发酵过程中pH漂移的5个原因及解决方法｜发酵罐在线pH控制分析

在微生物发酵、细胞培养及生物制药过程中，pH是影响菌体生长、代谢活性和目标产物得率的重要工艺参数。实际生产中，部分用户会遇到pH波动大、控制不稳定或在线检测数据漂移等问题，不仅影响补酸补碱控制，还可能导致发酵周期延长、产品一致性下降。

那么，发酵过程中出现pH漂移究竟是工艺原因，还是传感器问题？本文结合发酵设备应用经验，总结5种常见原因，并介绍相应的解决思路。

一、原因一：菌体代谢导致培养液pH自然变化

发酵过程中，微生物不断代谢培养基中的营养物质，会产生酸性或碱性代谢产物，这是pH变化最常见的原因。

例如：

1、大肠杆菌在快速生长期可能产生乙酸等有机酸，使培养液pH下降；

2、酵母在不同培养阶段会改变代谢途径，导致pH波动；

3、乳酸菌发酵过程中会持续产生乳酸，若控制不及时，培养液pH可能快速下降。

因此，发酵过程中出现一定范围内的pH变化属于正常现象，关键是控制系统能否及时调节并保持设定值。

二、原因二：培养基和补料策略发生变化

培养基组成、补料速度及补料配方都会影响培养液酸碱平衡。

例如：

1、碳源补料速度过快，可能导致有机酸积累；

2、氮源利用率变化，会影响培养液pH；

3、补酸、补碱浓度设置不合理，容易造成pH过冲或反复波动。

建议在工艺开发阶段同步优化补料策略和pH控制参数，而不是单独调整补酸或补碱流量。

三、原因三：在线pH电极受到污染或出现漂移

除了工艺因素，在线pH电极也是影响检测准确性的关键因素。

高密度发酵过程中，培养液中往往含有蛋白质、细胞碎片、胞外多糖（EPS）及其他代谢产物。这些物质附着在玻璃膜表面后，可能导致：

1、电极响应速度变慢；

2、在线检测值与实际pH产生偏差；

3、自动补酸、补碱控制出现误动作。

另外，经过多次121℃在线蒸汽灭菌（SIP）后，普通pH电极可能出现零点漂移或斜率下降，因此建议选择支持CIP/SIP的高温灭菌型在线pH电极，并按照维护计划定期清洗和校准。

四、原因四：自动控制参数设置不合理

发酵罐通常采用PID控制方式调节pH。

如果控制参数设置不合理，可能出现：

1、补酸、补碱反应过快，导致pH来回波动；

2、控制响应过慢，无法及时修正pH变化；

3、加液泵流量不稳定，影响控制精度。

对于不同菌种、不同培养阶段，应根据工艺特点适当调整PID参数，避免采用固定控制策略。

五、原因五：电极校准和维护不到位

不少用户将pH漂移归因于工艺变化，但实际上，长期未校准或维护不规范也是常见原因。

建议：

1、使用符合要求的标准缓冲液进行两点校准；

2、定期检查电极响应时间和斜率；

3、发现响应明显变慢时及时清洗或更换电极；

4、对频繁进行SIP灭菌的设备，应根据使用情况制定校准和维护周期。

良好的维护习惯能够有效延长电极使用寿命，提高在线检测数据的可靠性。

如何减少发酵过程中的pH漂移？

为了提高发酵过程稳定性，可重点关注以下几个方面：

1、根据菌种特点优化培养基和补料策略；

2、定期检查补酸、补碱控制系统运行状态；

3、使用支持121℃灭菌的高温在线pH电极；

4、定期进行电极清洗、校准和性能检查；

5、根据发酵阶段优化PID控制参数，提高控制响应速度。

工艺优化、设备控制和在线检测三者相互配合，才能有效降低pH漂移，提高发酵过程的一致性和稳定性。

顾信生物发酵在线检测解决方案

上海顾信生物可为实验室发酵罐、中试生物反应器及生物制药设备提供在线检测解决方案，包括高温灭菌pH电极、DO溶氧电极及发酵过程控制系统。针对不同菌种、培养体系和灭菌工艺，可提供电极选型、接口匹配及系统集成支持，帮助用户提高在线检测精度和过程控制稳定性。

总结

发酵过程中出现pH漂移，并不一定意味着电极损坏，也可能与菌体代谢、培养基组成、补料策略、控制参数以及电极维护等因素有关。

实际应用中，应结合发酵工艺和在线检测数据综合分析原因，及时优化控制策略，并选择适合发酵设备使用的高温灭菌在线pH电极。稳定、准确的pH监测不仅有助于提高发酵效率，也能够为工艺放大和生产一致性提供可靠的数据支持。