一、pH值對發酵的影響

　　發酵培養基的pH值，對微生物生長具有非常明顯的影響，也是影響發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，改變細胞膜的通透性，影響微生物對營養物質的吸收和代謝產物的排泄；③影響培養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生改變。

　　培養基中營養物質的代謝，是引起pH值變化的主要原因，發酵液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。

　　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，進而影響酶的結構和活性。所以培養基中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等人發現產黃曲霉的細胞壁的厚度就隨pH值的增加而減小：其菌絲直徑在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，引起膜透性發生改變，因而影響菌體對營養物質的吸收和代謝產物的形成等。

　　如同溫度對發酵影響一樣，pH值對產物穩定性也有影響。如在β-內酰胺抗生素沙納霉/素(thienamycin)的發酵中，考察pH值對產物生物合成的影響時，發現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/素的穩定性未受到嚴重影響，半衰期也無大的變化；但pH>7.5時，穩定性下降，半衰期縮短，發酵單位也下降。青霉/素在堿性條件下發酵單位低，也與青霉/素的穩定性有關。

　　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，所以在工業發酵中，維持最適pH值已成為生產成敗的關鍵因素之一。

　　二、發酵過程pH值的變化

　　在發酵過程中，pH值的變化決定于所用的菌種、培養基的成分和培養條件。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酵研究，采用pH值為6.0、6.8、7.5三個出發值，結果發現pH值在6.8、7.5時，最終發酵pH值都達到7.5左右，菌絲生長和發酵單位都達到正常水平；但pH值為6.0時，發酵中期pH值只達4.5，菌濃僅為20％，發酵單位為零。這說明菌體僅有一定的自調能力。

　　培養基中的營養物質的代謝，也是引起pH值變化的重要原因，發酵所用的碳源種類不同，pH值變化也不一樣。如灰黃霉/素發酵的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，發酵單位很低。

　　發酵液的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。在發酵過程中，要選擇好發酵培養基的成分及其配比，并控制好發酵工藝條件，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，維持穩定的pH值，對產物的形成有利。

　　三、發酵pH值的確定和控制

　　⒈發酵pH值的確定

　　微生物發酵的最適pH值范圍一般是在5～8之間，如谷/氨酸發酵的最適pH值為7.5～8.0。但發酵的pH值又隨菌種和產品不同而不同。由于發酵是多酶復合反應系統，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/氨酸發酵在不同階段對pH值的要求不同，發酵前期控制pH7.5左右，發酵中期pH7.2左右，發酵后期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酵，pH值在中性時，菌種生長良好，但產物產量很低，實際發酵最適pH值為5～6。次級代謝產物抗生素的發酵更是如此，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。將發酵培養基調節成不同的出發pH值進行發酵，在發酵過程中，定時測定和調節pH值以維持出發pH值，或者利用緩沖液配制培養基來維持之。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、培養基組成和培養條件有關。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、培養基組成和發酵工藝不同引起的。在確定發酵最適pH值時，要不定期考慮培養溫度的影響，若溫度提高或降低，最適pH值也可能發生變動。

　　⒉pH值的控制

　　在各種類型的發酵過程中，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，才能優化發酵過程。

　　在了解發酵過程中最適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酵培養基的基礎配方，使它們有個適當的配比，使發酵過程中的pH值變化在合適的范圍內。因為培養基中含有代謝產酸[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pH值的能力是有限的，如果達不到要求，可以用在發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pH值，還可以補充氮源。當發酵的pH值和氨氮含量都低時，補加氨水，就可達到調節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pH值。通氨一般是使壓縮氨氣或工業用氨水(濃度20％左右)，采用少量間歇添加或連續自動流加，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pH值，如氨基酸發酵采用流加尿素[(NH2)2CO]的方法，特別是次級代謝產物抗生素發酵，更常用此法。這種方法，既可以達到穩定pH值的目的，又可以不斷補充營養物質，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，可以同時實現補充營養、延長發酵周期、調節pH值和培養液的特性(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(現已實現自動化)，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％。