浅谈现代青霉素生产工艺

摘要：青霉素是一种常用的抗生素,本文以青霉素发酵生产为主线,简单论述了从种子的制备到扩大生产至发酵罐这一流程,说明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。

关键词：青霉素 灭菌 生产流程 过程控制

抗生素以前被称为抗菌素,是由微生物或高等动植物在生活过程中所产生的具有抗病原体或其它活性的一类次级代谢产物, 它可以是某些微生物生长繁殖过程中产生的一种物质,除用于治病的抗生素由此直接提取外,还有完全用人工合成或部分人工合成的。在众多抗生素类群中,青霉素以疗效高、毒副作用小成为人类治疗疾病的首选。

1、青霉素的概述

1928年英国细菌学家弗莱明首先发现了世界上第一种抗生素—青霉素,1941年前后英国病理学家霍华德·弗洛里与生物化学家钱恩实现了对青霉素的分离与纯化,为今后青霉素的大量使用提供了技术支持。青霉素是从青霉菌培养液中提制的,青霉素分子中含有青霉烷,能破坏细菌的细胞壁并在细菌细胞的繁殖期起杀菌作用,是第一种能够治疗人类疾病的抗生素。青霉素用于临床是四十年代初,人们对青霉素进行大量研究后又发现一些青霉素,人们对青霉素进行化学改造,得到了一些有效的半合成青霉素。根据青霉素菌种的不同,生产能力也有所不同,目前青霉素的生产能力可达66000－80000U/ml。

2、青霉素发酵生产工艺过程

2.1 青霉素生产流程

原料培养基配制蒸汽灭菌一级种子罐米孢子斜面母瓶青霉素菌种

原料培养基配制蒸汽灭菌二级种子罐

原料培养基配制蒸汽灭菌 发酵罐 发酵液

带放罐 发酵液

2.2 发酵工艺过程

2.2.1 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

青霉素采用三级发酵。一级种子发酵:发芽罐接入小米孢子后,孢子萌发,形成菌丝。充分搅拌250－280r/min;pH自然,温度25±1℃。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;搅拌转速150－200r/min;要求高功率搅拌。

2.2.3 培养基的灭菌

在青霉素生产中一般发酵培养基灭菌方式有连续灭菌和实罐灭菌两种。连续灭菌是将配好的培养基用泵打入连消塔,通过高温蒸汽直接接触灭菌,在进入维持罐维持5分钟左右,然后进入冷却器进行冷却后进入发酵罐。在实际生产中实罐灭菌也是比较常用的方法,它是将配制好的培养基用泵打入发酵罐,通入饱和蒸汽加热,达到灭菌温度（121℃）后,保温灭菌约30分钟,灭菌完毕通入无菌空气维持罐压,然后由内蛇管和外盘管通入冷却水,冷却到接种温度,保压待移种。

2.3 发酵生产过程控制

2.3.1 培养基的组成和补料控制

青霉素发酵中采用补料分批操作法,对葡萄糖、铵、苯乙酸进行缓慢流加,维持一定的最适浓度。

碳源:通常采用葡萄糖和乳糖。

氮源:玉米浆是最好的。

无机盐:硫、磷、镁、钾等。铁有毒,控制在30ug/ml以下。

流加控制:补糖,残糖在0.6％左右,pH开始升高时加糖。

补氮:流加酸酸铵、氨水、尿素,控制氨基氮0.05%。

添加前体:合成阶段,苯乙酸及其衍生物,苯乙酰胺、苯乙胺、苯乙酰甘氨酸等均可为青霉素侧链的前体,直接掺入青霉素分子中,但浓度大于0.19％时对细胞有毒性。策略是流加低浓度前体,一次加入量低于0.1%。

2.3.2 温度

前期控制在25－26℃左右,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,生产阶段适当降低温度,以利于青霉素合成。

2.3.3 PH

控制发酵液的PH是很重要的。青霉素发酵也只有在合理的PH和溶氧下,生产和发酵才会达到最高效率,前期pH控制在5.7～6.3,中后期pH控制在6.3～6.6,通过补加氨水进行调节。

2.3.4 溶氧

青霉素发酵属于好氧发酵。从葡萄糖的氧化的需氧量来看,1mol的葡萄糖彻底氧化分解需6mol的氧,所以不能低于30％饱和溶氧浓度。通气比一般为1:0.8VVM。在罐的夹层或蛇管中需通冷却水以维持一定的罐温,在整个发酵过程中,需不断通入无菌空气并不停地搅拌,以维持一定的罐压或溶氧。

2.4 菌丝生长速度与形态、浓度

对于每个有固定通气和搅拌条件的发酵罐内进行的特定好氧过程,都有一个使氧传递速率（OTR）和氧消耗率（OUR）,在某一溶氧水平上达到平衡的临界菌丝浓,超过此浓度,OUR＞OTR,溶氧水平下降,发酵产率下降。在发酵稳定期,湿菌浓可达15～20%,丝状菌干重约3%,球状菌干重在5%左右。

2.5 消沫

青霉素发酵过程中,由于通气搅拌、微生物的代谢过程及培养基中某些成分的分解等都有泡沫产生,过多的持久性泡沫对发酵是不利的,必须补入消沫剂。通常用的有两种,一种是天然油脂:玉米油;一种是化学消沫剂:泡敌。需少量多次滴加。在前期不适多加入,以免影响呼吸代谢。

2.6 取样

青霉素的发酵过程控制十分精细,一般2h取样一次,测定发酵液的pH、菌浓、残糖、残氮、苯乙酸浓度、青霉素效价等指标,同时取样做无菌检查。

截至2011年年底,我国的青霉素年产量已占世界青霉素年总产量的75%,居世界首位。随着对青霉素发酵过程和代谢途径研究的不断深入,一定能够找到适当的方法来解决青霉素合成过程中的阻遏因素,从而大幅提高青霉素的产量。

参考文献

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