青霉素生产工艺.ppt
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1、青霉素生产工艺造福人类的青霉素青霉素青霉素G G青霉素青霉素V V青霉素是青霉素是内酰胺类抗生素的典型代表,它是内酰胺类抗生素的典型代表,它是从青霉菌培养液中提制从青霉菌培养液中提制分子,中含有青霉烷,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杀菌作用的一类抗生素抗生素。青霉素是什么?青霉素(青霉素(Benzylpenicillin/Penicillin)又被称为青霉素又被称为青霉素G、peillin G、盘尼西林盘尼西林、配尼西林、配尼西林、青霉素钠青霉素钠、苄青霉素钠、苄青霉素钠、青霉青霉素钾素钾、苄青霉素钾。、苄青霉
2、素钾。二、青霉素R 结构 侧链基团不同,形成不同的青霉素侧链基团不同,形成不同的青霉素vG:苄基青霉素,:苄基青霉素,C6H5CH2-,最为常见最为常见v青青霉素霉素F:戊青霉素:戊青霉素v青霉素青霉素X:对羟苄基青霉素:对羟苄基青霉素v青霉素青霉素F:2-戊烯基青霉素戊烯基青霉素v青霉素青霉素K:庚青霉素:庚青霉素v青霉素青霉素V:苯氧甲基青霉素:苯氧甲基青霉素青霉素发展史v近代,近代,1928年年英国英国细菌学家细菌学家弗莱明弗莱明首先发现首先发现了世界上第一种抗生素了世界上第一种抗生素青霉素,青霉素,1941年前后英年前后英国国牛津大学牛津大学病理学家霍华德病理学家霍华德弗洛里与生物化学
3、弗洛里与生物化学家家钱恩钱恩实现对青霉素的分离与纯化,并发现其对实现对青霉素的分离与纯化,并发现其对传染病传染病的疗效,弗莱明、的疗效,弗莱明、弗洛里弗洛里、钱恩三人共同、钱恩三人共同获得获得1945年年诺贝尔奖诺贝尔奖。目前所用的抗生素大多数。目前所用的抗生素大多数是从微生物培养液中提取的,有些抗生素已能人是从微生物培养液中提取的,有些抗生素已能人工合成。由于不同种类的抗生素的化学成分不一,工合成。由于不同种类的抗生素的化学成分不一,因此它们对微生物的作用机理也很不相同,有些因此它们对微生物的作用机理也很不相同,有些抑制抑制蛋白质蛋白质的合成,有些抑制的合成,有些抑制核酸核酸的合成,有些的合
4、成,有些则抑制则抑制细胞壁细胞壁的合成。的合成。v早在唐朝时,长安城的裁缝会把长有绿毛的糨糊早在唐朝时,长安城的裁缝会把长有绿毛的糨糊涂在被剪刀划破的手指上来帮助伤口愈合,就是涂在被剪刀划破的手指上来帮助伤口愈合,就是因为绿毛产生的物质(青霉素素菌)有杀菌的作因为绿毛产生的物质(青霉素素菌)有杀菌的作用,也就是人们最早发现并使用青霉素。用,也就是人们最早发现并使用青霉素。微生物次级代谢产物抗微生物次级代谢产物抗生素的研制中生素的研制中-内酰胺抗生内酰胺抗生素已成为主要产品素已成为主要产品青霉素产品理化性质v物理性质:呈白色或黄色无定形结晶物理性质:呈白色或黄色无定形结晶v化学性质:无明显熔点,
5、温度升高时,分子化学性质:无明显熔点,温度升高时,分子水解。水解。其分子羧酸有很强酸性,可与无机或有机碱其分子羧酸有很强酸性,可与无机或有机碱形成盐。形成盐。四元内酰胺环最不稳定,遇酸碱和加热极易四元内酰胺环最不稳定,遇酸碱和加热极易失去活性。因此失去活性。因此PH影响较大,在为影响较大,在为较稳定,最稳定为较稳定,最稳定为66.5过敏反应 青霉素分子在青霉素分子在ph 7.5水溶液中很快水溶液中很快重新排列成青霉烯酸,进而分解成青重新排列成青霉烯酸,进而分解成青霉噻唑酸,与霉噻唑酸,与-球蛋白结合,生成青球蛋白结合,生成青霉噻唑蛋白。霉噻唑蛋白。药理作用v内服易被内服易被胃酸胃酸和和消化酶消
6、化酶破坏。肌注或皮下注射后破坏。肌注或皮下注射后吸收较快,吸收较快,1530min达血药峰达血药峰浓度浓度。青霉素在体。青霉素在体内内半衰期半衰期较短,主要以原形从尿中排出。较短,主要以原形从尿中排出。v青霉素药理作用是干扰细菌细胞壁的合成。青青霉素药理作用是干扰细菌细胞壁的合成。青霉素的结构与细胞壁的成分粘肽结构中的霉素的结构与细胞壁的成分粘肽结构中的D-丙氨酰丙氨酰-D-丙氨酸近似,可与后者竞争转丙氨酸近似,可与后者竞争转肽酶肽酶,阻碍,阻碍粘肽粘肽的形成,造成细胞壁的缺损,使细菌失去细胞壁的的形成,造成细胞壁的缺损,使细菌失去细胞壁的渗透屏障,对细菌起到杀灭作用。渗透屏障,对细菌起到杀灭
7、作用。v对革兰阳性球菌及革兰阳性杆菌、对革兰阳性球菌及革兰阳性杆菌、螺旋体螺旋体、梭梭状芽孢杆菌状芽孢杆菌、放线菌放线菌以及部分以及部分拟杆菌拟杆菌有抗菌作用。有抗菌作用。产黄青霉产黄青霉(P.chros-genum),孢子孢子:绿色和黄色绿色和黄色.青霉素发酵工艺青霉素发酵工艺冷冻管(冷冻管(25C,孢子培养,孢子培养,7天)天)斜斜面母瓶(面母瓶(25C,孢子培养,孢子培养,7天)天)大大米孢子(米孢子(26C,种子培养,种子培养56h,1:1.5vvm)一级种子培养液一级种子培养液(27C,种子培养,种子培养,24h,1:1.5vvm)二级种子培养液(二级种子培养液(2726C,发酵发酵
8、,7天天,1:0.95vvm)发酵液。发酵液。青霉素生产菌种v最初青霉素生产菌是弗莱明分离的点青霉菌,最初青霉素生产菌是弗莱明分离的点青霉菌,生产能力只有几十个单位,不能满足工业生生产能力只有几十个单位,不能满足工业生产。经过一系列的诱变,世界青霉素工业发产。经过一系列的诱变,世界青霉素工业发酵水平达酵水平达100000UmL以上。以上。v目前青霉素生产菌种黄色孢子和绿色孢子两目前青霉素生产菌种黄色孢子和绿色孢子两种产黄菌。深层培养中菌丝形态为球状或丝种产黄菌。深层培养中菌丝形态为球状或丝状两种,我国目前使用的是丝状。状两种,我国目前使用的是丝状。第第1期:分生孢子萌发,形成芽管,原生质未分化
9、,期:分生孢子萌发,形成芽管,原生质未分化,具有小泡。具有小泡。第第2期:菌丝繁殖,原生质体具有嗜碱性,类脂肪期:菌丝繁殖,原生质体具有嗜碱性,类脂肪小颗粒。小颗粒。第第3期:形成脂肪包涵体,机理贮藏物,没有空泡,期:形成脂肪包涵体,机理贮藏物,没有空泡,嗜碱性很强。嗜碱性很强。第第4期:脂肪包涵体形成小滴并减少,中小空泡,期:脂肪包涵体形成小滴并减少,中小空泡,原生质体嗜碱性减弱,开始产生抗生素。原生质体嗜碱性减弱,开始产生抗生素。第第5期:形成大空泡,有中性染色大颗粒,菌丝呈期:形成大空泡,有中性染色大颗粒,菌丝呈桶状,脂肪包涵体消失,青霉素产量最高。桶状,脂肪包涵体消失,青霉素产量最高。
10、第第6期:出现个别自溶细胞,细胞内无颗粒,仍然期:出现个别自溶细胞,细胞内无颗粒,仍然桶状。释放游离氨,桶状。释放游离氨,pH上升。上升。发酵条件下的青霉素生长过程发酵条件下的青霉素生长过程 第第7期:菌丝完全自溶,仅有空细胞壁。期:菌丝完全自溶,仅有空细胞壁。镜检:规定时间取样,显微镜观察镜检:规定时间取样,显微镜观察7个时个时期的形态变化,控制发酵。期的形态变化,控制发酵。14期为菌丝生长期,期为菌丝生长期,3期的菌体适宜为期的菌体适宜为种子。种子。45期为生产期,生产能力最强,通过工期为生产期,生产能力最强,通过工程措施,延长此期,获得高产。程措施,延长此期,获得高产。在第六期到来之前结
11、束发酵。在第六期到来之前结束发酵。种子的制备v(1)生产孢子的制备)生产孢子的制备 将砂土保藏的孢子用甘油、葡萄糖、蛋白胨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。组成的培养基进行斜面培养,经传代活化。最适生长温度在最适生长温度在2526,培养,培养68天,得天,得单菌落,再传斜面,培养单菌落,再传斜面,培养7天,得斜面孢子。天,得斜面孢子。移植到优质小米或大米固体培养基上,生长移植到优质小米或大米固体培养基上,生长7天,天,25,制得小米孢子。,制得小米孢子。每批孢子必需进行严格摇瓶试验,测定效价每批孢子必需进行严格摇瓶试验,测定效价及杂菌情况。及杂菌情况。
12、(2)种子罐和发酵罐培养工艺)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采用三级发酵一级种子发酵:发芽罐一级种子发酵:发芽罐.小罐,接入小米孢子后,孢小罐,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。通无菌空糖,玉米浆,碳酸钙,玉米油,消沫剂等。通无菌空气,空气流量气,空气流量1:3(体积比);充分搅拌(体积比);充分
13、搅拌300350r/min;4050小时;小时;pH自然,温度自然,温度271。二级发酵罐:繁殖罐二级发酵罐:繁殖罐.大量繁殖。玉米浆、葡萄糖大量繁殖。玉米浆、葡萄糖等。等。1:11.5;250280r/min;pH自然,自然,251;014h。三级发酵罐:生产罐。花生饼粉(高温三级发酵罐:生产罐。花生饼粉(高温),),麸质粉、麸质粉、玉米浆、葡萄糖,尿素,硫酸铵,硫酸钠、硫代硫玉米浆、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,酸钠,磷酸二氢钠,苯乙酰胺及消泡剂,CaCO3等。接种量为等。接种量为1215%。青霉素的发酵对溶氧要求。青霉素的发酵对溶氧要求极高,通气
14、量偏大,通气比控制极高,通气量偏大,通气比控制0.71.8;150200r/min;要求高功率搅拌,;要求高功率搅拌,100 m3的发酵罐搅的发酵罐搅拌功率在拌功率在200300 Kw,罐压控制,罐压控制0.040.05 MPa,于,于2526 下培养,发酵周期在下培养,发酵周期在200h左右。前左右。前60h,pH5.76.3,后,后6.36.6;前;前60h为为26,以,以后后24。培养基(1)碳源碳源 青霉素能利用多种碳源如:乳糖、青霉素能利用多种碳源如:乳糖、蔗糖、葡萄糖等。目前普通采用淀粉经酶水蔗糖、葡萄糖等。目前普通采用淀粉经酶水解的葡萄糖糖化液解的葡萄糖糖化液(DE值值50%以上
15、以上)进行流进行流加。加。(2)氮氮源源 可可选选用用玉玉米米浆浆、花花生生饼饼粉粉、精精制制棉籽饼粉或麸质粉,并补加无机氮源。棉籽饼粉或麸质粉,并补加无机氮源。(3)前前体体 为为生生物物合合成成含含有有苄苄基基基基团团的的青青霉霉素素G,需需在在发发酵酵中中加加入入前前体体如如苯苯乙乙酸酸或或苯苯乙乙酰酰胺胺。由由于于它它们们对对青青霉霉菌菌有有一一定定毒毒性性,故故一一次次加加入入量量不不能能大大于于0.1%,并并采采用用多多次加入方式。次加入方式。(4)无机盐无机盐 包括硫、磷、钙、镁、钾等盐类。包括硫、磷、钙、镁、钾等盐类。铁离子对青霉菌有毒害作用,应严格控制发铁离子对青霉菌有毒害作
16、用,应严格控制发酵液中铁含量在酵液中铁含量在30g/mL以下。以下。青霉素发酵过程控制青霉素发酵过程控制 基质浓度基质浓度 在分批发酵中,常常因为前期基在分批发酵中,常常因为前期基质量浓度过高,后期基质浓度低,对质量浓度过高,后期基质浓度低,对生物合成酶系产生阻遏或对菌丝生长生物合成酶系产生阻遏或对菌丝生长产生抑制。为了避免这一现象产生抑制。为了避免这一现象,在青霉在青霉素发酵中通常采用素发酵中通常采用补料分批操作法补料分批操作法,即即对容易产生抑制和限制作用的基质维对容易产生抑制和限制作用的基质维持一定的最适浓度。持一定的最适浓度。流加碳源控制 碳源占成本碳源占成本12以上,采用糖化液流加以
17、上,采用糖化液流加,降低降低成本;糖与成本;糖与6-APA结合形成糖基结合形成糖基-6-APA,影响青,影响青霉素产量;霉素产量;葡萄糖的波动范围较窄,浓度过高使抗生素葡萄糖的波动范围较窄,浓度过高使抗生素合成速度减慢或停止,浓度过低糖导致呼吸急剧合成速度减慢或停止,浓度过低糖导致呼吸急剧下降,甚至引起自溶。下降,甚至引起自溶。根据残糖、根据残糖、pH、尾气中、尾气中CO2和和O2含量。含量。残糖残糖0.3-0.6左右,左右,pH开始升高时流加糖。开始升高时流加糖。浓度:浓度:500kg/m3,流速,流速:1.0-2.5kg/m3.h流加氮源控制玉米浆玉米浆:最好,含有多种氨基酸及其前体苯乙最
18、好,含有多种氨基酸及其前体苯乙酸和衍生物。酸和衍生物。补加无机氮源:硫酸铵、氨水、尿素补加无机氮源:硫酸铵、氨水、尿素氨基氮浓度:氨基氮浓度:0.01-0.05%。铁盐离子控制铁对青霉素合成有毒,铁对青霉素合成有毒,30-40 ug/ml以下。以下。罐壁涂环氧树脂保护层。罐壁涂环氧树脂保护层。PHv青霉素青霉素发酵发酵的最适的最适pH 值一般认为在值一般认为在6.5左右左右,应尽量避免应尽量避免 pH 值超过值超过7.0。因。因为青霉素在碱性条件下不稳定为青霉素在碱性条件下不稳定,容易加速容易加速其水解。其水解。温度温度一般前期2526,后期23以减少后期发酵液中青霉素的降解破坏。溶氧v对于好
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