青霉素生产工艺
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丰胸乳液，生产规模非常大.通过数十年的完善,青霉素针剂和口服青霉素已能分别肺炎、、脑膜炎、心内膜炎、白喉、等病，增强了人类传染性疾病的能力.研究和优化其生产工艺对人类健康有重要意义。 关键词：青霉素;生产工艺
抗生素在目前的制药工业中仍占有举足轻重的地位，尤其是下游半合成抗生素的发展，进一步刺激了上游的工业发酵。一些抗生素的工业生产规模非常大,如β-内酰胺类的青霉素、头孢菌素C,大环内酯类的红霉素、利福霉素,氨基环醇类的链霉素、庆大霉素。其它的一些抗生素,如林可霉素、四环素、金霉素、万古霉素等，单个发酵罐容积越来越大，100 m3的发酵罐被普遍采用，200 m3甚至更大容积的发酵罐经常可见报道. 抗生素的工业生产包括发酵和提取两部分。工艺流程大致如下：
菌种的保藏、孢子制备、种子制备、发酵、提取和精制。种子和发酵培养基的常用碳源有：葡萄糖、淀粉、蔗糖、油脂、有机酸等，主要为菌体生长代谢提供能源，为合成菌体细胞和目的产物提供碳元素。有机氮源多用玉米浆、黄豆饼粉、麸质粉、蛋白胨、酵母粉、鱼粉等,硫酸铵、尿素、氨水、硝酸钠、硝酸铵则是常用的无机氮源。另外，培养基中还得添加无机盐、微量元素以及消沫剂，部分抗生素还得加入特殊前体，如青霉素的前体是，大环内酯类抗生素的前体是丙酸盐.发酵过程普遍补加一种碳源、氮源物质，如葡萄糖和硫酸铵。pH值通过流加氨水进行调节，很多抗生素在发酵中后期流加前体,对提高产量非常有益。抗生素发酵绝大多数为好氧培养,必须连续通入大量无菌空气，全过程大功率搅拌。发酵液的预处理，一般加絮凝剂沉淀蛋白，过滤去除菌丝体,发酵滤液的提取常用溶媒萃取法、离子交换树脂法、沉淀法、吸附法等提纯浓缩,然后结晶干燥得纯品。 一、青霉素的发酵工艺过程
青霉素生产流程：
发酵工艺过程
(1)生产孢子的制备
将砂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.每批孢子必需进行严格摇瓶试验,测定效价及杂菌情况。
（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。通无菌空气，空气流量1：3(体积比）；充分搅拌300－350r/min；40～50小时；pH自然,温度27±1℃。
二级发酵罐：繁殖罐。大量繁殖。玉米浆、葡萄糖等.1:1－1。5；250－280r/min；pH自然,25±1℃刘保善;0－14h。
三级发酵罐: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，苯乙酰胺及消泡剂，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;要求高功率搅拌，100 m3的发酵罐搅拌功率在200~300 Kw,罐压控制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,后6。3~6。6;前60h为26℃，以后24℃。 发酵过程控制
反复分批式发酵,100m3发酵罐，装料80m3,带放6－10次,间隔24h。带放量10%，发酵时间204h。发酵过程需连续流加补入葡萄糖、硫酸铵以及前体物质盐，补糖率是最关键的控制指标，不同时期分段控制。
精密触发器
在青霉素的生产中,让培养基中的主要营养物只够维持青霉菌在前40h生长,而在40h后，靠低速连续补加葡萄糖和氮源等，使菌半饥饿，延长青霉素的合成期，大大提高了产量.所需营养物限量的补加常用来控制营养缺陷型突变菌种，使代谢产物积累到最大.
（1) 培养基
青霉素发酵中采用补料分批操作法，对葡萄糖、铵、进行缓慢流加，维持一定的最适浓度.葡萄糖的流加，波动范围较窄，浓度过低使抗生素合成速度减慢或停止,过高则导致呼吸活性下降，甚至引起自溶，葡萄糖浓度调节是根据pH，溶氧或CO2释放率予以调节。
碳源的选择:生产菌能利用多种碳源，乳糖，蔗糖,葡萄糖，阿拉伯糖，甘露糖,淀粉和天然油脂。经济核算问题，生产成本中碳源占12％以上，对工艺影响很大;糖与6—APA结合形成糖基—6—APA，影响青霉素的产量.葡萄糖、乳糖结合能力强,而且随时间延长而增加.通常采用葡萄糖和乳糖。发酵初期，利用快效的葡萄糖进行菌丝生长.当葡萄糖耗竭后，利用缓效的乳糖，使pH稳定，分泌青霉素.可根据形态变化,滴加葡萄糖，取代乳糖。目前普遍采用淀粉的酶水解产物，葡萄糖化液流加。降低成本.
氮源：玉米浆是最好的，是玉米淀粉生产时的副产品,含有多种氨基酸及其前体和衍
生物。玉米浆质量不稳定，可用花生饼粉或棉籽饼粉取代。补加无机氮源。
无机盐：硫、磷、镁、钾等。铁有毒，控制在30µg/ml以下.
流加控制：补糖，根据残糖、pH、尾气中CO2和O2含量.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，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。也具有刺激青霉素合成作用。但浓度大于0.19％时对细胞和合成有毒性.还能被细胞氧化.策略是流加低浓度前体，一次加入量低于0.1％，保持供应速率略大于生物合成的需要。
(2）温度
一生长适宜温度30℃，分泌青霉素温度20℃ca3780。但20℃青霉素破坏少，周期很长。生产中采用变温控制,不同阶段不同温度.前期控制25－26℃左右，后期降温控制23℃。过高则会降低发酵产率,增加葡萄糖的维持消耗,降低葡萄糖至青霉素的转化得率。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.
（3）pH
合成的适宜pH6。4－6。6左右，避免超过7.0，青霉素在碱性条件下不稳定，易水解。缓冲能力弱的培养基，pH降低，意味着加糖率过高造成酸性中间产物积累。pH上升，加糖率过低不足以中和蛋白产生的氨或其他生理碱性物质.前期pH控制在5。7~6。3，中后期pH控制6。3～6。6，通过补加氨水进行调节。pH较低时，加入CaCO3、通氨调节或提高通气量.pH上升时,加糖或天然油脂。一般直接加酸或碱自动控制,流加葡萄糖控制。
（4）溶氧
溶氧＜30％饱和度，产率急剧下降，低于10％,则造成不可逆的损害。所以不能低于30％饱和溶氧浓度。通气比一般为1：0。8VVM.溶氧过高，菌丝生长不良或加糖率过低,呼吸强度下降，影响生产能力的发挥.适宜的搅拌速度，保证气液混合，提高溶氧,根据各阶段的生长和耗氧量不同，对搅拌转速调整。
（5）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，OU
R＞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.另外，因补入物料较多，在发酵中后期一般每天带放一次，每次放掉总发酵液的10％左右。
有丝状生长和球状生长两种.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，比生产率高,发酵粘度低,气/液两相中氧的传递率提高，允许更多菌丝生长。球状菌丝形态的控制,与碳、氮源的流加状况，搅拌的剪切强度及稀释度相关。
（6)消沫
发酵过程泡沫较多，需补入消沫剂。天然油脂：玉米油；化学消沫剂:泡敌.少量多次.不适在前期多加入,影响呼吸代谢。
青霉素的发酵过程控制十分精细，一般2 h取样一次,测定发酵液的pH、菌浓、残糖、残氮、浓度、青霉素效价等指标，同时取样做无菌检查，发现染菌立即结束发酵，视情况放过滤提取，因为染菌后pH值波动大,青霉素在几个小时内就会被全部破坏。
相关设备
信号调理模块
（1)搅拌通风式发酵罐
械搅拌发酵罐是密闭式受压设备,主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、打泡器、中间轴承、空气吹管(或空气喷射管)，挡板、冷却装置、人孔等。
(2)冷却结晶器
冷却结晶器是一种通过热量交换使浓缩液冷却，浓缩液达到过饱和状态，在热交换面处产生结晶体，通过转子的刮板连续不断地把热交换面处的结晶体剷刮下,并在热交换面处产生新结晶体，浓缩液不断地从进料段输入,经过冷却结晶段，剷刮下结晶体连同浓缩液从出料段输出，经过过滤机后，实现固液分离，母液重新从从进料段输入，而完成连续冷却结晶的过程。 冷却介质常用乙烯、氟里昂等碳氢化合物惰性液体。 直接冷却结晶器有釜状、回转式、湿壁塔式等多种。
（3）消泡装置:
采用消泡剂罐加注消泡剂或机械消泡装置。机械消泡装置一类为内置，它是在搅拌轴或罐顶另外引入的轴（指搅拌轴由罐底伸入时）上装上消沫桨。另一类置于罐外，目的是从排
气中分离已溢出的泡沫使之破碎后将液体部分返回罐内.
二、青霉素的提炼工艺过程
青霉素提纯工艺流程简图：
青霉素不稳定,发酵液预处理、提取和精制过程要条件温和、快速，防止降解.
1.预处理
热敏打印机芯
发酵液结束后，目标产物存在于发酵液中，而且浓度较低，如抗生素只有10－30Kg/m3，含有大量杂质,它们影响后续工艺的有效提取,因此必须对其进行的预处理，目的在于浓缩目的产物，去除大部分杂质，改变发酵液的流变学特征，利于后续的分离纯化过程。是进行分离纯化的一个工序.
2。过滤
发酵液在萃取之前需预处理,发酵液加少量絮凝剂沉淀蛋白，然后经真空转鼓过滤或板框过滤，除掉菌丝体及部分蛋白.青霉素易降解，发酵液及滤液应冷至10 ℃以下,过滤收率一般90％左右。
（1）菌丝体粗长10µm，采用鼓式真空过滤机过滤，滤渣形成紧密饼状,容易从滤布上刮下。滤液pH6.27—7.2，蛋白质含量0。05—0.2％。需要进一步除去蛋白质。
(2）改善过滤和除去蛋白质的措施:硫酸调节pH4。5—5.0,加入0。07%溴代十五烷吡啶PPB，0.7％硅藻土为助滤剂.再通过板框式过滤机.滤液澄清透明，进行萃取。
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