第十章 青霉素的生产

发酵过程经济指标
•发酵单位 即抗生素在发酵液中的浓度，一般用u/ml或μg/ml 表示。u为抗菌活性单位，又称效价。青霉素效价单位：为能 在50ml肉汤培养基中完全抑制金黄色葡萄球菌标准菌株发育 的最小青霉素剂量。 •发酵总亿单位 发酵单位与发酵液体积的乘积称为发酵总亿单 位，以亿单位（108u）或十亿单位（109u或Bu）表示。发酵 总亿单位代表批发酵产量。 •发酵指数 发酵指数是每小时、每立方米发酵罐容积发酵产生 的抗生素量。一般以108u/(m3 · h)表示，能反映固定成本的效 益，即发酵指数越高，固定成本效益也越高。 •基质转化率 发酵过程消耗的主要基质（一般为碳源、能源或 其它成本较高的基质）转化为抗生素的得率，称为基质转化 率，以g（抗生素）/g（基质）或Bu/kg（基质）表示。
青霉素的生物合成
产黄青霉菌在发酵过程中首先合成其前体，即α-氨基己 二酸、半胱氨酸、缬氨酸，再在三肽合成酶的催化下，L-α氨基己二酸（α-AAA）与L-半胱氨酸形成二肽，然后再与L缬氨酸形成三肽化合物，三肽化合物在环化酶的作用下闭环 形成异青霉素N，异青霉素N中的α-AAA侧链可以在酰基转 移酶作用下转换成其它侧链，形成青霉素类抗生素。如果在 发酵液中加入苯乙酸，就形成青霉素G。产黄青霉生产青霉 素中受下列方式调控：受碳源调控 、受氮源、受终产物调控、 受分支途径调控 。
第十章 青霉素的生产
第一节 第二节 第三节 第四节 概述 生产原理 青霉素的生产工艺过程 其他工艺技术及技术改造方向
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学习目标
了解青霉素的药效作用、应用范围、其 它有关工艺技术及技术改造方向； 熟悉青霉素的理化性质、重要化学反应； 掌握青霉素生产原理、生产工艺过程及 生产控制要点。
发酵液预处理和过滤
青霉素发酵液中杂质很多，其中对青霉素提纯影响最大 的是高价无机离子（Ca2+、Mg2+、Fe3+）和蛋白质。用离子 交换法提纯时，高价无机离子和蛋白质的存在，会影响树脂 对抗生素的吸附量。用溶剂萃取时，蛋白质的存在会产生乳 化，使溶剂相和水相分层困难。因此，应根据所采用的提纯 方法进行预处理除去无机离子或蛋白质。 经过预处理的发酵液便可进行过滤去除菌丝体及沉淀的
菌种的培养
利用菌体进行发酵生产青霉素的关键是要筛选高产菌种， 另外要通过不断地分离纯化来保证高产菌种的纯度，避免生 产波动。高产菌种选育和培养还要采用严格的无菌操作，防 止污染杂菌。供日常生产的高产纯种还必须用良好的方法妥 善保藏，以维持其优良性能，保证生产稳定。种子培养阶段 以产生丰富的孢子（斜面和米孢子培养）或大量健状菌丝体 （种子罐培养）为主要目的。在培养基中应加入比较丰富易 代谢的碳源（如葡萄糖或蔗糖）、氮源（如玉米浆）、缓冲 pH的碳酸钙以及生长所必需的无机盐，并保持最适生长温度 25～26℃和充分的通气搅拌，使菌体量倍增达到对数生长期。
蛋白质。青霉素发酵液过滤宜采用鼓式真空过滤机。
青霉素的提取
青霉素发酵液经过预处理和过滤后得到的滤液，滤液中 含有不到4%的青霉素及一些与水亲和的杂质存在，因此需经 提取和精制加以去除。提取要达到提纯和浓缩两个目的。生 产上采用的方法主要有：吸附法、溶媒萃取法、离子交换法 和沉淀法。究竟采用哪一种方法，要视产品的性质。青霉素 的提取一般采用溶媒萃取法。这种方法主要基于青霉素游离 酸易溶于有机溶剂，而青霉盐易溶于水的特性，反复转移而 达到提纯和浓缩。采用溶媒时要考虑对青霉素有较高的分配 系数，另外在水中的溶解度要小，不和青霉素起作用，在 5～30℃间的蒸汽压较低，回收时温度不超过120～140℃。 生产上采用的溶媒主要是醋酸丁酯和戊酯。
第一节 概述
认识青霉素
青霉素是一族抗生素的总称，它们是由不同的菌种或不 同的培养条件所得的同一类化学物质，其共同化学结构如下：
青霉素本身是一种游离酸，能与碱金属或碱土金属及有 机氨类结合成盐类。青霉素游离酸易溶液于醇类、酮类、醚 类和酯类，但在水溶液中溶解度很小；青霉素钾、钠盐则易 溶于水和甲醇、微溶于乙醇、丙醇、丙酮、乙醚、氯仿，在 醋酸丁酯或戊酯中难溶或不溶。青霉素的吸湿性与内在质量 有关。纯度越高，吸湿性越小，也就易于存放。因此制成晶 体就比无定形粉末吸湿性小。青霉素是一种不稳定的化合物， 在水溶液里很快地分解或异构化，因此青霉素应尽量缩短在 水中存放时间，特别由于温度、酸、碱性的影响，成为晶体 状态的青霉素还是比较稳定的。 青霉素对大多数革兰氏阳性细菌，部分革兰氏阴性细菌， 各种螺旋体及部分放线菌有较强抗菌作用。青霉素的毒性低 微，但最易引起过敏反应。凡应用青霉素药物都必须先作皮 试，皮试阳性者禁用。
第二节 生产原理
青霉素是产黄青霉菌株在一定的培养条件下发酵 产生的。生产上一般是将孢子悬液接入种子罐经二 级扩大培养后，移入发酵罐进行发酵，所制得的含 有一定浓度青霉素的发酵液经适当的预处理，再经 提炼、精制、成品分包装等工序最终制得合乎药典 要求的成品。
青霉素产生菌的培养
菌体的生长发育
①分生孢子的Ⅰ期； ②菌丝繁殖，原生质嗜碱性很强，有类脂肪小颗粒产生为Ⅱ 期； ③原生质嗜碱性仍很强，形成脂肪粒，积累贮藏物为Ⅲ期； ④原生质嗜碱性很弱，脂肪粒减少，形成中、小空泡为Ⅳ期； ⑤脂肪粒消失，形成大空泡为Ⅴ期； ⑥细胞内看不到颗粒，并有个别自溶细胞出现为Ⅵ期。 其中Ⅰ～Ⅳ期称为菌丝生长期，菌丝的浓度增加很多， 但产生的青霉素较少，处于该时期的菌丝体适用于做发酵种 子。Ⅳ～Ⅴ期是青霉素分泌期，此时菌丝体生长缓慢，并大 量生产青霉素。Ⅵ期是菌丝体自溶期。
发酵
发酵的基本原理
青霉素发酵属于好氧发酵过程，需不断通入无菌空气 并搅拌，以维持一定的罐压和溶氧。整个发酵阶段分为生 长和产物合成两个阶段。发酵过程中应严格控制发酵温度、 发酵液中残糖量、pH值、排气中的CO2和氧气量等。一般 残糖量可通过控制氮源的补加量来控制；pH值可通过控制 补加的葡萄糖量、酸或碱量来调节；通过控制搅拌转速、 通气量来调节供氧量及液相中的氧含量；至于发酵温度一 般可通过调整冷却介质量来加以调节。还要加入消泡剂 （如豆油、玉米油或环氧乙烯聚醚类）以控制泡沫。 在发酵期间为检测生产是否染菌，每隔一定时间应取 样进行分析、镜检及无菌试验，检测生产状况，分析或控 制相关参数。