【文章內容簡介】 年需求量為 萬噸，但直接作為注射劑使用的青霉素 G 和作為口服劑使用的青霉素 V僅占全部青霉素產品的 20%，除了另外 3%～ 5%作為獸藥或飼料添加劑使用外，大部分青霉素是作為制備 6氨基青霉素烷、 7氨基脫乙酰氧基頭孢烯酸或氯亞甲基頭孢烯母核的原料，通過這些母核中間體轉化成高附加值產品推向市場。據(jù)估計，在世界范圍內目前對 6氨基青霉素烷的需求量約為 25800 噸，到 2020 年將達到 32800噸；對 7氨基脫乙酰氧基頭孢烯酸的需求量約為 6000噸，到 2020年為 7000噸。到 2020 年，世界基本藥物中，僅羥氨芐青霉素、氨芐青霉素和頭孢氨芐 3 個品種內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書 的世界需求量將達 17800 噸。上述三種產品占抗感染藥物原料藥的 78%，用于生產這些半合成產品所需消耗的青霉素約占全部產量的 3/4。 1953 年 5 月，中國第一批國產青霉素誕生，揭開了中國生產抗生素的歷史。在 1996 年得到迅速擴展，當時全球青霉素原料藥年產銷量達 4萬噸左右，其中中國的青霉素在國際市場的份額占到 30%，且出口量猛增。 截至 目前 ， 中國青霉素年發(fā)酵能力在 1500 噸以上 的有 華北制藥 3200 噸，哈藥集團為 2100 噸，山東魯抗為 1290噸，這三大青霉素 生產企業(yè) 年發(fā)酵能力為 6590 噸，年發(fā)酵能力超過 1000 噸的企業(yè)還有四川制藥廠、河北制藥集團和張家口制藥總廠 。 中國目前是世界上最大青霉素生產國，青霉素原料主要出口市場是：印度、韓國、日本、臺灣、德國、荷蘭、愛爾蘭、法國、香港和美國，這十大市場合計占中國總出口量的 82%。青霉素工業(yè)鉀鹽的生產能力已占世界生產能 力 40000 噸的 40%，實際產量占世界的 %，特別是進入 2020 年，中國的原料藥產量中有七種青霉素系列產品均呈現(xiàn)增長趨勢，其中哌拉西林增長了267%，以 6APA 為中間體的系列產品阿莫西林增長 69%，產量近 2020 噸。 青霉素分子結構及分類 青霉素是 6－氨基青霉烷酸（ 6aminopenicillanic acid, 6APA）苯乙酰衍生物。側鏈基團不同，形成不同的青霉素，主要是青霉素 G。工業(yè)上應用的有鈉、鉀、普魯卡因、二芐基乙二胺鹽 ，其在水中溶解度很小，且很快失去活性。 青霉素的 分子通式為： RC9O4H11 N2 S 結構通式可表示為 下圖 ： 圖 青霉素 結構通式 然而 青霉素發(fā)酵液中含有 5 種以上天然青霉素（如青霉素 F、 G、 X、 K、 F 和 V 等），它們的差別僅在于側鏈 R 基團的結構不同，其中青霉素 G 在醫(yī)療中用得最多，內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書 它的鈉或鉀鹽為治療革蘭氏陽性菌的首選藥物，對革蘭氏陰性菌也有強大的抑制作用。其各個青霉素結構式 如下圖 ： 圖 青霉素 結構式 青霉素的單位 目前國際上青霉素活性單位表示方法有兩種：一是指定單位（ unit）；二是活性質量（ μg），最早為青霉素規(guī)定的指定單位是： 50mL 肉湯培養(yǎng)基中恰能抑制標準金葡萄菌生長的青霉素量為一個青霉素單位。在以后，證明了一個青霉素單位相當于 青霉素鈉。因此青霉素的質量單位為 : 青霉素鈉等于 1 個青霉素單位。由此， 1mg青霉素鈉等于 1670 個青霉素單位 (unit)。 作用機理 有研究認為，青霉素的抗菌作用與抑制細胞壁的合成有關 [1]。細菌的細胞壁是一層堅韌的厚膜，主要由多糖組成，也含有蛋白質和脂質，用以抵抗外界的壓力，維持細胞的形狀。細胞壁的里面是細胞膜，膜內裹著細胞質 ,青霉素作用于 β內酰胺類細菌的細胞壁，而人類只 有細胞膜無細胞壁，故對人類的毒性較小 。革蘭氏陽性菌細胞壁的組成是肽聚糖占細胞壁干重的 50％～ 80％（革蘭氏陰性菌為 1％～ 10％）、磷壁酸質、脂蛋白、多糖和蛋白質。其中肽聚糖是一種含有乙?；咸烟前泛投屉膯卧木W(wǎng)狀生內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書 物大分子，在它的生物合成中需要一種關鍵的酶即轉肽酶。青霉素作用的部位就是這個轉肽酶?，F(xiàn)已證明青霉素內酞胺環(huán)上的高反應性肽鍵受到轉肽酶活性部位上絲氨酸殘基的羥基的親核進攻形成了共價鍵，生成青霉噻唑?；?酶復合物，從而不可逆的抑制了該酶的催化活性。通過抑制轉肽酶，青霉素使細胞壁的合成受到抑制，細菌的抗?jié)B透壓能力降低，引起菌體變形，破裂而死亡。 即 作用 機理 是干擾細菌細胞壁的合成。 因為 青霉素的結構與細胞壁的成分粘肽結構中的 D丙氨酰 D丙氨酸近似，可與后者競爭轉 肽酶 ，阻礙 粘肽 的形成，通過抑制細菌細胞壁四肽側鏈和五肽交連橋的結合而阻礙細胞壁合 成 而發(fā)揮殺菌作用。造成細胞壁的缺損，使細菌失去細胞壁的滲透屏障，對細菌起到殺滅作用。對革蘭陽性球菌及革蘭陽性桿菌、 螺旋體 、 梭狀芽孢桿菌 、 放線菌 以及部分 擬桿菌 有抗菌作用。對 溶血性鏈球菌 等 鏈球菌屬 ， 肺炎鏈球菌 和不產 青霉素酶 的葡萄球菌具有良好抗菌作用。對腸球菌有中等度抗菌作用 。 對 流感嗜血桿菌 和百日咳鮑特氏菌亦具一定抗菌活性 ， 對梭狀芽孢桿 菌屬、消化鏈球菌、 厭氧菌 以及產黑色素擬桿菌等具良好抗菌作用。 青霉素的應用 臨床應用： 40 多年 來 ，主要控制敏感金黃色葡糖球菌、鏈球菌、肺炎雙球菌、淋球菌、腦膜炎雙球菌、螺旋體等引起感染，對大多數(shù)革蘭氏陽性菌（如金黃色葡萄球菌）和某些革蘭氏陰性細菌及螺旋體有抗菌作用。優(yōu)點：毒性小，但由于難以分離除去青霉噻唑酸蛋白（微量可能引起過敏反應），需要皮試。 各種半合成抗生素的原料：青 霉素的缺點是對酸不穩(wěn)定，不能口服，排泄快，對陰性菌無效。氨芐青霉素耐酸廣譜；對抗綠膿桿菌的磺芐青霉素，耐酸、耐酶、口服的乙氧萘青霉素等 ， 提供頭孢菌素母核。 產品名稱及生產規(guī)模 產品名稱 :注射用青霉素 G 生產規(guī)模 :年產 2300 噸 化學名 ： (2S,5R,6R)3,3二甲基 6(2苯乙酰氨基 )7氧代 4硫雜 1氮雜雙環(huán)[]庚烷 2甲酸 分子式 ： C16H17N2O4S 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書 分子量 ： 結構式 如下圖 ： 圖 青霉素 G 結構式 產品藥理 青霉素 為β內酰胺 抗生素對革蘭陽性菌及某些革蘭陰性菌有較強的抗菌作用，金黃色葡萄球菌 (金葡菌 )、肺炎球菌、淋球菌及鏈球菌等對本品高度敏感；腦膜炎雙球菌、白喉桿菌、破傷風桿菌及梅毒螺旋體也很敏感。主要用于敏感菌引起的各種急性感染，如肺炎、支氣管炎、腦膜炎、心內膜炎、腹膜炎、膿腫、敗血癥、蜂窩組織炎、乳腺炎、淋病、鉤體病、回歸熱、梅毒、白喉及中耳炎等。 對溶血性鏈球菌等鏈球菌屬，肺炎鏈球菌和不產青霉素酶的葡萄球菌具有良好抗菌作用。對腸球菌有中等度抗菌作用，淋病奈瑟菌、腦膜炎奈瑟菌、白喉棒狀桿菌、炭疽芽孢桿菌、牛型放線菌、念珠狀鏈 桿菌、李斯特菌、鉤端螺旋體和梅毒螺旋體對本品敏感。本品對流感嗜血桿菌和百日咳鮑特氏菌亦具一定抗菌活性，其他革蘭陰性需氧或兼性厭氧菌對本品敏感性差，對梭狀芽孢桿菌屬、消化鏈球菌厭氧菌以及產黑色素擬桿菌等具良好抗菌作用，通過抑制細菌細胞壁合成而發(fā)揮殺菌作用。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書 第二章 設計說明 青霉素發(fā)酵過程 青霉素發(fā)酵過程中的代謝變化分為菌體生長、青霉素合成和菌體自溶三個階段 [2] (1) 菌體生長階段 發(fā)酵培養(yǎng)基接種后生產菌在合適的環(huán)境中經過短時間的適應，即開始發(fā)育、生長和繁殖，直至達到菌體的臨界濃度。這個階段主要是碳源 （包括糖類、脂肪等）和氮源的分解代謝，以及菌體細胞物質的合成代謝變化，前者的代謝途徑和后者有機地聯(lián)系在一起，碳源、氮源和磷酸鹽等營養(yǎng)物質不斷被消耗，新菌體不斷合成。隨著菌體濃度的不斷增加，攝氧率不斷增大，溶解氧水平不斷降低。當達到菌的臨界濃度時，攝氧率達到最大，溶解氧降至最小。當營養(yǎng)物質的消耗達到一定程度，菌體生長達到一定濃度，或者溶解氧的供應下降到某一水平，即成為限制因素時，菌體生長速度減慢；同時，由于菌體的某些中間代謝產物的迅速積累、原有的酶活力下降以及出現(xiàn)與抗生素合成有關的新酶等原因，導致生理階段的轉 變，發(fā)酵就從菌體生長階段轉入青霉素合成階段。 (2) 青霉素合成階段 這個階段主要合成青霉素，青霉素的生產速率達到最大，并一直維持到青霉素合成能力衰退。在這個階段，菌體重量有所增加，但產生菌的呼吸強度一般無顯著變化。這期間以碳源和氮源的分解代謝和青霉素的合成代謝為主，前者的代謝途徑和后者有機地聯(lián)系在一起，碳源、氮源等營養(yǎng)物質不斷消耗，青霉素不斷合成。此外，由于存在著抗生素合成和菌體合成二條不同的代謝途徑，需要嚴格控制發(fā)酵條件，以利抗生素合成代謝的進行。一般在這個階段，發(fā)酵液中碳源、氮源和磷酸鹽等營養(yǎng)物質的 濃度必須控制在一定范圍內，才有利于青霉素合成；如果這些物質過多，則只會促進菌體生長，抑制青霉素合成；如果這些物質過少，則菌體容易衰老，青霉合成能力也會衰退，對生產不利。除此之外，發(fā)酵液的 pH 值、溫度和溶解氧濃度等都會影響發(fā)酵過程中的代謝變化，進而影響青霉素產量，必須予以嚴格控制。 此階段一般又稱為青霉素分泌期或發(fā)酵中期。 (3) 菌體自溶階段 這個階段菌體衰老，細胞開始自溶，合成青霉素能力衰退，青霉素生產速率下降，內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書 氨基氮增加， pH 上升。此時發(fā)酵必須結束，否則不僅會使青霉素受到破壞，還會給發(fā)酵液過濾和提 煉帶來困難。 此階段一般又稱為菌體自溶期或發(fā)酵后期。 生產方法 青霉素 G 生產分為菌種發(fā)酵和提取精制 [2]兩個步驟 : 菌種發(fā)酵：將產黃青霉菌接種到固體培養(yǎng)基上，在 25℃ 下培養(yǎng) 7～ 10 天，即可得青霉菌孢子培養(yǎng)物。用無菌水將孢子制成懸浮液接種到種子罐內已滅菌的培養(yǎng)基中，通入無菌空；氣、攪拌，在 27℃ 下培養(yǎng) 24～ 28h，然后將種子培養(yǎng)液接種到發(fā)酵罐已滅菌的含有苯乙酸前體的培養(yǎng)基中，通入無菌空氣，攪拌，在 27℃ 下培養(yǎng) 7 天。在發(fā)酵過程中需補入 苯乙酰胺 前體及適量的培養(yǎng)基。 提取精制：將青霉素發(fā)酵液冷卻，過濾。濾液在 pH2～ 的條件下，于離心機內用醋酸丁酯進行逆流萃取，得到 BA 萃取液， BA 經水洗離心機洗去溶于水的色素及溶于水的雜酸。將此 BA 萃取液經活性炭脫色，脫色 BA 加入碳酸鉀溶液調 pH 至7 左右離心機反萃取得 RB， RB 加丁醇經共沸蒸餾過濾干燥即可得青霉素 G 鉀鹽。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書 工藝流程 圖 工藝流程圖 在 2526176。C ，培養(yǎng) 68d，形成單菌 落 調 pH 至中性，加 倍體積 無水丁醇，在 1626176。C ， 將孢子制成懸液，接入到大米培養(yǎng)基上， 25176。C ，相對濕度 50%，生長 7d。 用 10%硫胺調節(jié) pH ,加入 %溴代十五烷吡啶，再通過板樞式過濾機。 采用鼓式真空過濾機過濾，除去菌絲體和大部分蛋白。 通入充足空氣，充分攪拌 150200r/min, 在 2526176。C ，培養(yǎng) 168h。 通氣體積比 1:3, 充分攪拌 250280r/min, 在溫度（ 25177。 ） 176。C 下培養(yǎng)14h。 通入無菌空氣，充分攪拌 300350r/min,在溫度（ 27177。 ） 176。C 下培養(yǎng) 4050h。 產黃青霉 斜面孢子 米孢子 一級種子罐 二級種子罐 發(fā)酵罐 發(fā)酵液 發(fā)酵濾液 一次 BA萃取液 脫色液 干燥晶體 一次水提液 結晶混懸液 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書 工藝特點 本工藝工程為三級發(fā)酵 [3]， 一級種子罐 二級種子罐 發(fā)酵 罐。 二級種子罐 、 一級種子罐 培養(yǎng)時間短，培養(yǎng)基一 次投入，中間不補料， 發(fā)酵 罐考慮到各種由于底物濃度過高引起的底物抑制情 況以及產物合成期對營養(yǎng)成分的需求，采用中間補料。主要補油、補糖、補氨水調解 PH， 在放罐前一次性補消沫油。 一級種子罐 采用實罐消毒， 二級種子罐 、 發(fā)酵 罐培養(yǎng)基采用連續(xù)消毒。 一級種子罐 體積小采用夾套換熱， 二級種子罐 采用內蛇管， 發(fā)酵 罐用外盤管加內蛇管換熱，內蛇管也作為罐內擋板， 以 加強罐內料混合程度。 主要技術資料 : (1) 接種量 一級種子罐至二級種子罐按 15%計算； 二級種子罐至發(fā)酵罐按 15%計算； (2) 培養(yǎng)基滅菌 一級種子罐及二級種子罐培養(yǎng)基采用空消滅菌； 發(fā)酵罐培養(yǎng)基采用實消滅菌； (3) 通氣 量 一級種子罐： （ VVM），二級種子罐： (VVM)， 發(fā)酵罐： (VVM)； (4) 無菌空氣處理系統(tǒng) 空氣處理量：按設計要求 空壓機出口壓力： ~（ Mpa） 進總過濾器的相對濕度： 60% 空氣潔凈度： 100 級 (5) 發(fā)酵周期： 一級種子罐： 64 小時，二級種子罐： 56 小時，發(fā)酵罐： 136 小時 (6) 裝料系數(shù) 一級種子罐： 65%，二級種子罐： 70%，發(fā)酵罐： 80% (7) 自控要求： 發(fā)酵系統(tǒng)：種子罐、發(fā)酵罐溫度自控， PH 控制 ，罐壓指示，溶氧指示，轉速顯示及變頻調速，液位報警； 連消系統(tǒng)：溫度、流量連鎖控制； 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書 空氣系統(tǒng)：溫度自動控制； 后處理系