【正文】 酶的活性當(dāng) pH 抑制菌體中某些酶的活性時(shí)，使菌體的新陳代謝受阻； （ 2） pH 影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的狀態(tài)，從而改變細(xì)胞膜的滲透性，影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收及代謝產(chǎn)物的排泄，因此影響代謝的正常進(jìn)行； （ 3） pH 影響培養(yǎng)基某些組分和中間代謝產(chǎn)物的離解，從而影響微生物對(duì)這些物質(zhì)的利用； （ 4） pH 不同，往往引起菌體代謝過程的不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變。 2，發(fā)酵過程中 pH 的變化 生長(zhǎng)階段 生成階段 自溶階段 3，引起 pH 下降的因素 （ 1）碳源過 量 （ 2）消泡油添加過量 （ 3）生理酸性物質(zhì)的存在 4，引起 pH 上升的因素 （ 1）氮源過多 （ 2）生理堿性物質(zhì)的存在 （ 3）中間補(bǔ)料，堿性物質(zhì)添加過多 5，最適 pH 的選擇 選擇原則：有利于菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物的合成。一般根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定。 最適 pH 與菌株，培養(yǎng)基組成，發(fā)酵工藝有關(guān)。應(yīng)按發(fā)酵過程的不同階段分別控制不同的 pH 范圍。 最適 pH 與微生物生長(zhǎng)，產(chǎn)物形成之間相互關(guān)系有四種類型： （ 1）菌體比生長(zhǎng)速率μ和產(chǎn)物比生產(chǎn)速率 QP 的最適 pH 在一個(gè)相似的較寬的范圍內(nèi)（比較容易控制）； （ 2）μ較寬， Qp 范圍較窄，或μ較 窄， Qp 范圍較寬（難控制，應(yīng)嚴(yán)格控制）； （ 3）μ和 Qp 對(duì) pH 都很敏感，其最適 pH 相同（應(yīng)嚴(yán)格控制）； （ 4）更復(fù)雜，μ和 Qp 對(duì) pH 都很敏感，并有各自的最適 pH（難度最大）； 6， pH 的控制 在發(fā)酵過程中可通過以下方式來控制 pH （ 1）調(diào)節(jié)基礎(chǔ)培養(yǎng)基的配方 （ 2）調(diào)節(jié)碳氮比（ C/N） （ 3）添加緩沖劑 （ 4）補(bǔ)料控制 （ 5）直接加酸加堿 （ 6）補(bǔ)加碳源或氮源 三、氧對(duì)發(fā)酵的影響 大多數(shù)發(fā)酵過程是好氧的，因此需要供氧。如果考慮呼吸的化學(xué)計(jì)量，則葡萄糖的氧化可由下式表示： C6H 12O6 十 6O2＝ 6H2O 十 6CO2 只有當(dāng)這兩種反應(yīng)物均溶于水后，才對(duì)菌體有用。 氧在水中的溶解度比葡萄糖要小約 6000 倍左右 (氧在水中的飽和度約為 l0mg/L) 。許多發(fā)酵的生產(chǎn)能力受到氧利用限制，因此氧成為影響發(fā)酵效率的重要因素。 1，發(fā)酵過程中氧的需求 盡管考慮了呼吸的化學(xué)計(jì)量而使供氧問題得以正確評(píng)價(jià)，但由于未曾將轉(zhuǎn)化為生物物質(zhì)的碳加以考慮而使菌體的真實(shí)需氧情況難以表明。許多研究工作者已經(jīng)考慮到氧、碳源、氮源轉(zhuǎn)化為生物物質(zhì)的總化學(xué)計(jì)量關(guān)系，并利用這樣的關(guān)系來預(yù)測(cè)發(fā)酵的需氧情況。從這些測(cè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn)菌體的需氧似乎 完全取決于培養(yǎng)基中的碳源。 Darlington(1964)以 來表述 100 克酵母菌體 (干重 )的組分，并對(duì)由碳?xì)浠衔锖吞妓衔锷a(chǎn)酵母推導(dǎo)得到如下方程式： 根據(jù) Darlington 方程式，可知同樣生 100g菌體，用碳?xì)浠衔锼璧难跫s為用碳水化合物生產(chǎn)時(shí)的 3 倍。 Johnson(1964)得出如下方程： A為燃燒 1g底物成 CO H2O 和 NH3（如底物中有氮存在）所需氧的量，此值易于計(jì)算獲得； B 為燃燒 1g菌體成 CO H2O 和 NH3 所需氧的量，如果菌體組分已知的話 ，則也可計(jì)算獲得。 C 為生產(chǎn) 1 克菌體所需氧的量； Y 為 1 克底物轉(zhuǎn)化成菌體的克數(shù)。 因此， A/Y 為燃燒生成 1g菌體的底物所需的氧，而 B為燃燒菌體所需氧的量；它們之間的差為C，即為轉(zhuǎn)化底物成菌體所需氧的量。 將 Johnson 方程式應(yīng)用于利用葡萄糖和烷烴生產(chǎn)酵母的下列方程式為： 如果對(duì)葡萄糖來說 Y 值取 50％，而對(duì)烷烴來說 Y 值取 100％； 則： C 對(duì)葡萄糖 ＝ /g菌體； C 對(duì)烷烴 ＝ /g菌體 Mateles(1971)推導(dǎo)得一種碳源與需氧間關(guān)系的方 程式，他假定代謝產(chǎn)物僅為菌體、 CO H2O；以及菌體的正常組分 C 為 53％、 N 為 12％、 O 為 19%、 H 為 7％，則 OHCOOHCOOCH ????OHCOOHCOCH ????CBYA ???? ?? YYgm m o lC gm m o lC ）（對(duì)烷烴 ）（對(duì)葡萄糖 Mateles 利用此關(guān)系式對(duì)許多菌體利用各種基質(zhì)所需的氧進(jìn)行了計(jì)算 生長(zhǎng)于不同基質(zhì)上的不同微生物的需氧要求 基 質(zhì) 微生物 g氧 /g干菌體 葡萄糖 甲 醇 辛 烷 大腸桿菌 假單孢菌 C 假單孢菌 上述方程式與生物物質(zhì)的形成有關(guān)，并假定微生物除產(chǎn)生水、二氧化碳外，無其它產(chǎn)物形成。因此，這些方程僅能適用于菌體生產(chǎn)過程中預(yù)測(cè)氧的要求，而對(duì)菌體能形成其它產(chǎn)物的過 程則需要加以修正。例如 Cooney(1979)建議用下列方程式計(jì)算青霉素發(fā)酵： 但是，由于菌體的代謝是受發(fā)酵液中的溶氧濃度的影響，故簡(jiǎn)單地依據(jù)總需求來供氧是欠妥的。溶氧濃度對(duì)比攝氧率 (QO2 每克干菌體每小時(shí)所消耗的氧的毫摩爾數(shù) )用米氏型曲線表示。 臨界氧濃度（ C 臨）：指不影響菌體呼吸所允許的最低氧濃度，或微生物對(duì)發(fā)酵液中溶解氧濃度的最低要求。 ：碳源的分子量成量：與碳源有關(guān)的菌體生菌體形成的克數(shù)耗氧的克數(shù)MYMYOHC ?????克數(shù)：形成的卞青霉素鈉的：形成的干菌體克數(shù)成的卞青霉素鈉的克數(shù)：消耗每克葡萄糖所形需氧的克數(shù)形成每克卞青霉素鈉所PXYYYYOPPOPXPOOP///:/???Dissolved Oxygen Concentration Ccritical QO2 某些微生物的臨界氧濃度 微 生 物 溫度（ ?C） 臨界氧濃度（ mmol/L） 固 氮 菌 大腸桿菌 酵 母 產(chǎn)黃青霉 30 37 30 24 溶氧對(duì)發(fā)酵的影響 由此可知，只有使溶氧濃度高于其臨界值，才能維持菌體的最大比攝氧率，得到最大的菌體合成量。如果溶氧濃度低于臨界值，則菌體代謝受到干擾。但是，發(fā)酵工業(yè)的目標(biāo)是要得到菌體發(fā)酵的產(chǎn)物而不是菌體本身。因此，由氧饑餓而引起的細(xì)胞代謝干擾，可能對(duì)形成某些產(chǎn)物是有利的；同理，當(dāng)提供的氧濃度遠(yuǎn)大于臨界值時(shí)，雖對(duì)菌體形成無妨，但也許能刺激產(chǎn)物的形成；所以，某種產(chǎn)物形成的最佳條件可能不同于菌體生長(zhǎng)的最佳通氣條件。 根據(jù)需氧不同，可將初級(jí)代謝發(fā)酵分為： ，產(chǎn)量最大；若供氧不足，合成受強(qiáng)烈抑制； 如：谷氨酸，精氨酸，脯氨酸等 ，可得最高產(chǎn)量；若供氧受限，產(chǎn)量受影響不明顯； 如：異亮氨酸，賴氨酸，蘇氨酸等 ，細(xì)胞呼吸受抑制時(shí)，才獲得最大量產(chǎn)物；若供氧充足，產(chǎn)物形成反而受抑制； 如：亮氨酸，纈氨酸，苯丙氨酸等 但在實(shí)際生產(chǎn)過程中需注意： –溶解氧濃度過低（代謝異常，產(chǎn)量降低） –溶解氧濃度過高（代謝異常，菌體提前自溶） 實(shí)例一 在對(duì)黃色短桿菌 (Brevibacterium flavum)生物合成氨基酸進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，溶氧濃度對(duì)相關(guān)的氨基酸的生物合成具有很大的影響。研究表明：菌體的臨界溶氧濃度為 ；并根據(jù) ―安全 ‖的程度予以考慮供氧的程度，也即把菌體的呼吸率作為最大呼吸率的一個(gè)組成部分。因此，氧安全值低于最大呼吸率就意味著其溶氧濃度低于臨界值。 當(dāng)溶氧濃度低于 時(shí)，谷氨酸和天冬氨酸族氨基酸合成受到影響，但苯丙氨酸，纈氨酸和亮氨酸最佳合成的溶氧濃度分別為 、 和 。從合成途徑中可知，谷氨酸和天冬氨酸族的氨基酸來自于三羧酸循環(huán) (TCA)的中間體， 而苯丙氨酸、纈氨酸和亮氨酸來自于糖酵解的中間體，即來自于丙酮酸和磷酸稀醇式丙酮酸。 實(shí)例二 Feren 和 Squires(1969)對(duì)頂頭孢霉產(chǎn)生頭孢菌素和卷曲霉素 (Capreomycin)的研究即是一個(gè)氧對(duì)次級(jí)代謝影響的例子。他們的研究表明，頭孢菌素產(chǎn)生菌的臨界氧濃度在 0~7％的空氣飽和度間；而對(duì)卷曲霉素產(chǎn)生菌則為 13~23％。但就抑制抗生素生物合成的溶氧濃度來說，對(duì)頭孢菌素為低于 1020％；而對(duì)卷曲霉素則為 8％。因此，在生產(chǎn)頭孢菌素時(shí)，應(yīng)使其溶氧濃度遠(yuǎn)大于臨界值，而在生 產(chǎn)卷曲霉素時(shí)，則應(yīng)使其溶氧濃度低于臨界值。 發(fā)酵過程的溶氧變化 發(fā)酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不斷大幅度增加，此時(shí)需氧超過供氧，溶氧明顯下降。 發(fā)酵中后期，溶氧濃度明顯地受工藝控制手段的影響，如補(bǔ)料的數(shù)量、時(shí)機(jī)和方式等。 發(fā)酵后期由于菌體衰老，呼吸減弱，溶氧濃度也會(huì)逐步上升，一旦菌體自溶，溶氧就會(huì)明顯地上升。 溶氧的控制 （ 1）調(diào)節(jié)通風(fēng)與攪拌（具體內(nèi)容在通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備中介紹） （ 2）限制基礎(chǔ)培養(yǎng)基的濃度，使發(fā)酵器內(nèi)的生物體濃度維持于適當(dāng)水平；并以補(bǔ)料方式供給某些 營(yíng)養(yǎng)成分而控制菌體生長(zhǎng)率和呼吸率。 四、 CO2 對(duì)發(fā)酵的影響及控制 CO2 是微生物的代謝產(chǎn)物，同時(shí)也是某些合成代謝的基質(zhì)。它是細(xì)胞代謝的重要指標(biāo)。在發(fā)酵過程中， CO2 有可能對(duì)發(fā)酵有促進(jìn)作用，也有可能有抑制作用。 CO2 對(duì)發(fā)酵的影響 （ 1） CO2 對(duì)菌體具有抑制作用 當(dāng)排氣中 CO2的濃度高于 4%時(shí)，微生物的糖代謝和呼吸速率下降。例如，發(fā)酵液中 CO2的濃度達(dá)到 101mol，就會(huì)嚴(yán)重抑制酵母的生長(zhǎng)；當(dāng)進(jìn)氣口 CO2的含量占混合氣體的 80%時(shí)，酵母活力與對(duì)照相比降低 20%。 （ 2） CO2 對(duì)發(fā)酵的影響 ①對(duì) 發(fā)酵促進(jìn)。如牛鏈球菌發(fā)酵生產(chǎn)多糖，最重要的發(fā)酵條件是提供的空氣中要含 5%的 CO2。 ②對(duì)發(fā)酵抑制。如對(duì)肌苷、異亮氨酸、組氨酸、抗生素等發(fā)酵的抑制 ③影響發(fā)酵液的酸堿平衡 CO2 對(duì)發(fā)酵影響的機(jī)理 CO2 及 HCO3主要是影響細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致膜的流動(dòng)性及表面電荷密度發(fā)生改變，影響到細(xì)胞膜的輸送效率，導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)受到抑制、形態(tài)發(fā)生改變。 培養(yǎng)液中的 CO2 主要作用于細(xì)胞膜的脂質(zhì)核心部位； HCO3影響細(xì)胞膜的膜蛋白。 CO2 的控制 CO2 在發(fā)酵液中的濃度變化不像溶解氧那樣有一定的規(guī)律。它的大小受到許多因素 的影響，如細(xì)胞的呼吸強(qiáng)度、發(fā)酵液的流變學(xué)特性、通氣攪拌程度、罐壓大小、設(shè)備規(guī)模等。在發(fā)酵過程中通常通過調(diào)節(jié)通風(fēng)和攪拌來控制。 五、發(fā)酵過程中的泡沫及其控制 1，泡沫的性質(zhì) 泡沫是氣體被分散在少量液體中的膠體體系。泡沫間被一層液膜隔開而彼此不相連通。發(fā)酵過程中所遇到的泡沫，其分散相是無菌空氣和代謝氣體，連續(xù)相是發(fā)酵液。 2，泡沫的類型 一類存在于發(fā)酵液的液面上，這類泡沫氣相所占比例特別大，并且泡沫與它下面的液體之間有能分辮的界線。如在某些稀薄的前期發(fā)酵液或種子培養(yǎng)液中所見到的。 另一種泡沫是出現(xiàn)在粘稠的菌絲 發(fā)酵液當(dāng)中。這種泡沫分散很細(xì)，而且很均勻，也較穩(wěn)定。泡沫與液體間沒有明顯的波面界限，在鼓泡的發(fā)酵液中氣體分散相占的比例由下而上地逐漸增加。 3，泡沫產(chǎn)生的原因 （ 1）由外界引進(jìn)的氣流被機(jī)械地分散形成（通風(fēng)、攪拌）； （ 2）發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣體聚結(jié)生成（發(fā)泡性物質(zhì)）。 4，泡沫對(duì)發(fā)酵的不利影響 發(fā)酵過程產(chǎn)生的泡沫對(duì)發(fā)酵過程具有以下不利影響： （ 1）降低發(fā)酵設(shè)備的利用率； （ 2）增加了菌群的非均一性； （ 3）增加了染菌的機(jī)會(huì)； （ 4）導(dǎo)致產(chǎn)物的損失； （ 5）消泡劑會(huì)給后提取工序帶來困難。 5，影響泡沫穩(wěn)定的因素 （ 1）通氣與攪拌的強(qiáng)度 不同攪拌速度和通氣量對(duì)泡沫影響 從上圖可以看出，通氣和攪拌對(duì)泡沫的形成具有顯著影響，通氣量和攪拌速度越大，泡沫高度越高。 （ 2）培養(yǎng)基的配比及原材料組成 不同濃度蛋白質(zhì)原科的起泡作用 （ 3）培養(yǎng)基的破壞程度 滅菌時(shí)間對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響 （ 4）接種量的大小 （ 5）培養(yǎng)液本身性質(zhì)的變化 （ 6）培養(yǎng)基滅菌的方法和操作 （ 7）染菌 6，發(fā)酵過程 泡沫的變化 在發(fā)酵過程中，培養(yǎng)液的性質(zhì)隨微生物的代謝活動(dòng)而不斷變化，影響了泡沫的消長(zhǎng)，下圖指出了霉菌發(fā)酵過程中的液體表面性質(zhì)與泡沫壽命的關(guān)系。由此可見，發(fā)酵初期泡沫的高穩(wěn)定性與高的表觀粘度和低表面張力有關(guān)。隨著霉菌產(chǎn)生的蛋白酶 /淀粉酶的增多及其對(duì)碳、氮源的利用，造成泡沫穩(wěn)定的蛋白質(zhì)分解，培養(yǎng)液粘度降低，促進(jìn)表面張力提高，泡沫減少。另外，菌體也有穩(wěn)定泡沫的作用。在發(fā)酵后期菌體自溶，可溶性蛋白質(zhì)濃度增加，又促使泡沫上升。