青霉素生產工藝摘要：青霉素是一種重要的抗生素，在目前的制藥工業中占有舉足輕重的地位，生產規模非常大。通過數十年的完善，青霉素針劑和口服青霉素已能分別治療肺炎、肺結核、腦膜炎、心內膜炎、白喉、炭疽等病，增強了人類治療傳染性疾病的能力。研究和優化其生產工藝對人類健康有重要意義。關鍵詞:青霉素；生產工藝抗生素在目前的制藥工業中仍占有舉足輕重的地位，尤其是下游半合成抗生素的發展，進一步刺激了上游的工業發酵。一些抗生素的工業生產規模非常大，如β-內酰胺類的青霉素、頭孢菌素C，大環內酯類的紅霉素、利福霉素，氨基環醇類的鏈霉素、慶大霉素。其它的一些抗生素，如林可霉素、四環素、金霉素、萬古霉素等，單個發酵罐容積越來越大，100m3的發酵罐被普遍采用，200m3甚至更大容積的發酵罐經常可見報道。抗生素的工業生產包括發酵和提取兩部分。工藝流程大致如下：菌種的保藏、孢子制備、種子制備、發酵、提取和精制。種子和發酵培養基的常用碳源有：葡萄糖、淀粉、蔗糖、油脂、有機酸等，主要為菌體生長代謝提供能源，為合成菌體細胞和目的產物提供碳元素。有機氮源多用玉米漿、黃豆餅粉、麩質粉、蛋白胨、酵母粉、魚粉等，硫酸銨、尿素、氨水、硝酸鈉、硝酸銨則是常用的無機氮源。另外，培養基中還得添加無機鹽、微量元素以及消沫劑，部分抗生素還得加入特殊前體，如青霉素的前體是苯乙酸，大環內酯類抗生素的前體是丙酸鹽。發酵過程普遍補加一種碳源、氮源物質，如葡萄糖和硫酸銨。pH值通過流加氨水進行調節，很多抗生素在發酵中后期流加前體，對提高產量非常有益。抗生素發酵絕大多數為好氧培養，必須連續通入大量無菌空氣，全過程大功率攪拌。發酵液的預處理，一般加絮凝劑沉淀蛋白，過濾去除菌絲體，發酵濾液的提取常用溶媒萃取法、離子交換樹脂法、沉淀法、吸附法等提純濃縮，然后結晶干燥得純品。一、青霉素的發酵工藝過程青霉素生產流程：發酵工藝過程（1）生產孢子的制備將砂土保藏的孢子用甘油、葡萄糖、蛋白胨組成的培養基進行斜面培養，經傳代活化。最適生長溫度在25~26℃，培養6~8天，得單菌落，再傳斜面，培養7天，得斜面孢子。移植到優質小米或大米固體培養基上，生長7天，25℃，制得小米孢子。每批孢子必需進行嚴格搖瓶試驗，測定效價及雜菌情況。（2）種子罐和發酵罐培養工藝種子培養要求產生大量健壯的菌絲體，因此，培養基應加入比較豐富的易利用的碳源和有機氮源。青霉素采用三級發酵一級種子發酵：發芽罐.小罐，接入小米孢子后，孢子萌發，形成菌絲。培養基成分：葡萄糖，蔗糖，乳糖，玉米漿，碳酸鈣，玉米油，消沫劑等。通無菌空氣，空氣流量1：3（體積比）；充分攪拌300－350r/min；40~50小時；pH自然，溫度27±1℃。二級發酵罐：繁殖罐.大量繁殖。玉米漿、葡萄糖等。1：1－；250－280r/min；pH自然，25±1℃；0－14h。三級發酵罐：生產罐。花生餅粉（高溫），麩質粉、玉米漿、葡萄糖，尿素，硫酸銨，硫酸鈉、硫代硫酸鈉，磷酸二氫鈉，苯乙酰胺及消泡劑，CaCO3等。接種量為12~15%。青霉素的發酵對溶氧要求極高，通氣量偏大，通氣比控制~；150－200r/min；要求高功率攪拌，100m3的發酵罐攪拌功率在200~300Kw，罐壓控制~MPa，于25~26℃下培養，發酵周期在200h左右。前60h，~，后~；前60h為26℃，以后24℃。發酵過程控制反復分批式發酵，100m3發酵罐，裝料80m3，帶放6－10次，間隔24h。帶放量10％，發酵時間204h。發酵過程需連續流加補入葡萄糖、硫酸銨以及前體物質苯乙酸鹽，補糖率是最關鍵的控制指標，不同時期分段控制。在青霉素的生產中，讓培養基中的主要營養物只夠維持青霉菌在前40h生長，而在40h后，靠低速連續補加葡萄糖和氮源等，使菌半饑餓，延長青霉素的合成期，大大提高了產量。所需營養物限量的補加常用來控制營養缺陷型突變菌種，使代謝產物積累到最大。（1）培養基青霉素發酵中采用補料分批操作法，對葡萄糖、銨、苯乙酸進行緩慢流加，維持一定的最適濃度。葡萄糖的流加，波動范圍較窄，濃度過低使抗生素合成速度減慢或停止，過高則導致呼吸活性下降，甚至引起自溶，葡萄糖濃度調節是根據pH，溶氧或CO2釋放率予以調節。碳源的選擇：生產菌能利用多種碳源，乳糖，蔗糖，葡萄糖，阿拉伯糖，甘露糖，淀粉和天然油脂。經濟核算問題，生產成本中碳源占12％以上，對工藝影響很大；糖與6-APA結合形成糖基-6-APA，影響青霉素的產量。葡萄糖、乳糖結合能力強，而且隨時間延長而增加。通常采用葡萄糖和乳糖。發酵初期，利用快效的葡萄糖進行菌絲生長。當葡萄糖耗竭后，利用緩效的乳糖，使pH穩定，分泌青霉素。可根據形態變化，滴加葡萄糖，取代乳糖。目前普遍采用淀粉的酶水解產物，葡萄糖化液流加。降低成本。氮源：玉米漿是最好的，是玉米淀粉生產時的副產品，含有多種氨基酸及其前體苯乙酸和衍生物。玉米漿質量不穩定，可用花生餅粉或棉籽餅粉取代。補加無機氮源。無機鹽：硫、磷、鎂、鉀等。鐵有毒，控制在30μg/ml以下。流加控制：補糖，根據殘糖、pH、尾氣中CO2和O2含量。殘糖在％左右，pH開始升高時加糖。補氮：流加酸酸銨、氨水、尿素，控制氨基氮%。添加前體：合成階段，苯乙酸及其衍生物，苯乙酰胺、苯乙胺、苯乙酰甘氨酸等均可為青霉素側鏈的前體，直接摻入青霉素分子中。也具有刺激青霉素合成作用。但濃度大于％時對細胞和合成有毒性。還能被細胞氧化。策略是流加低濃度前體，一次加入量低于%，保持供應速率略大于生物合成的需要。（2）溫度一生長適宜溫度30℃，分泌青霉素溫度20℃。但20℃青霉素破壞少，周期很長。生產中采用變溫控制，不同階段不同溫度。前期控制25－26℃左右，后期降溫控制23℃。過高則會降低發酵產率，增加葡萄糖的維持消耗，降低葡萄糖至青霉素的轉化得率。有的發酵過程在菌絲生長階段采用較高的溫度，以縮短生長時間，生產階段適當降低溫度，以利于青霉素合成。（3）pH合成的適宜－左右，避免超過，青霉素在堿性條件下不穩定，易水解。緩沖能力弱的培養基，pH降低，意味著加糖率過高造成酸性中間產物積累。pH上升，加糖率過低不足以中和蛋白產生的氨或其他生理堿性物質。前期pH控制在~，中后期pH控制~，通過補加氨水進行調節。pH較低時，加入CaCO3、通氨調節或提高通氣量。pH上升時，加糖或天然油脂。一般直接加酸或堿自動控制，流加葡萄糖控制。（4）溶氧溶氧＜30％飽和度，產率急劇下降，低于10％，則造成不可逆的損害。所以不能低于30％飽和溶氧濃度。通氣比一般為1：。溶氧過高，菌絲生長不良或加糖率過低，呼吸強度下降，影響生產能力的發揮。適宜的攪拌速度，保證氣液混合，提高溶氧，根據各階段的生長和耗氧量不同，對攪拌轉速調整。（5）菌絲生長速度與形態、濃度對于每個有固定通氣和攪拌條件的發酵罐內進行的特定好氧過程，都有一個使氧傳遞速率（OTR）和氧消耗率（OUR）在某一溶氧水平上達到平衡的臨界菌絲濃，超過此濃度，OUR＞OTR，溶氧水平下降，發酵產率下降。在發酵穩定期，濕菌濃可達15~20%，絲狀菌干重約3%，球狀菌干重在5%左右。另外，因補入物料較多，在發酵中后期一般每天帶放一次，每次放掉總發酵液的10%左右。有絲狀生長和球狀生長兩種。前者由于所有菌絲體都能充分和發酵液中的基質及氧接觸，比生產率高，發酵粘度低，氣/液兩相中氧的傳遞率提高，允許更多菌絲生長。球狀菌絲形態的控制，與碳、氮源的流加狀況，攪拌的剪切強度及稀釋度相關。（6）消沫發酵過程泡沫較多，需補入消沫劑。天然油脂：玉米油；化學消沫劑：泡敵。少量多次。不適在前期多加入，影響呼吸代謝。青霉素的發酵過程控制十分精細，一般2h取樣一次，測定發酵液的pH、菌濃、殘糖、殘氮、苯乙酸濃度、青霉素效價等指標，同時取樣做無菌檢查，發現染菌立即結束發酵，視情況放過濾提取，因為染菌后pH值波動大，青霉素在幾個小時內就會被全部破壞。相關設備（1）攪拌通風式發酵罐械攪拌發酵罐是密閉式受壓設備，主要部件包括罐身、攪拌器、軸封、打泡器、中間軸承、空氣吹管（或空氣噴射管），擋板、冷卻裝置、人孔等.（2）冷卻結晶器冷卻結晶器是一種通過熱量交換使濃縮液冷卻，濃縮液達到過飽和狀態，在熱交換面處產生結晶體，通過轉子的刮板連續不斷地把熱交換面處的結晶體鏟刮下，并在熱交換面處產生新結晶體，濃縮液不斷地從進料段輸入，經過冷卻結晶段，鏟刮下結晶體連同濃縮液從出料段輸出，經過過濾機后，實現固液分離，母液重新從從進料段輸入，而完成連續冷卻結晶的過程。冷卻介質常用乙烯、氟里昂等碳氫化合物惰性液體。直接冷卻結晶器有釜狀、回轉式、濕壁塔式等多種。(3)消泡裝置：采用消泡劑罐加注消泡劑或機械消泡裝置。機械消泡裝置一類為內置，它是在攪拌軸或罐頂另外引入的軸（指攪拌軸由罐底伸入時）上裝上消沫槳。另一類置于罐外，目的是從排氣中分離已溢出的泡沫使之破碎后將液體部分返回罐內。二、青霉素的提煉工藝過程青霉素提純工藝流程簡圖：青霉素不穩定，發酵液預處理、提取和精制過程要條件溫和、快速，防止降解。1.預處理發酵液結束后，目標產物存在于發酵液中，而且濃度較低，如抗生素只有10－30Kg/m3，含有大量雜質，它們影響后續工藝的有效提取，因此必須對其進行的預處理，目的在于濃縮目的產物，去除大部分雜質，改變發酵液的流變學特征，利于后續的分離純化過程。是進行分離純化的一個工序。2.過濾發酵液在萃取之前需預處理，發酵液加少量絮凝劑沉淀蛋白，然后經真空轉鼓過濾或板框過濾，除掉菌絲體及部分蛋白。青霉素易降解，發酵液及濾液應冷至10℃以下，過濾收率一般90%左右。（1）菌絲體粗長10μm，采用鼓式真空過濾機過濾，濾渣形成緊密餅狀，容易從濾布上刮下。濾液，蛋白質含量。需要進一步除去蛋白質。（2）改善過濾和除去蛋白質的措施：硫酸調節，加入%溴代十五烷吡啶PPB，%硅藻土為助濾劑。再通過板框式過濾機。濾液澄清透明，進行萃取。3.萃取青霉素的提取采用溶媒萃取法。青霉素游離酸易溶于有機溶劑，而青霉素鹽易溶于水。利用這一性質，在酸性條件下青霉素轉入有機溶媒中，調節pH，再轉入中性水相，反復幾次萃取，即可提純濃縮。選擇對青霉素分配系數高的有機溶劑。工業上通常用醋酸丁酯和戊酯。萃取2－3次。從發酵液萃取到乙酸丁酯時，pH選擇，從乙酸丁酯反萃到水相時，pH選擇。發酵濾液與乙酸丁酯的體積比為，即一次濃縮倍數為。為了避免pH波動，采用硫酸鹽、碳酸鹽緩沖液進行反萃。發酵液與溶劑比例為3－4。幾次萃取后，濃縮10倍，濃度幾乎達到結晶要求。萃取總收率在85％左右。所得濾液多采用二次萃取，用10%硫酸調~，加入醋酸丁酯，用量為濾液體積的三分之一，反萃取時常用碳酸氫鈉溶液調~。在一次丁酯萃取時，由于濾液含有大量蛋白，通常加入破乳劑防止乳化。第一次萃取，存在蛋白質，加乳化劑PPB。萃取條件：為減少青霉素降解，整個萃取過程應在低溫下進行（10℃以下）。萃取罐冷凍鹽水冷卻。4.脫色萃取液中添加活性炭，除去色素、熱源，過濾，除去活性炭。5.結晶萃取液一般通過結晶提純。青霉素鉀鹽在醋酸丁酯中溶解度很小，在二次丁酯萃取液中加入醋酸鉀-乙醇溶液，青霉素鉀鹽就結晶析出。然后采用重結晶方法，進一步提高純度，將鉀鹽溶于KOH溶液，調pH至中性，加無水丁醇，在真空條件下，共沸蒸餾結晶得純品。直接結晶：在2次乙酸丁酯萃取液中加醋酸鈉－乙醇溶液反應，得到結晶鈉鹽。加醋酸鉀－乙醇溶液，得到青霉素鉀鹽。共沸蒸餾結晶：萃取液，再用MNaOH萃取，下得到鈉鹽水濃縮液。加倍體積丁醇，16－26℃，下蒸餾。水和丁醇形成共沸物而蒸出。鈉鹽結晶析出。結晶經過洗滌、干燥后，得到青霉素產品。相關設備（1）732氫型離子交換樹脂柱這類樹脂含有大量的強酸性基團，如磺酸基－SO3H，容易在溶液中離解出H+，故呈強酸性。樹脂離解后，本體所含的負電基團，如SO3－，能吸附結合溶液中的其他陽離子。這兩個反應使樹脂中的H+與溶液中的陽離子互相交換。強酸性樹脂的離解能力很強，在酸性或堿性溶液中均能離解和產生離子交換作用。樹脂在使用一段時間后，要進行再生處理，即用化學藥品使離子交換反應以相反方向進行，使樹脂的官能基團回復原來狀態，以供再次使用。如上述的陽離子樹脂是用強酸進行再生處理，此時樹脂放出被吸附的陽離子，再與H+結合而恢復原來的組成。（2）高速離心過濾設備離心過濾原理：離心過濾是將料液送入有孔的轉鼓并利用離心力場進行過濾的過程，以離心力為推動力完成過濾作業，兼有離心和過濾的雙重作用。以間歇離心過濾為例，料液首先進入裝有過濾介質的裝鼓中，然后被加速到轉鼓旋轉速度，形成附著在轉鼓壁上的液環，與沉降式離心機一樣，粒子受到離心力而沉降，過濾介質阻礙粒子通過，形成濾餅。接著，懸浮液的固體顆粒截留而沉積下來，濾餅表面生成了澄清液，該濾液透過濾餅層和過濾介質向外排出。種類：三足式離心機、臥式刮刀卸料離心機、臥式活塞推料離心機、翻袋式離心機。(3)碟片式離心機轉鼓裝在立軸上端，通過傳動裝置由電動機驅動而高速旋轉。轉鼓內有一組互相套疊在一起的碟形零件--碟片。碟片與碟片之間留有很小的間隙。懸浮液（或乳濁液）由位于轉鼓中心的進料管加入轉鼓。當懸浮液（或乳濁液）流過碟片之間的間隙時，固體顆粒（或液滴）在離心機作用下沉降到碟片上形成沉渣（或液層）。（4）真空干燥器凡是不能經受高溫，在空氣中易氧化、易燃、易爆等危險性物料，或在干燥過程中會揮發有毒有害氣體以及在被除去的濕分蒸汽需要回收等場合，可采用真空干燥。真空干燥器的類型：1．箱式真空干燥器2．攪拌真空干燥器3．滾筒真空干燥器。參考資料[1]百度百科[