵过程控制
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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
发酵过程控制
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pH8.0时生长良好
产量低，产物降
解
pH7.0时的状况
发酵过程控制
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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。
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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。
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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
发酵过程控制
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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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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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
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
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？
发酵过程控制
?发酵过程的 pH控制
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