青霉素生产工艺

青霉素的生产工艺

摘要：青霉素是人类最早发现的抗生素，也是一种重要的抗生素，在目前制药工业中有着极其重要的地位。其杀伤革兰氏阳性菌的功效几乎人人都领教过。通过多年的研究与完善，青霉素相关药品已能用于治疗肺炎、脑膜炎、心内膜炎等病，它不仅增强了人类治疗传染性疾病的能力，而且对研究药物学和优化生产工艺对人类的健康有重要意义。

关键词：青霉素提取生产

1 青霉素概述

青霉素（Benzylpenicillin / Penicillin）又被称为青霉素G、peillin G、盘尼西林、配尼西林、青霉素钠、苄青霉素钠、青霉素钾、苄青霉素钾。青霉素是抗菌素的一种，是指从青霉菌培养液中提制的分子中含有青霉烷、能破坏细菌的细胞壁并在细菌细胞的繁殖期起杀菌作用的一类抗生素，是第一种能够治疗人类疾病的抗生素。青霉素类抗生素是β-内酰胺类中一大类抗生素的总称。青霉素是一个典型的利用生物工程技术生产的产品，生产工艺涉及配料、发酵、过滤、提取、结晶、干燥等重要的单元操作。

1.1 青霉素简介

1.1.1 名称与化学结构式

中文名：青霉素

英文名：Benzylpenicillin / Penicillin

化学名：1-乙氧甲酰乙氧6-〔D(-)-2-氨基-2-乙酰氨基〕青霉烷酸盐酸盐

分子式：C16H18N3O4S?HCl

分子量：384.5

1.1.2 性状与理化性质

青霉素为白色结晶性粉末、无臭，有吸湿性，易溶于水、水溶液易失效，不耐热。对革兰氏阳性菌作用强，对阴性菌作用弱，对真菌无作用

2 青霉素生产工艺

2.1 青霉素生产工艺流程概述

青霉素生产工艺主要分为：发酵、过滤、萃取、脱色、结晶。其生产工艺流程，如图2.1：

冷冻干燥孢子琼脂斜面米孢子种子罐发酵罐过滤醋酸丁酯提取脱水脱色结晶洗涤晶体工业盐菌丝综合利用

图2.1青霉素的生产工艺流程简图

2.2 发酵工艺流程

2.2.1 生产孢子的制备

将沙土保藏的孢子用甘油、葡萄糖、蛋白胨组成的培养基进行斜面培养，经传代活化。最适生长温度在25~26℃培养6~8天，得单菌落，再传斜面，培养7天，得斜面孢子。移植到优质小米或大米固体培养基上，生长7天，25℃，制得小米孢子。

2.2.2 种子罐和发酵罐培养工艺

种子培养要求产生大量健壮的菌丝体，因此，培养基应加入比较丰富的易利用的碳源和有机碳源。青霉素采用三级发酵：

一级种子发酵：发芽罐，小罐，接入小米孢子后孢子萌发，形成菌丝。培养基成分:葡萄糖，蔗糖，乳糖，玉米浆，碳酸钙，玉米油，消沫剂等。通入无菌空气，空气流量是1:3（体积比）；充分搅拌300-500r/min；40~50小时；pH自然，温度27

二级发酵罐发酵：繁殖罐大量繁殖。玉米浆、葡萄糖等。1:1-1.5；250-280r/min；pH自然，0-14h。

三级发酵罐发酵：生产罐。花生饼粉（高温），麸质粉，玉米浆、葡萄糖，尿素，硫酸铵，硫酸钠、硫代硫酸钠，磷酸二氢钠，苯乙酸铵及消泡剂，CaCO3等。接种量为12~15%。青霉素的发酵对溶氧要求极高，通气量偏大，通气比控制0.7~1.8；150-200r/min；要求高效率搅拌100m3的发酵罐搅拌功率在200~300Kw，罐压控制在0.04~0.05 Mpa，于25~26℃下培养，发酵周期在200h左右。前60h，pH5.7~6.3，温度为26°C。后6.3~6.6；温度为24℃。

2.3 发酵过程中的工艺控制

2.3.1 影响因素

2.3.1.1 温度

青霉素发酵的最适温度随所用菌株的不同可能稍有差别 , 但一般认为应在25 ℃左右。温度过高将明显降低发酵产率 , 同时增加葡萄糖的维持消耗 , 降低葡萄糖至青霉素的转化率。对菌丝生长和青霉素合成来说 , 最适温度不是一样的, 一般前者略高于后者, 故有的发酵过程在菌丝生长阶段采用较高的温度，以缩短生长时间, 到达生产阶段后便适当降低温度 , 以利于青霉素的合成。

2.3.1.2 pH

青霉素发酵的最适 pH 值一般认为在 6. 5 左右 , 有时也可以略高或略低一些 , 但应尽量避免 pH 值超过7.0, 因为青霉素在碱性条件下不稳定, 容易加速其水解。在缓冲能力较弱的培养基中, pH 值的变化是葡萄糖流加速度高低的反映。过高的流加速率造成酸性中间产物的积累使 pH 值降低；过低的加糖速率不足以中和蛋白质代谢产生的氨或其他生理碱性物质代谢产生的碱性化合物而引起 pH 值上升。

2.3.1.3 溶氧

对于好氧的青霉素发酵来说 , 溶氧浓度是影响发酵过程的一个重要因素。当溶氧浓度降到 30% 饱和度以下时, 青霉素产率急剧下降, 低于 10% 饱和度时, 则造成不可逆的损害。溶氧浓度过高 , 说明菌丝生长不良或加糖率过低, 造成呼吸强度下降, 同样影响生产能力的发挥。溶氧浓度是氧传递和氧消耗的一个动态平衡点, 而氧消耗与碳能源消耗成正比, 故溶氧浓度也可作为葡萄糖流加控制的一个参考指标。

2.3.1.4 基质浓度

在分批发酵中，常常因为前期基质量浓度过高，对生物合成酶系产生阻遏（或抑制）或对菌丝生长产生抑制（如葡萄糖和钱的阻遏或抑制 , 苯乙酸的生长抑制）, 而后期基质浓度低限制了菌丝生长和产物合成 , 为了避免这一现象 , 在青霉素发酵中通常采用补料分批操作法 , 即对容易产生阻遏、抑制和限制作用的基质进行缓慢流加以维持一定的最适浓度。这里必须特别注意的是葡萄糖的流加 , 因为即使是超出最适浓度范围较小的波动 , 都将引起严重的阻遏或限制 , 使生物合

成速度减慢或停止。目前 , 糖浓度的检测尚难在线进行 , 故葡萄糖的流加不是依据糖浓度控制 , 而是间接根据pH 值、溶氧或 C02 释放率予以调节。

2.3.1.5 菌丝浓度

发酵过程中必须控制菌丝浓度不超过临界菌体浓度, 从而使氧传递速率与氧消耗速率在某一溶氧水平上达到平衡。青霉素发酵的临界菌体浓度随菌株的呼吸强度 (取决于维持因数的大小, 维持因数越大,呼吸强度越高) 、发酵通气与搅拌能力及发酵的流变学性质而异。呼吸强度低的菌株降低发酵中氧的消耗速率，而通气与搅拌能力强的发酵罐及黏低的发酵液使发酵中的传氧速率上升, 从而提高临界菌体浓度。

2.3.1.6 菌丝生长速度

用恒化器进行的发酵试验证明，在葡萄糖限制生长的条件下，青霉素比生产速率与产生菌菌丝的比生长速率之间呈一定关系。当比生长速率低于0.015h-1时，比生产速率与比生长速率成正比, 当比生长速率高于 O. 015h-1时, 比生产速率与比生长速率无关 D 因此, 要在发酵过程中达到并维持最大比生产速率, 必须使比生长速率不低0.015h-1 。这一比生长速率称为临界比生长速率。对于分批补料发酵的生产阶段来说, 维持0.015h斗的临界比生长速率意味着每 46h 就要使菌丝浓度或发酵液体积加倍, 这在实际工业生产中是很难实现的。事实上 , 青霉素工业发酵生产阶段控制的比生长速率要比这一理论临界值低得多, 却仍然能达到很高的比生产速率。这是由于工业上采用的补料分批发酵过程不断有部分菌丝自溶, 抵消了一部分生长, 故虽然表观比生长速率低, 但真比生长速率却要高一些。

2.3.1.7 菌丝形态

长期的菌株改良中 , 青霉素产生菌在沉没培养中分化为主要呈丝状生长和结球生长两种形态。前者由于所有菌丝体都能充分和发酵液中的基质及氧接触, 故一般比生产速率较高；后者则由于发酵液黏度显著降低, 使气-液两相间氧的传递速率大大提高, 从而允许更多的菌丝生长 (即临界菌体浓度较高), 发酵罐体积产率甚至高于前者。在丝状菌发酵中, 控制菌丝形态使其保持适当的分支和长度, 并避免结球 , 是获得高产的关键要素之一。而在球状菌发酵中, 使菌丝球保持适当大小和松紧 , 并尽量减少游离菌丝的含量, 也是充分发挥其生产能力