Influencia y control del pH durante el proceso de fermentación

Efectos de pH en el proceso de fermentación

Cerca del pH es un parámetro muy importante para el crecimiento microbiano y síntesis de productosy un índice integral de actividad metabólica para la fermentación.

El proceso es de gran importancia. Diferentes especies de microorganismos tienen diferentes requisitos de pH. El pH óptimo es 6.5 ~ 7.5 para la mayoría de las bacterias, 4.0 ~ 5.8 para moho, 3.8 ~ 6.0 para levadura y 6.5 ~ 8.0 para actinomycetes. El rango de adaptación de pH depende de la ecología del microorganismo. Si la circunferencia del pH no es adecuada, se inhibirá el crecimiento y la síntesis del producto del microorganismo. Además, también es una medida efectiva para prevenir la contaminación de bacterias diversas para controlar una de las principales condiciones para garantizar el crecimiento constante de microromter. Por ejemplo, cerevisiae petroleum crece bien en el rango de pH de 3.5 ~ 5.0 y no es fácil de infectar bacterias. Cuando el pH es superior a 50, la morfología de la levadura se vuelve más pequeña, el caldo de fermentación se vuelve negro y contamina una gran cantidad de bacterias. Cuando el pH era inferior a 30, se inhibió el crecimiento maternal, las células eran muy irregulares y se produjo autólisis. Bacillus thuringiensis tiene una alta tolerancia al pH y puede crecer bien en un amplio rango de pH. No hubo diferencias significativas en el número de bacterias P en el rango de 6.0 ~ 10.0. Una gran cantidad de bacterias crecen después de la esterilización, pero no conduce a la formación de cristales en la etapa posterior. Si PH> 7.5, el período de germinación de los brotes se prolongará, por lo que el pH después de la esterilización debe ser de alrededor de 6.8.

Para el mismo microorganismo, se pueden formar diferentes productos de fermentación debido a la diferente pH del entorno de crecimiento. Por ejemplo, Aspergillus niger produce ácido a pH 2-3 y ácido oxálico a pH cercano a neutral. La levadura produce alcohol a pH 4.5 a 5.0, pero a PH8, los productos de fermentación incluyen no solo alcohol, sino también ácido acético y glicerol. Por ejemplo, la glucosa deshidrogenasa conjugada con pirrolidoquinina quinona (PQQ) en las acrobacterias está fuertemente influenciada por el pH del medio de cultivo. En cultivos restringidos de potasio, no se produce ácido glucónico a pH 80, pero la mayor cantidad de ácido glucónico y ácido 2-cetoglucónico se producen a pH 5.0 a 5.5. Cuando el pH de la proteína sérica humana recombinante es inferior a 50, la actividad de la proteasa aumenta rápidamente, lo cual es muy adverso a la producción de albúmina. Cuando el pH está por encima de 56, la actividad de la proteasa es muy baja, lo que puede evitar la pérdida de albúmina.

El pH óptimo para el crecimiento microbiano y la síntesis de productos pueden no ser siempre el mismo (pero son consistentes, por ejemplo, el pH óptimo para las bacterias productoras de ácido hialurónico es de 7.0). Por ejemplo, el pH óptimo para el crecimiento de bacterias de butanol de acetona fue de 5.5 ~ 7.0, mientras que el pH óptimo para la fermentación fue de 4.3 ~ 5.3. El pH óptimo para las bacterias productoras de penicilina fue de 6.5 ~ 7.2, mientras que el pH óptimo para las bacterias productoras de penicilina fue de 6.2 ~ 6.8. Esto no solo está relacionado con las características de deformación, sino también relacionada con las propiedades químicas de los productos. El pH óptimo para la biosíntesis de varios antibióticos fue el siguiente: la estreptomicina y la eritromicina fueron 6.8 ~ 7.3; Los valores de aureomicina y tetraciclina fueron 5.9 ~ 6.3. La penicilina es 6.2 a 6.8. Por lo tanto, dependiendo de las características de diferentes microorganismos y productos, es muy importante controlar el pH durante la fermentación.

Las principales razones por las cuales el cambio del pH líquido de fermentación afecta el crecimiento y la reproducción de microorganismos y la formación de metabolitos son los siguientes:

i. Cambiar la carga de la membrana plasmática de las células microbianas

La membrana plasmática con propiedades coloides, en un cierto valor de pH, puede ser positiva, y se carga negativamente cuando otro pH, cambia a cargo al mismo tiempo, causará el cambio de la membrana plasmática para cierta permeabilidad iónica, lo que afecta la absorción de nutrientes En los medios culturales y los metabolitos se filtran, para afectar el metabolismo.

II. Afecta directamente la actividad enzimática

Dado que la enzima tiene su pH más adecuado, la actividad de algunas enzimas en las células microbianas se inhibirá en la P inadecuada, y el crecimiento, la reproducción y el metabolismo de los microorganismos también se verán afectados.

iii. Afecta directamente los procesos metabólicos

Caldo de fermentación P Nutrientes importantes y metabolitos intermedios se disocian, afectando así el uso microbiano de estas sustancias. La mayoría de las sustancias que constituyen microorganismos se disocian en el agua mientras mantienen un cierto equilibrio. La disociación del agua está relacionada con los iones de hidrógeno, por lo que la concentración de iones de hidrógeno tiene un gran impacto en la disociación de estas sustancias, lo que afecta la absorción de nutrientes, la actividad enzimática, la descomposición y el anabolismo de los microorganismos. Por lo tanto, el cambio de pH conducirá al cambio del proceso metabólico de los microorganismos, de modo que se cambien la masa y la proporción de metabolitos. En bacilos aerogénicos, glucosa deshidrogenasa en el medio de cultivo pH, medio de nutrientes de potasio, ácido glucónico H H0 ~ 55 para producir ácido glucoico y ácido 2-ceto glucoico. Además, en el medio restringido de nutrientes de azufre o amoníaco, la bacteria produjo ácido glucotárico y ácido 2-cetoglucotárico a H5 pero no a PH68.

Factores que afectan el cambio de pH durante la fermentación

En el proceso de fermentación, el pH es a menudo un cambio dinámico. Este cambio en el pH depende de las especies de microorganismo y la composición del medio basal y las condiciones de fermentación. En el proceso del metabolismo del talo, tiene el poder de crear su pH de crecimiento óptimo, pero el pH fluctuará continuamente cuando las condiciones externas cambien enormemente. Por un lado, los microorganismos secretan ácidos orgánicos como el ácido láctico, el ácido acético, el ácido cítrico, etc., o algunas sustancias alcalinas a través de actividades metabólicas, lo que conduce al cambio de pH del entorno de fermentación. Por otro lado, los microorganismos causan el cambio de pH del líquido de fermentación mediante el uso de sustancias ácidas o sustancias alcalinas en el medio de fermentación.

La fuente de nitrógeno de medio basal tiene una gran influencia en el pH del caldo de fermentación. Si el amoníaco se usa como fuente de nitrógeno, NH; Existe en forma de NH en solución, y después de que se usa como R-NH, H+ se genera en el medio, de modo que el pH disminuye; Si el NO se usa como fuente de nitrógeno, H+ se consume, el NO se reduce a R-NH, y el pH aumenta; Si los aminoácidos se usan como fuentes de nitrógeno, H+ se produce después de que se utilizan los aminoácidos y el pH disminuye. El pH en el medio de cultivo a veces fluctúa. Por ejemplo, la proteína en el medio, otra materia orgánica nitrogenada o urea en la fermentación del ácido glutámico se hidroliza con las enzimas de orina para liberar amoníaco, el pH puede aumentar rápidamente, cuando la bacteria usa el amoníaco, el pH caerá nuevamente. En el proceso de fermentación, agregar fuente de nitrógeno también aparecerá en la situación de fluctuación de pH, como agregar amoníaco, el pH del líquido de fermentación aumentó rápidamente, cuando el amoníaco comenzó a usarse, el pH disminuyó gradualmente. Además, se agrega demasiada azúcar o aceite a la vez en fermentación, y la oxidación incompleta causará la acumulación de ácidos orgánicos, lo que dará como resultado una caída en el pH. De hecho, el cambio de pH medido en el caldo de fermentación es el resultado de una combinación de varias reacciones.

Control del pH durante la fermentación

El pH del fluido de fermentación cambia constantemente durante la fermentación porque los microorganismos están constantemente absorbiendo y asimilando nutrientes y metabolitos excretantes. Esto no solo se relaciona con la composición del medio, sino que también se relaciona con las características fisiológicas del microorganismo. Cada microorganismo tiene su propio pH óptimo para el crecimiento y la fermentación. Por ejemplo, la producción de rifamicina, debido a que todas las unidades de carbono en la molécula de rifamicina B se derivan de la glucosa, la utilización de la glucosa en la fase de crecimiento tiene un cierto impacto en la producción de rifamicina B. Se demuestra que su pH óptimo está en el rango de 7.0 ~ 7.5.

Cuando el pH es 7.0, el coeficiente de rendimiento promedio alcanza el valor máximo. Entre los diversos parámetros de la fermentación de rifamicina B, el coeficiente de rendimiento promedio es el más importante desde el punto de vista económico. Por lo tanto, PH70 es la mejor condición para la producción de rifamicina B. En estas condiciones, el consumo de glucosa se utiliza principalmente para la síntesis de productos, y también se puede garantizar la cantidad adecuada de bacterias. Los resultados mostraron que el rendimiento de la rifamicina B fue 14% más alto que el del proceso de fermentación completo cuando el pH de la etapa de crecimiento y la etapa de producción se mantuvo en 65 y 7.0, respectivamente. En la fermentación de celulosa de Acetobacter, el pH en la etapa temprana del cultivo por lotes es de 4.0, y el pH en la etapa de producción se ajusta a 55, lo que puede aumentar en gran medida el rendimiento de la celulosa y acortar el tiempo de fermentación. Por lo tanto, de acuerdo con las características de los microorganismos, para que los microorganismos se propagen de la manera óptima, es necesario no solo controlar la P apropiada en el medio original, sino también verificar el cambio de H en cualquier momento durante todo el cabello. proceso y llevar a cabo la regulación correspondiente.

En la producción real, si la condición de control es original) y la capacidad del amortiguador no es lo suficientemente fuerte, se debe prestar atención al efecto de la esterilización en P). Si la relación de la clase de energía y la fuente de carbono está equilibrada, no es necesario agregar tampón. También se puede usar en el proceso de fermentación para agregar ácido débil y ajuste de base débil por ácido o justo fuera del ajuste puede mejorar la condición de fermentación, al material es una mejor manera, puede ajustar el pH del medio de cultivo y puede complementar la nutrición, aumentar La concentración del medio, disminuye el trabajo de represión, a fin de mejorar aún más el rendimiento de productos fermentados, fermentación de aminoácidos, el medio original, generalmente ajusta pH70 más o menos. En el cultivo plano inclinado, el cultivo de semillas y la fermentación de la etapa de bacterias largas, debido a que el producto es muy pocos, el cambio de pH no es muy grande, generalmente no se ajusta en la etapa, porque la fuente de nitrógeno se consume y la acumulación de aminoácidos , el cambio de pH es mayor, debe estar regulado y controlado. Por ejemplo, en el proceso de fermentación de glutamato, la tasa de utilización de diferentes pares finos de P en diferentes períodos es alta, y el cambio de pH fluctúa en gran medida. Si el pH es bajo en la etapa temprana de la fermentación, el tali crece vigorosamente, consume nutrientes rápidamente, transfiere al metabolismo normal y cultiva el tali sin producir glutamato. Cuando el pH es alto, el crecimiento del talus es desfavorable, el metabolismo de la glucosa es lento y el tiempo de fermentación se prolonga. Sin embargo, en la etapa temprana de la fermentación, si el pH es ligeramente mayor (pH 7,5 ~ 80), es beneficioso inhibir el crecimiento de bacterias diversas. Por lo tanto, el pH debe controlarse a aproximadamente 7.5 en la etapa temprana de fermentación y 7 en la etapa media y tardía de fermentación. La razón es que el pH óptimo de la glutamato deshidrogenasa es 7.0 ~ 7.2, y el de la aminoácido transferasa es 7.2 ~ 7.4. En la fermentación de la transglutaminasa, un pH más alto (7.0) en la etapa temprana puede acortar el período de retraso del crecimiento celular, que es beneficioso para la síntesis de la enzima. En la etapa media y tardía de la fermentación, un pH más bajo puede promover aún más el crecimiento de las células y mantener una mayor tasa de síntesis de productos.

Después de determinar el pH apropiado para un cierto proceso de fermentación, se utilizan varios métodos para controlarlo. En primer lugar, es necesario considerar y probar la fórmula básica del medio de fermentación para garantizar que el cambio de pH en el proceso de fermentación esté dentro del rango apropiado. Debido a que el medio contiene sustancias metabolizando la producción de ácido (como la glucosa, (NH) SO) y la producción de álcali (como la urea, el nano), así como los agentes amortiguadores (como el caCo;) y otros componentes en el proceso de fermentación para afectar el cambio del pH, especialmente el caco, puede reaccionar con el ceto ácido y desempeñar un papel de amortiguación. En la fermentación por lotes, este método se usa comúnmente para controlar el cambio de pH.

En el proceso de fermentación, si el método anterior no puede alcanzar el objetivo de control, el siguiente método se puede utilizar para ajustar el pH:

i. Agregar método de carbonato de calcio

Cuando la sal fisiológica de amonio alcalino se usa como fuente de nitrógeno, el pH del licor caerá debido a la raíz ácida restante después de que la bacteria usa NH. El carbonato de calcio se puede agregar al medio de cultivo para ajustar el pH. En la fermentación del ácido láctico, el carbonato de calcio a menudo se usa para ajustar el pH para evitar la disminución de la producción de ácido láctico causada por la disminución del pH.

II. Adición de flujo de agua de amoníaco

En el proceso de fermentación, se agrega amoníaco para ajustar el pH de acuerdo con el cambio de pH y como fuente de nitrógeno, para suministrar NH. El amoníaco es barato y fácil de obtener. Sin embargo, el efecto del agua de amoníaco es rápido, lo que tiene una gran influencia en la fluctuación de pH del caldo de fermentación. Se debe utilizar una pequeña cantidad de suma de flujo múltiple para evitar que P inhiba el crecimiento, y también puede prevenir la aparición de H. El método de suma de flujo específico debe determinarse de acuerdo con las características de las bacterias, bacterias, consumo de azúcar y otras afecciones, el El control general PH 7.0 ~ 8.0 es bueno para usar el método de flujo del sistema automático. El uso de amoníaco en el proceso de fermentación para ajustar la precaución P, la cantidad de amoníaco causará envenenamiento microbiano, lo que conducirá a una disminución rápida de la intensidad respiratoria. Por lo tanto, en el proceso de fermentación donde se necesita gas de amoníaco para ajustar el pH o reponer las fuentes de nitrógeno, las bacterias pueden prevenirse de la sobrenuación de sobredosis de amoníaco al monitorear el cambio de concentración de oxígeno disuelto. Por ejemplo, la fermentación de estreptomicina, utilizando el control de la adición de flujo de agua de amoníaco del pH, p adecuado para el rango de síntesis de estreptomicina, llena con la síntesis del producto requirió una fuente de nitrógeno.

iii. Adición de flujo de urea

Este método se usa ampliamente en nuestro país en la actualidad. Usando la urea como fuente de nitrógeno para ajustar el pH, el cambio de pH tiene una cierta regularidad y fácil de controlar. En primer lugar, debido a la ventilación, la agitación y la acción de las enzimas urinarias en las bacterias, las fracciones elementales liberan el amoníaco y el pH aumenta; El amoníaco y los componentes medianos son utilizados por las bacterias y forman ácidos orgánicos y otros metabolitos intermedios, que se reducen. En este momento, la urea debe agregarse a tiempo para ajustar el pH y complementar las fuentes de nitrógeno. Cuando la urea se agrega al flujo, la urea se descompone por la enzima de orina del talus y se libera amoníaco. El amoníaco se usa para hacer que el pH caiga combinando metabolitos, y el flujo repetido se lleva a cabo para mantener un cierto pH. Además del cambio de pH, se debe tener en cuenta una pequeña cantidad de adición de flujo múltiple en las diferentes etapas del crecimiento bacteriano y la fermentación del consumo de azúcar para mantener un pH ligeramente más bajo, para facilitar el crecimiento de microorganismos. Cuando se acelera el crecimiento de bacterias, el consumo de azúcar se acelera, la cantidad de flujo puede ser más apropiada, el pH puede ser ligeramente mayor, la fermentación posterior es propicio para promover la producción de glutamato, mantener el ph72 más o menos es bueno. Cuando la cantidad de azúcar residual es muy pequeña, cerca de la olla, sin o menos agregado para lo mejor, para no causar desechos.

iv. Control de pH alimentando

El control de pH se combina con la regulación metabólica, y el pH se controla mediante control de alimentación. Por ejemplo, en el proceso de fermentación de penicilina, de acuerdo con las necesidades fisiológicas y metabólicas de la producción de bacterias, el pH se controla ajustando la tasa de azúcar, y el rendimiento de la penicilina aumenta en más del 25% en comparación con la tasa equilibrada de azúcar y Control de pH.