浅谈青霉素的发酵工艺

山西药科职业学院-制药工程系-2013届毕业生论文2013届毕业生论文

浅谈青霉素的发酵工艺

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二〇一三年六月

目录

1 青霉素的发酵工艺 (2)

1.1 工艺流程 (2)

1.1.1 丝状菌三级发酵工艺流程 (2)

1.1.2 球状菌二级发酵工艺流程 (2)

2 青霉素发酵过程 (2)

2.1 生产孢子的制备 (2)

2.2 种子罐和发酵罐培养工艺 (3)

3 青霉素发酵控制 (3)

4 青霉素发酵过程的特点 (3)

5 青霉素发酵过程的生产方式 (4)

6 青霉素发酵过程的优化控制问题 (4)

7 总结 (4)

浅谈青霉素的发酵工艺

娟

摘要：青霉素是一种重要的抗生素，在目前的制药工业中占有举足轻重的地位，

本文以青霉素发酵生产线，简单论述了从种子的制备到扩大生产至发酵罐这一流

程，指出了青霉素发酵生产中各工艺点的控制，以及培养基的灭菌工艺，研究和优

化其生产工艺对人类健康有重要意义，同时也为国内青霉素工业生产的技术进步做

出来贡献。

关键词：青霉素发酵工艺优化控制

青霉素是抗生素的一种，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其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。它是生产量最大、应用最广泛的抗生素，其中抗菌作用强、疗效高、毒性低等优点，是治疗敏感性细菌感染的首选药物。

1 青霉素的发酵工艺

1.1 工艺流程

1.1.1 丝状菌三级发酵工艺流程

冷冻管（25℃，孢子培养，7天）→斜面母瓶（25℃，孢子培养，7天）→大米孢子（26℃，种子培养56h,1:1.5vvm）→一级种子培养液（27℃，种子培养，24h,1:1.5vvm）→二级种子培养液（27-26℃,发酵,7天,1:0.95vvm）→发酵液

1.1.2 球状菌二级发酵工艺流程

冷冻管（25℃，孢子培养，6-8天）→亲米（25℃，孢子培养，8-10天）→生产米（28℃，孢子培养，56-60h,1:1.5vvm）→种子培养液（26-24℃，发酵，7天，1:0.8vvm）→发酵液

2 青霉素发酵过程

2.1 生产孢子的制备

将砂土保藏的菌种孢子用甘油、葡萄糖、蛋白胨组成的培养基进行斜面培养，经传代优化。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。每批孢子必须进行严格摇瓶试验，测定效价及杂菌情况。

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氮源。青霉素采用三级发酵。一级种子发酵;发酵罐，接入小米孢子后，孢子萌发，形成菌丝。空气流量1:1-1:5 充分搅拌250-280r/min；pH自然，25℃；0-14h。三级发酵罐:生产罐。培养基成分：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、苯乙酰胺及消泡剂、碳酸钙等。接种量为12％-15％。青霉素的发酵对溶氧量要求极高，通气量偏大，通气比控制0.7-1.8；搅拌转速150-200 r/min；要求高功率搅拌。

3 青霉素发酵控制

青霉素生产菌在合适的培养基，pH、温度和通气搅拌等发酵条件下进行生长并合成青霉素。发酵开始前，有关设备和培养基（主要是碳源、氮源、前体和无机盐等）必须经过灭菌，后接入种子。在整个过程中，需要不断通气和搅拌，维持一定的罐温和罐压，在发酵过程中往往要加入消泡剂，假如酸碱控制发酵液的pH，还需要间歇或连续的假如葡萄糖及铵盐等化合物以补充碳源及氮源，或补进其他料液和前体等以促进青霉素的生产。

4 青霉素发酵过程的特点

青霉素发酵过程中，糖液是一种重要的营养物质，补糖量的多少对菌丝代谢有着很大的影响。如加糖率偏低，将使菌丝的生长速率过低，从而使发酵液中缺乏足够数量的有活力的菌丝，影响分泌青霉素。如果加糖率偏高，则使发酵向合成菌丝的方向发展，发酵液变得黏稠，菌丝量过高，发酵液的溶解氧很快下降，同时发酵液中残糖过高会产生碳源降解物，从而对分泌青霉素产生限制。目前，青霉素的生产中，糖液的流加量是依据一条固定的加糖率曲线来执行的。此曲线是经过中试得出，再放大到更大生产规模而得来的，而且通过离线优化分析和发酵过程工艺摸索，使得这条曲线不断得到修正且处于以个次优然为。然而在各批发酵过程中，由于基础料来源的差异和各批菌种的特性受种子箱培养情况的影响而不同，同样按照一条固定的加糖率曲线来补糖，有的可能获得高产，有的却不能令人满意。如何针对菌丝的代谢情况调整加糖率，成为青霉素发酵过程控制中的以个重要问题。尾气二氧化碳释放率（CER是反应菌丝代谢旺盛程度的重要标志）曹竹安等人建立了CER和耗糖量的相关方程，从而决定糖液流加的速率。补糖控制还必须考虑到pH值和溶解氧（DO）的限制。

5 青霉素发酵过程的生产方式

青霉素发酵过程的生产方法分别是连续方式、批操作方式和间歇补料批处理方式。间歇补料批处理方式是目前我国青霉素生产最主要的生产方式，它在发酵开始时一次加入基础料，在发酵过程中不断流加营养物质，发酵终止时一次移走产物。在青霉素分批发酵过程中，分泌期产生的青霉素约占总量的70％-80％左右。可见提高青霉素产量的关键是缩短菌体生长期、延长青霉素分泌期并保持青霉素生产的最大增长率。因此，我们不仅要按照产生菌的生理特性选择合适的发酵条件，而且必须根据发酵过程中的代谢变化对培养基和发酵条件进行控制，是菌体生长迅速不易衰老，且能保持青霉素的最大生产率。机制产生菌代谢的物质基础，控制机制的种类和数量是补料控制的手段，其中最主要的是碳源的控制。在青霉素发酵过程中主要采取流加糖葡萄糖的方法控制碳源。补糖数量应该使发酵液中的糖含量能维持菌体的正常生理代谢，又能防止青霉素生产能力的衰退。在实际生产中，对补料的控制是以固定补料浓度的补料速率作为控制手段。因此，在优化工作中一般也是以补料速率作为控制变量，即间歇补料过程的补料优化问题是：以补料速率作为控制变量，求取最优补料轨线，是的发酵终止时青霉素浓度最高。

6 青霉素发酵过程的优化控制问题

目前，青霉素是世界各国需求量最大的抗生素，主要是通过微生物发酵法进行生产。高成本和高耗能是其的生产的特征，生产成本中，发酵部分占80%以上，没生产1吨青霉素，至少要消耗10吨葡萄糖，其中70%主要用于维持。青霉素发酵过程的控制是对生产菌的环境条件和代谢变化参数测量的基础上，结合代谢调控的基础理论进行，使产生菌的代谢变化沿着最佳的轨迹进行，以较低的能量和物料消耗生产更多的青霉素。因此，为了提高青霉素的产量降低生产成本，对青霉素发酵过程进行优化控制就显得格外重要。为了对青霉素发酵过程进行优化控制，提高产物产率，研究人员进行了大量的研究并取得了很好的效果。与青霉素生产初期相比，青霉素发酵的效价提高了1000多倍，平均生产率提高了40多倍，成本下降了90% 。但由于青霉素是微生物的次级代谢产物，微生物发酵的生化反应过程机理复杂，表现出的动态行为复杂多变，是的目前的各种研究就仍存在很大的局限性。近年来，过程优化控制方法得到了较快的发展，其在各个生产领域的应用也越来越广泛。

7 总结

迄今为止，人们对青霉素合成的了解还十分肤浅，大部分机理仍还无法阐述