تأثير والسيطرة على الرقم الهيدروجيني أثناء عملية التخمير

تأثيرات الرقم الهيدروجيني في عملية التخمير

بالقرب من الرقم الهيدروجيني هو معلمة مهمة للغاية للنمو الميكروبي و تخليق المنتج، ومؤشر شامل للنشاط الأيضي للتخمير.

العملية ذات أهمية كبيرة. الأنواع المختلفة من الكائنات الحية الدقيقة لها متطلبات درجة الحموضة المختلفة. الرقم الهيدروجيني الأمثل هو 6.5 ~ 7.5 بالنسبة لمعظم البكتيريا ، 4.0 ~ 5.8 للعفن ، 3.8 ~ 6.0 للخميرة ، و 6.5 ~ 8.0 ل actinomycetes. يعتمد نطاق تكيف الأس الهيدروجيني على بيئة الكائنات الحية الدقيقة. إذا كان محيط الأس الهيدروجيني غير مناسب ، فسيتم تثبيط نمو وتوليف المنتج للكائنات الحية الدقيقة. علاوة على ذلك ، يعد أيضًا إجراءً فعالاً لمنع تلوث البكتيريا المتنوعة للسيطرة على أحد الحالات الرئيسية لضمان النمو المستمر للمادة الصغيرة. على سبيل المثال ، ينمو البترول Cerevisiae جيدًا في نطاق الأس الهيدروجيني الذي يبلغ 3.5 ~ 5.0 وليس من السهل إصابة البكتيريا. عندما يكون الرقم الهيدروجيني أعلى من 50 ، يصبح مورفولوجيا الخميرة أصغر ، ويصبح مرق التخمير أسود وتلوث عدد كبير من البكتيريا. عندما كان الرقم الهيدروجيني أقل من 30 ، تم تثبيط نمو الأم ، كانت الخلايا غير منتظمة للغاية ، وحدث التحلل الذاتي. Bacillus thuringiensis لديه نسبة عالية من درجة الحموضة ويمكن أن تنمو بشكل جيد في نطاق درجة الحموضة الواسعة. لم يكن هناك اختلاف كبير في عدد بكتيريا P في حدود 6.0 ~ 10.0. ينمو عدد كبير من البكتيريا بعد التعقيم ، لكنه لا يفضي إلى تكوين البلورات في المرحلة اللاحقة. إذا كانت درجة الحموضة> 7.5 ، فستطول فترة إنبات البراعم ، لذلك يجب أن يكون الرقم الهيدروجيني بعد التعقيم حوالي 6.8.

لنفس الكائنات الحية الدقيقة ، قد تتشكل منتجات تخمير مختلفة بسبب درجة الحموضة المختلفة لبيئة النمو. على سبيل المثال ، ينتج Aspergillus niger الحمض عند درجة الحموضة 2-3 وحمض الأكساليك عند درجة الحموضة بالقرب من محايد. تنتج الخميرة الكحول عند درجة الحموضة من 4.5 إلى 5.0 ، ولكن في PH8 ، لا تشمل منتجات التخمير الكحول فحسب ، بل تشمل أيضًا حمض الأسيتيك والجلسرين. على سبيل المثال ، يتأثر ديهيدروجيناز الجلوكوز المترافق مع بيروليدوكينين كوينون (PQQ) في البكتيريا بشدة بدرجة الحموضة في وسط الثقافة. في الثقافات المقيدة من البوتاسيوم ، لا يتم إنتاج أي حمض الجلوكونيك عند درجة الحموضة 80 ، ولكن يتم إنتاج أكثر حمض الجلوكونيك وحمض الكيتوجلوكونيك في درجة الحموضة من 5.0 إلى 5.5. عندما يكون الرقم الهيدروجيني لبروتين المصل البشري المؤتلف أقل من 50 ، يزداد نشاط الأنزيم البروتيني بسرعة ، وهو أمر سلبي للغاية لإنتاج الألبومين. عندما يكون الرقم الهيدروجيني أعلى من 56 ، يكون نشاط الأنزيم البروتيني منخفضًا جدًا ، والذي يمكن أن يتجنب فقدان الزلال.

قد لا يكون الرقم الهيدروجيني الأمثل للنمو الميكروبي وتوليف المنتج هو نفسه دائمًا (ولكنه متسق ، على سبيل المثال ، الرقم الهيدروجيني الأمثل للبكتيريا المنتجة للحمض الهيالورونيك هو 7.0). على سبيل المثال ، كان الرقم الهيدروجيني الأمثل لنمو بكتيريا البوتانول الأسيتون 5.5 ~ 7.0 ، في حين كان الرقم الهيدروجيني الأمثل للتخمير 4.3 ~ 5.3. كان الرقم الهيدروجيني الأمثل للبكتيريا المنتجة للبنسلين 6.5 ~ 7.2 ، في حين كان الرقم الهيدروجيني الأمثل للبكتيريا المنتجة للبنسلين 6.2 ~ 6.8. لا يرتبط هذا فقط بخصائص الإجهاد ، ولكن أيضًا يتعلق بالخصائص الكيميائية للمنتجات. كان الرقم الهيدروجيني الأمثل للتخليق الحيوي لمختلف المضادات الحيوية على النحو التالي: الستربتومايسين والسيدروميسين كان 6.8 ~ 7.3 ؛ وكانت قيم aureomycin و tetracycline 5.9 ~ 6.3. البنسلين من 6.2 إلى 6.8. لذلك ، بناءً على خصائص الكائنات الحية الدقيقة والمنتجات المختلفة ، من المهم للغاية التحكم في الرقم الهيدروجيني أثناء التخمير.

الأسباب الرئيسية التي تجعل تغيير درجة الحموضة السائل للتخمير يؤثر على نمو واستنساخ الكائنات الحية الدقيقة وتشكيل المستقلبات على النحو التالي:

أنا. تغيير شحنة غشاء البلازما للخلايا الميكروبية

غشاء البلازما ذات الخواص الغروية ، في قيمة درجة الحموضة معينة يمكن أن يكون إيجابيًا ، ويتم شحنه سلبًا عندما يؤدي تغيير درجة الحموضة الأخرى ، في نفس الوقت ، إلى تغيير غشاء البلازما لبعض نفاذية الأيونات ، مما يؤثر على امتصاص المواد الغذائية في وسائل الإعلام الثقافية والمستقلبات تتسرب ، حتى تؤثر على التمثيل الغذائي.

الثاني. يؤثر بشكل مباشر على نشاط الإنزيم

نظرًا لأن الإنزيم له درجة الحموضة الأنسب ، فسيتم تثبيط نشاط بعض الإنزيمات في الخلايا الميكروبية في P غير المناسب ، وسيتأثر أيضًا نمو الكائنات الحية الدقيقة والاستقلاب والتمثيل الغذائي.

ثالثا. يؤثر بشكل مباشر على عمليات التمثيل الغذائي

مرق التخمير p مفصل المغذيات المهمة والمستقلبات الوسيطة ، مما يؤثر على الاستخدام الميكروبي لهذه المواد. معظم المواد التي تشكل الكائنات الحية الدقيقة تنفصل في الماء مع الحفاظ على توازن معين. يرتبط تفكك الماء بأيونات الهيدروجين ، وبالتالي فإن تركيز أيونات الهيدروجين له تأثير كبير على تفكك هذه المواد ، مما يؤثر على امتصاص المغذيات ، ونشاط الإنزيم ، والتحلل ، والانقباض في الكائنات الحية الدقيقة. لذلك ، سيؤدي تغيير الرقم الهيدروجيني إلى تغيير عملية التمثيل الغذائي للكائنات الحية الدقيقة ، بحيث يتم تغيير كتلة ونسبة المستقلبات. في العصوية الهوائية ، ديهيدروجيناز الجلوكوز في درجة الحموضة المتوسطة الثقافة ، وسط مغذيات البوتاسيوم ، حامض الجلوكوني H0 ~ 55 لإنتاج حمض الجلوكويك وحمض الجلوكويك 2-كيتو. بالإضافة إلى ذلك ، في الوسط المقيد بمغذيات الكبريت أو الأمونيا ، أنتجت البكتيريا حمض الجلوكوتاريك وحمض 2-ketoglucotaric في H5 ولكن ليس في PH68.

العوامل التي تؤثر على تغيير الرقم الهيدروجيني أثناء التخمير

في عملية التخمير ، يكون الرقم الهيدروجيني غالبًا تغييرًا ديناميكيًا. يعتمد هذا التغيير في الرقم الهيدروجيني على أنواع الكائنات الحية الدقيقة وتكوين ظروف المتوسطة القاعدية والضعف. في عملية التمثيل الغذائي Thallus ، لديها القدرة على إنشاء درجة الحموضة النمو الأمثل ، ولكن الرقم الهيدروجيني سوف يتقلب بشكل مستمر عندما تتغير الظروف الخارجية بشكل كبير. من ناحية ، تفرز الكائنات الحية الدقيقة الأحماض العضوية مثل حمض اللبنيك ، وحمض الأسيتيك ، وحمض الستريك ، وما إلى ذلك ، أو بعض المواد القلوية من خلال الأنشطة الأيضية ، مما يؤدي إلى تغيير درجة الحموضة في بيئة التخمير. من ناحية أخرى ، تتسبب الكائنات الحية الدقيقة في تغيير درجة الحموضة في سائل التخمير باستخدام المواد الحمضية أو المواد القلوية في وسط التخمير.

مصدر النيتروجين للوسط القاعدي له تأثير كبير على الرقم الهيدروجيني لمرق التخمير. إذا تم استخدام الأمونيا كمصدر للنيتروجين ، NH ؛ إنه موجود في شكل NH في المحلول ، وبعد استخدامه كـ R-NH ، يتم إنشاء H+ في الوسط ، بحيث يتناقص الرقم الهيدروجيني ؛ إذا تم استخدام NO كمصدر للنيتروجين ، يتم استهلاك H+ ، يتم تقليل NO إلى R-NH ، وارتفاع درجة الحموضة ؛ إذا تم استخدام الأحماض الأمينية كمصادر للنيتروجين ، يتم إنتاج H+ بعد استخدام الأحماض الأمينية ، وينخفض ​​الرقم الهيدروجيني. الرقم الهيدروجيني في وسط الثقافة يتقلب في بعض الأحيان. على سبيل المثال ، يتم تحلل البروتين في الوسط ، والمواد العضوية النيتروجينية الأخرى أو اليوريا في تخمير حمض الجلوتاميك بواسطة إنزيمات البول لإطلاق الأمونيا ، ويمكن أن يرتفع الرقم الهيدروجيني بسرعة ، عندما يتم استخدام الأمونيا من قبل البكتيريا ، سوف ينخفض ​​الرقم الهيدروجيني مرة أخرى. في عملية التخمير ، سيظهر إضافة مصدر النيتروجين أيضًا وضع تقلب الأس الهيدروجيني ، مثل إضافة الأمونيا ، وزيادة الرقم الهيدروجيني السائل أولاً بسرعة ، عندما بدأت الأمونيا في استخدامها ، انخفض الرقم الهيدروجيني تدريجياً. بالإضافة إلى ذلك ، تتم إضافة الكثير من السكر أو الزيت في وقت واحد في التخمير ، وسيؤدي الأكسدة غير المكتملة إلى تراكم الأحماض العضوية ، مما يؤدي إلى انخفاض في الرقم الهيدروجيني. في الواقع ، فإن تغيير الرقم الهيدروجيني المقاس في مرق التخمير هو نتيجة لمجموعة من ردود الفعل المختلفة.

السيطرة على الرقم الهيدروجيني أثناء التخمير

يتغير الرقم الهيدروجيني لسائل التخمير باستمرار أثناء التخمير لأن الكائنات الحية الدقيقة تمتص باستمرار وتسليم العناصر الغذائية وتفرز المستقلبات. هذا لا يرتبط فقط بتكوين الوسيلة ، ولكن أيضًا مرتبط بالخصائص الفسيولوجية للكائنات الحية الدقيقة. كل الكائنات الحية الدقيقة لها الرقم الهيدروجيني الأمثل للنمو والتخمير. على سبيل المثال ، إنتاج Rifamycin ، نظرًا لأن جميع وحدات الكربون في جزيء Rifamycin B مستمدة من الجلوكوز ، فإن استخدام الجلوكوز في مرحلة النمو له تأثير معين على إنتاج Rifamycin B. لقد ثبت أن الرقم الهيدروجيني الأمثل في حدود 7.0 ~ 7.5.

عندما يكون الرقم الهيدروجيني 7.0 ، يصل متوسط ​​معامل العائد إلى الحد الأقصى للقيمة. من بين المعلمات المختلفة لتخمير Rifamycin B ، يكون متوسط ​​معامل العائد هو الأكثر أهمية من وجهة النظر الاقتصادية. لذلك ، PH70 هو أفضل حالة لإنتاج Rifamycin B. في ظل هذه الظروف ، يستخدم استهلاك الجلوكوز بشكل أساسي لتخليق المنتج ، ويمكن أيضًا ضمان الكمية المناسبة من البكتيريا. أظهرت النتائج أن عائد Rifamycin B كان أعلى بنسبة 14 ٪ من عملية التخمير بأكملها عندما تم الحفاظ على درجة الحموضة في مرحلة النمو ومرحلة الإنتاج في 65 و 7.0 على التوالي. في تخمير السليلوز الأسيتوباكتر ، يكون الرقم الهيدروجيني في المرحلة المبكرة من ثقافة الدُفعات هو 4.0 ، ويتم ضبط الرقم الهيدروجيني في مرحلة الإنتاج إلى 55 ، مما قد يزيد بشكل كبير من محصول السليلوز ويقصر وقت التخمير. لذلك ، وفقًا لخصائص الكائنات الحية الدقيقة ، من أجل جعل الكائنات الحية الدقيقة تنتشر بالطريقة المثلى ، من الضروري ليس فقط التحكم في P في الوسيلة الأصلية ، ولكن أيضًا للتحقق من تغيير H في أي وقت أثناء الشعر بالكامل العملية وتنفيذ التنظيم المقابل.

في الإنتاج الفعلي ، إذا كانت حالة التحكم أصلية) ولم تكن سعة المخزن المؤقت قوية بما يكفي ، فيجب إيلاء الاهتمام لتأثير التعقيم على P). إذا كانت نسبة فئة الطاقة ومصدر الكربون متوازنة ، فليس من الضروري إضافة المخزن المؤقت. يمكن أيضًا استخدامه في عملية التخمير لإضافة حمض ضعيف وضعف الضبط القاعدة عن طريق الحمض أو التعديل الخارجي فقط يمكن أن يحسن حالة التخمير ، إلى المادة هو طريقة أفضل ، ويمكن ضبط الرقم الهيدروجيني لوسط الثقافة ، ويمكن أن تكمل التغذية ، والزيادة يقلل تركيز الوسط ، من عمل القمع ، وذلك لتحسين محصول المنتج المخمر ، أو تخمير الأحماض الأمينية ، أو الوسيلة الأصلية ، بشكل عام تعديل PH70 أو نحو ذلك. في ثقافة الطائرة المائلة ، وثقافة البذور وتخمير مرحلة البكتيريا الطويلة ، لأن المنتج قليل جدًا ، فإن تغيير الرقم الهيدروجيني ليس كبيرًا جدًا ، ولا يتم ضبطه عمومًا في المرحلة ، لأن مصدر النيتروجين يستهلك وتراكم الأحماض الأمينية ، تغيير الرقم الهيدروجيني أكبر ، يجب تنظيمه والتحكم فيه. على سبيل المثال ، في عملية تخمير الغلوتامات ، يكون معدل استخدام الأزواج الدقيقة المختلفة من P في فترات مختلفة مرتفعًا ، ويتقلب تغيير الرقم الهيدروجيني بشكل كبير. إذا كان الرقم الهيدروجيني منخفضًا في المرحلة المبكرة من التخمير ، فإن الثالي ينمو بقوة ، ويستهلك المواد الغذائية بسرعة ، وينتقل إلى التمثيل الغذائي الطبيعي ، وينمو ثالي دون إنتاج الغلوتامات. عندما يكون الرقم الهيدروجيني مرتفعًا ، يكون نمو ثالوس غير مواتٍ ، فإن استقلاب الجلوكوز بطيء ، ويتم أطول وقت التخمير. ومع ذلك ، في المرحلة المبكرة من التخمير ، إذا كان الرقم الهيدروجيني أعلى قليلاً (الرقم الهيدروجيني 7.5 ~ 80) ، فمن المفيد منع نمو البكتيريا المتنوعة. لذلك ، يجب التحكم في الرقم الهيدروجيني في حوالي 7.5 في المرحلة المبكرة من التخمير و 7 في المرحلة الوسطى والمتأخرة من التخمير. والسبب هو أن الرقم الهيدروجيني الأمثل من ديهيدروجيناز الغلوتامات هو 7.0 ~ 7.2 ، وأن نقل الأحماض الأمينية هو 7.2 ~ 7.4. في تخمير transglutaminase ، يمكن أن يؤدي ارتفاع درجة الحموضة (7.0) في المرحلة المبكرة إلى تقصير فترة تأخير نمو الخلايا ، وهو مفيد لتوليف الإنزيم. في المرحلة المتوسطة والمتأخرة من التخمير ، يمكن أن يعزز انخفاض الرقم الهيدروجيني نمو الخلايا والحفاظ على معدل توليف المنتج الأعلى.

بعد تحديد الرقم الهيدروجيني المناسب لعملية تخمير معينة ، يتم استخدام طرق مختلفة للسيطرة عليه. أولاً ، من الضروري مراعاة واختبار الصيغة الأساسية لوسط التخمير لضمان أن يكون تغيير الرقم الهيدروجيني في عملية التخمير ضمن النطاق المناسب. نظرًا لأن الوسيلة تحتوي على مواد مستقلب من إنتاج حمض (مثل الجلوكوز ، (NH) SO) والإنتاج القلوي (مثل اليوريا ، النانو) وكذلك عوامل التخزين المؤقت (مثل CACO ؛) والمكونات الأخرى في عملية التخمير للتأثير على التغيير من الرقم الهيدروجيني ، وخاصة الكاكو ، يمكن أن يتفاعل مع حمض الكيتو ، ولعب دور عازلة. في تخمير الدُفعات ، يتم استخدام هذه الطريقة عادة للتحكم في تغيير الرقم الهيدروجيني.

في عملية التخمير ، إذا لم تتمكن الطريقة أعلاه من الوصول إلى هدف التحكم ، فيمكن استخدام الطريقة التالية لضبط الرقم الهيدروجيني:

أنا. إضافة طريقة كربونات الكالسيوم

عندما يتم استخدام ملح الأمونيوم الفسيولوجي كمصدر للنيتروجين ، فإن درجة الحموضة في الخمور ستنخفض بسبب جذر الحمض المتبقي بعد استخدام NH بواسطة البكتيريا. يمكن إضافة كربونات الكالسيوم إلى وسط الثقافة لضبط الرقم الهيدروجيني. في تخمير حمض اللبنيك ، غالبًا ما تستخدم كربونات الكالسيوم لضبط الرقم الهيدروجيني لمنع انخفاض إنتاج حمض اللبنيك الناجم عن انخفاض درجة الحموضة.

الثاني. إضافة تدفق مياه الأمونيا

في عملية التخمير ، تتم إضافة الأمونيا لضبط الرقم الهيدروجيني وفقًا لتغيير الرقم الهيدروجيني ، ومصدر النيتروجين ، لتزويد NH. الأمونيا رخيصة وسهلة المصادر. ومع ذلك ، فإن تأثير مياه الأمونيا سريع ، والذي له تأثير كبير على تقلب الأس الهيدروجيني لمرق التخمير. يجب استخدام كمية صغيرة من إضافة التدفق المتعددة لتجنب النمو المثبط ، ويمكن أيضًا منع ظهور عدم كفاية H. يجب تحديد طريقة إضافة التدفق المحددة وفقًا لخصائص البكتيريا والبكتيريا واستهلاك السكر وغيرها من الحالات التحكم العام في الرقم الهيدروجيني 7.0 ~ 8.0 هو جيد لاستخدام طريقة تدفق النظام التلقائي. استخدام الأمونيا في عملية التخمير لضبط حذر p ، سوف يسبب كمية الأمونيا التسمم الميكروبي ، مما يؤدي إلى انخفاض سريع في شدة الجهاز التنفسي. لذلك ، في عملية التخمير حيث تكون هناك حاجة إلى غاز الأمونيا لضبط الرقم الهيدروجيني أو تجديد مصادر النيتروجين ، يمكن منع البكتيريا من التسمم بجرعة زائدة من الأمونيا عن طريق مراقبة تغيير تركيز الأكسجين الذائب. على سبيل المثال ، تخمير الستربتومايسين ، باستخدام التحكم في تدفق مياه الأمونيا من الرقم الهيدروجيني ، P مناسب لمدى تخليق الستربتومايسين ، المملوء بتوليف المنتج يتطلب مصدر النيتروجين.

ثالثا. إضافة تدفق اليوريا

هذه الطريقة تستخدم على نطاق واسع في بلدنا في الوقت الحاضر. باستخدام اليوريا كمصدر للنيتروجين لضبط الرقم الهيدروجيني ، فإن تغيير الرقم الهيدروجيني له انتظام معين ، ويسهل التحكم فيه. أولاً ، بسبب التهوية والإثارة وعمل الإنزيمات البولية في البكتيريا ، تحرر الكسور الأولية الأمونيا ، وارتفاع درجة الحموضة ؛ يتم استخدام الأمونيا والمكونات المتوسطة بواسطة البكتيريا وتشكل الأحماض العضوية وغيرها من المستقلبات الوسيطة ، والتي يتم تقليلها. في هذا الوقت ، يجب إضافة اليوريا في الوقت المناسب لضبط الرقم الهيدروجيني واستكمال مصادر النيتروجين. عند إضافة اليوريا إلى التدفق ، يتحلل اليوريا عن طريق إنزيم البول الثالي ، ويتم إطلاق الأمونيا. يتم استخدام الأمونيا لجعل انخفاض الأس الهيدروجيني عن طريق الجمع بين المستقلبات ، ويتم تنفيذ التدفق المتكرر للحفاظ على درجة الحموضة معينة. بالإضافة إلى تغيير الرقم الهيدروجيني ، يجب أن تؤخذ كمية صغيرة من الإضافة متعددة التدفق في الاعتبار في المراحل المختلفة من النمو البكتيري وتخمير استهلاك السكر للحفاظ على درجة الحموضة أقل قليلاً ، وذلك لتسهيل نمو الكائنات الحية الدقيقة. عندما يتم تسريع نمو البكتيريا ، يتم تسريع استهلاك السكر ، يمكن أن يكون كمية التدفق أكثر ملاءمة ، يمكن أن يكون الرقم الهيدروجيني أعلى قليلاً ، ويكون التخمير لاحقًا مفضيًا إلى تعزيز إنتاج الغلوتامات ، أو الحفاظ على ph72 أو نحو ذلك أمر جيد. عندما تكون كمية السكر المتبقية صغيرة جدًا ، بالقرب من الوعاء ، مع عدم إضافتها أو أقل من الأفضل ، حتى لا تسبب النفايات.

رابعا. السيطرة على الرقم الهيدروجيني عن طريق التغذية

يتم دمج التحكم في الرقم الهيدروجيني مع تنظيم التمثيل الغذائي ، ويتم التحكم في الرقم الهيدروجيني عن طريق التحكم في التغذية. على سبيل المثال ، في عملية تخمير البنسلين ، وفقًا للاحتياجات الفسيولوجية والتمثيل الغذائي لإنتاج البكتيريا ، يتم التحكم في الرقم الهيدروجيني عن طريق ضبط معدل السكر ، ويزداد غلة البنسلين بأكثر من 25 ٪ مقارنة مع معدل المتوازن من السكر و التحكم في الرقم الهيدروجيني.