【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 年需求量為 萬(wàn)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(chǎn)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(guò)這些母核中間體轉(zhuǎn)化成高附加值產(chǎn)品推向市場(chǎng)。據(jù)估計(jì)，在世界范圍內(nèi)目前對(duì) 6氨基青霉素烷的需求量約為 25800 噸，到 2020 年將達(dá)到 32800噸；對(duì) 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(gè)品種內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū) 的世界需求量將達(dá) 17800 噸。上述三種產(chǎn)品占抗感染藥物原料藥的 78%，用于生產(chǎn)這些半合成產(chǎn)品所需消耗的青霉素約占全部產(chǎn)量的 3/4。 1953 年 5 月，中國(guó)第一批國(guó)產(chǎn)青霉素誕生，揭開(kāi)了中國(guó)生產(chǎn)抗生素的歷史。在 1996 年得到迅速擴(kuò)展，當(dāng)時(shí)全球青霉素原料藥年產(chǎn)銷(xiāo)量達(dá) 4萬(wàn)噸左右，其中中國(guó)的青霉素在國(guó)際市場(chǎng)的份額占到 30%，且出口量猛增。 截至 目前 ， 中國(guó)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(tuán)為 2100 噸，山東魯抗為 1290噸，這三大青霉素 生產(chǎn)企業(yè) 年發(fā)酵能力為 6590 噸，年發(fā)酵能力超過(guò) 1000 噸的企業(yè)還有四川制藥廠、河北制藥集團(tuán)和張家口制藥總廠 。 中國(guó)目前是世界上最大青霉素生產(chǎn)國(guó)，青霉素原料主要出口市場(chǎng)是：印度、韓國(guó)、日本、臺(tái)灣、德國(guó)、荷蘭、愛(ài)爾蘭、法國(guó)、香港和美國(guó)，這十大市場(chǎng)合計(jì)占中國(guó)總出口量的 82%。青霉素工業(yè)鉀鹽的生產(chǎn)能力已占世界生產(chǎn)能 力 40000 噸的 40%，實(shí)際產(chǎn)量占世界的 %，特別是進(jìn)入 2020 年，中國(guó)的原料藥產(chǎn)量中有七種青霉素系列產(chǎn)品均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中哌拉西林增長(zhǎng)了267%，以 6APA 為中間體的系列產(chǎn)品阿莫西林增長(zhǎng) 69%，產(chǎn)量近 2020 噸。 青霉素分子結(jié)構(gòu)及分類(lèi) 青霉素是 6－氨基青霉烷酸（ 6aminopenicillanic acid, 6APA）苯乙酰衍生物。側(cè)鏈基團(tuán)不同，形成不同的青霉素，主要是青霉素 G。工業(yè)上應(yīng)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(jié)構(gòu)通式可表示為 下圖 ： 圖 青霉素 結(jié)構(gòu)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(cè)鏈 R 基團(tuán)的結(jié)構(gòu)不同，其中青霉素 G 在醫(yī)療中用得最多，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū) 它的鈉或鉀鹽為治療革蘭氏陽(yáng)性菌的首選藥物，對(duì)革蘭氏陰性菌也有強(qiáng)大的抑制作用。其各個(gè)青霉素結(jié)構(gòu)式 如下圖 ： 圖 青霉素 結(jié)構(gòu)式 青霉素的單位 目前國(guó)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(zhì)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(biāo)準(zhǔn)金葡萄菌生長(zhǎng)的青霉素量為一個(gè)青霉素單位。在以后，證明了一個(gè)青霉素單位相當(dāng)于 青霉素鈉。因此青霉素的質(zhì)量單位為 : 青霉素鈉等于 1 個(gè)青霉素單位。由此， 1mg青霉素鈉等于 1670 個(gè)青霉素單位 (unit)。 作用機(jī)理 有研究認(rèn)為，青霉素的抗菌作用與抑制細(xì)胞壁的合成有關(guān) [1]。細(xì)菌的細(xì)胞壁是一層堅(jiān)韌的厚膜，主要由多糖組成，也含有蛋白質(zhì)和脂質(zhì)，用以抵抗外界的壓力，維持細(xì)胞的形狀。細(xì)胞壁的里面是細(xì)胞膜，膜內(nèi)裹著細(xì)胞質(zhì) ,青霉素作用于 β內(nèi)酰胺類(lèi)細(xì)菌的細(xì)胞壁，而人類(lèi)只 有細(xì)胞膜無(wú)細(xì)胞壁，故對(duì)人類(lèi)的毒性較小 。革蘭氏陽(yáng)性菌細(xì)胞壁的組成是肽聚糖占細(xì)胞壁干重的 50％～ 80％（革蘭氏陰性菌為 1％～ 10％）、磷壁酸質(zhì)、脂蛋白、多糖和蛋白質(zhì)。其中肽聚糖是一種含有乙酰基葡萄糖胺和短肽單元的網(wǎng)狀生內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū) 物大分子，在它的生物合成中需要一種關(guān)鍵的酶即轉(zhuǎn)肽酶。青霉素作用的部位就是這個(gè)轉(zhuǎn)肽酶?，F(xiàn)已證明青霉素內(nèi)酞胺環(huán)上的高反應(yīng)性肽鍵受到轉(zhuǎn)肽酶活性部位上絲氨酸殘基的羥基的親核進(jìn)攻形成了共價(jià)鍵，生成青霉噻唑?；?酶復(fù)合物，從而不可逆的抑制了該酶的催化活性。通過(guò)抑制轉(zhuǎn)肽酶，青霉素使細(xì)胞壁的合成受到抑制，細(xì)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(jī)理 是干擾細(xì)菌細(xì)胞壁的合成。 因?yàn)?青霉素的結(jié)構(gòu)與細(xì)胞壁的成分粘肽結(jié)構(gòu)中的 D丙氨酰 D丙氨酸近似，可與后者競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn) 肽酶 ，阻礙 粘肽 的形成，通過(guò)抑制細(xì)菌細(xì)胞壁四肽側(cè)鏈和五肽交連橋的結(jié)合而阻礙細(xì)胞壁合 成 而發(fā)揮殺菌作用。造成細(xì)胞壁的缺損，使細(xì)菌失去細(xì)胞壁的滲透屏障，對(duì)細(xì)菌起到殺滅作用。對(duì)革蘭陽(yáng)性球菌及革蘭陽(yáng)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(duì) 溶血性鏈球菌 等 鏈球菌屬 ， 肺炎鏈球菌 和不產(chǎn) 青霉素酶 的葡萄球菌具有良好抗菌作用。對(duì)腸球菌有中等度抗菌作用 。 對(duì) 流感嗜血桿菌 和百日咳鮑特氏菌亦具一定抗菌活性 ， 對(duì)梭狀芽孢桿 菌屬、消化鏈球菌、 厭氧菌 以及產(chǎn)黑色素?cái)M桿菌等具良好抗菌作用。 青霉素的應(yīng)用 臨床應(yīng)用： 40 多年 來(lái) ，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(duì)大多數(shù)革蘭氏陽(yáng)性菌（如金黃色葡萄球菌）和某些革蘭氏陰性細(xì)菌及螺旋體有抗菌作用。優(yōu)點(diǎn)：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(guò)敏反應(yīng)），需要皮試。 各種半合成抗生素的原料：青 霉素的缺點(diǎn)是對(duì)酸不穩(wěn)定，不能口服，排泄快，對(duì)陰性菌無(wú)效。氨芐青霉素耐酸廣譜；對(duì)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(chǎn)品名稱(chēng)及生產(chǎn)規(guī)模 產(chǎn)品名稱(chēng) :注射用青霉素 G 生產(chǎn)規(guī)模 :年產(chǎn) 2300 噸 化學(xué)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(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū) 分子量 ： 結(jié)構(gòu)式 如下圖 ： 圖 青霉素 G 結(jié)構(gòu)式 產(chǎn)品藥理 青霉素 為β內(nèi)酰胺 抗生素對(duì)革蘭陽(yáng)性菌及某些革蘭陰性菌有較強(qiáng)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(duì)本品高度敏感；腦膜炎雙球菌、白喉?xiàng)U菌、破傷風(fēng)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(nèi)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(duì)溶血性鏈球菌等鏈球菌屬，肺炎鏈球菌和不產(chǎn)青霉素酶的葡萄球菌具有良好抗菌作用。對(duì)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(duì)本品敏感。本品對(duì)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(duì)本品敏感性差，對(duì)梭狀芽孢桿菌屬、消化鏈球菌厭氧菌以及產(chǎn)黑色素?cái)M桿菌等具良好抗菌作用，通過(guò)抑制細(xì)菌細(xì)胞壁合成而發(fā)揮殺菌作用。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū) 第二章 設(shè)計(jì)說(shuō)明 青霉素發(fā)酵過(guò)程 青霉素發(fā)酵過(guò)程中的代謝變化分為菌體生長(zhǎng)、青霉素合成和菌體自溶三個(gè)階段 [2] (1) 菌體生長(zhǎng)階段 發(fā)酵培養(yǎng)基接種后生產(chǎn)菌在合適的環(huán)境中經(jīng)過(guò)短時(shí)間的適應(yīng)，即開(kāi)始發(fā)育、生長(zhǎng)和繁殖，直至達(dá)到菌體的臨界濃度。這個(gè)階段主要是碳源 （包括糖類(lèi)、脂肪等）和氮源的分解代謝，以及菌體細(xì)胞物質(zhì)的合成代謝變化，前者的代謝途徑和后者有機(jī)地聯(lián)系在一起，碳源、氮源和磷酸鹽等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)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(dāng)達(dá)到菌的臨界濃度時(shí)，攝氧率達(dá)到最大，溶解氧降至最小。當(dāng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗達(dá)到一定程度，菌體生長(zhǎng)達(dá)到一定濃度，或者溶解氧的供應(yīng)下降到某一水平，即成為限制因素時(shí)，菌體生長(zhǎng)速度減慢；同時(shí)，由于菌體的某些中間代謝產(chǎn)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(guān)的新酶等原因，導(dǎo)致生理階段的轉(zhuǎn) 變，發(fā)酵就從菌體生長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)入青霉素合成階段。 (2) 青霉素合成階段 這個(gè)階段主要合成青霉素，青霉素的生產(chǎn)速率達(dá)到最大，并一直維持到青霉素合成能力衰退。在這個(gè)階段，菌體重量有所增加，但產(chǎn)生菌的呼吸強(qiáng)度一般無(wú)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(jī)地聯(lián)系在一起，碳源、氮源等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)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(yán)格控制發(fā)酵條件，以利抗生素合成代謝的進(jìn)行。一般在這個(gè)階段，發(fā)酵液中碳源、氮源和磷酸鹽等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的 濃度必須控制在一定范圍內(nèi)，才有利于青霉素合成；如果這些物質(zhì)過(guò)多，則只會(huì)促進(jìn)菌體生長(zhǎng)，抑制青霉素合成；如果這些物質(zhì)過(guò)少，則菌體容易衰老，青霉合成能力也會(huì)衰退，對(duì)生產(chǎn)不利。除此之外，發(fā)酵液的 pH 值、溫度和溶解氧濃度等都會(huì)影響發(fā)酵過(guò)程中的代謝變化，進(jìn)而影響青霉素產(chǎn)量，必須予以嚴(yán)格控制。 此階段一般又稱(chēng)為青霉素分泌期或發(fā)酵中期。 (3) 菌體自溶階段 這個(gè)階段菌體衰老，細(xì)胞開(kāi)始自溶，合成青霉素能力衰退，青霉素生產(chǎn)速率下降，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū) 氨基氮增加， pH 上升。此時(shí)發(fā)酵必須結(jié)束，否則不僅會(huì)使青霉素受到破壞，還會(huì)給發(fā)酵液過(guò)濾和提 煉帶來(lái)困難。 此階段一般又稱(chēng)為菌體自溶期或發(fā)酵后期。 生產(chǎn)方法 青霉素 G 生產(chǎn)分為菌種發(fā)酵和提取精制 [2]兩個(gè)步驟 : 菌種發(fā)酵：將產(chǎn)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(wú)菌水將孢子制成懸浮液接種到種子罐內(nèi)已滅菌的培養(yǎng)基中，通入無(wú)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(wú)菌空氣，攪拌，在 27℃ 下培養(yǎng) 7 天。在發(fā)酵過(guò)程中需補(bǔ)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(guò)濾。濾液在 pH2～ 的條件下，于離心機(jī)內(nèi)用醋酸丁酯進(jìn)行逆流萃取，得到 BA 萃取液， BA 經(jīng)水洗離心機(jī)洗去溶于水的色素及溶于水的雜酸。將此 BA 萃取液經(jīng)活性炭脫色，脫色 BA 加入碳酸鉀溶液調(diào) pH 至7 左右離心機(jī)反萃取得 RB， RB 加丁醇經(jīng)共沸蒸餾過(guò)濾干燥即可得青霉素 G 鉀鹽。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū) 工藝流程 圖 工藝流程圖 在 2526176。C ，培養(yǎng) 68d，形成單菌 落 調(diào) pH 至中性，加 倍體積 無(wú)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(duì)濕度 50%，生長(zhǎng) 7d。 用 10%硫胺調(diào)節(jié) pH ,加入 %溴代十五烷吡啶，再通過(guò)板樞式過(guò)濾機(jī)。 采用鼓式真空過(guò)濾機(jī)過(guò)濾，除去菌絲體和大部分蛋白。 通入充足空氣，充分?jǐn)嚢?150200r/min, 在 2526176。C ，培養(yǎng) 168h。 通氣體積比 1:3, 充分?jǐn)嚢?250280r/min, 在溫度（ 25177。 ） 176。C 下培養(yǎng)14h。 通入無(wú)菌空氣，充分?jǐn)嚢?300350r/min,在溫度（ 27177。 ） 176。C 下培養(yǎng) 4050h。 產(chǎn)黃青霉 斜面孢子 米孢子 一級(jí)種子罐 二級(jí)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(jié)晶混懸液 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū) 工藝特點(diǎn) 本工藝工程為三級(jí)發(fā)酵 [3]， 一級(jí)種子罐 二級(jí)種子罐 發(fā)酵 罐。 二級(jí)種子罐 、 一級(jí)種子罐 培養(yǎng)時(shí)間短，培養(yǎng)基一 次投入，中間不補(bǔ)料， 發(fā)酵 罐考慮到各種由于底物濃度過(guò)高引起的底物抑制情 況以及產(chǎn)物合成期對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分的需求，采用中間補(bǔ)料。主要補(bǔ)油、補(bǔ)糖、補(bǔ)氨水調(diào)解 PH， 在放罐前一次性補(bǔ)消沫油。 一級(jí)種子罐 采用實(shí)罐消毒， 二級(jí)種子罐 、 發(fā)酵 罐培養(yǎng)基采用連續(xù)消毒。 一級(jí)種子罐 體積小采用夾套換熱， 二級(jí)種子罐 采用內(nèi)蛇管， 發(fā)酵 罐用外盤(pán)管加內(nèi)蛇管換熱，內(nèi)蛇管也作為罐內(nèi)擋板， 以 加強(qiáng)罐內(nèi)料混合程度。 主要技術(shù)資料 : (1) 接種量 一級(jí)種子罐至二級(jí)種子罐按 15%計(jì)算； 二級(jí)種子罐至發(fā)酵罐按 15%計(jì)算； (2) 培養(yǎng)基滅菌 一級(jí)種子罐及二級(jí)種子罐培養(yǎng)基采用空消滅菌； 發(fā)酵罐培養(yǎng)基采用實(shí)消滅菌； (3) 通氣 量 一級(jí)種子罐： （ VVM），二級(jí)種子罐： (VVM)， 發(fā)酵罐： (VVM)； (4) 無(wú)菌空氣處理系統(tǒng) 空氣處理量：按設(shè)計(jì)要求 空壓機(jī)出口壓力： ~（ Mpa） 進(jìn)總過(guò)濾器的相對(duì)濕度： 60% 空氣潔凈度： 100 級(jí) (5) 發(fā)酵周期： 一級(jí)種子罐： 64 小時(shí)，二級(jí)種子罐： 56 小時(shí)，發(fā)酵罐： 136 小時(shí) (6) 裝料系數(shù) 一級(jí)種子罐： 65%，二級(jí)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(zhuǎn)速顯示及變頻調(diào)速，液位報(bào)警； 連消系統(tǒng)：溫度、流量連鎖控制； 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū) 空氣系統(tǒng)：溫度自動(dòng)控制； 后處理系