年产1200吨青霉素工艺设计.doc

生物工艺课程设计 年产1200t青霉素工艺设计年产1200吨青霉素工艺设计一、前言 31.1青霉素简介 31.2青霉素的分类 31.3青霉素的药理作用 41.4青霉素发展前景 4二．青霉素的生产原料 52.1菌种 52.2培养基 5三、青霉素的生产方法 63.1天然青霉素的生产方法 63.2半合成青霉素的生产方法 63.3青霉素浓缩法 7四、青霉素生产工艺流程 84.1发酵液的预处理 84.2过滤 84.3提炼 84.4脱色 84.5共沸蒸馏 8五、青霉素生产工艺控制 95.1种子质量的控制 95.2培养基成分的控制 105.3发酵培养的控制 10六、物料衡算 11七、设备计算 13八、体会与感想 14九、参考文献 15一、前言1.1青霉素简介青霉素（Benzylpenicillin / Penicillin）又被称为青霉素G、peillin G、 盘尼西林、配尼西林、青霉素钠、苄青霉素钠、青霉素钾、苄青霉素钾青霉素是抗菌素的一种，是指从青霉菌培养液中提制的分子中含有青霉烷、能破坏细菌的细胞壁并在细菌细胞的繁殖期起杀菌作用的一类抗生素，是第一种能够治疗人类疾病的抗生素。

青霉素类抗生素是β-内酰胺类中一大类抗生素的总称 青霉素不能耐受耐药菌株(如耐药金葡)所产生的酶，易被其破坏，且其抗菌谱较窄，主要对革兰氏阳性菌有效青霉素G有钾盐、钠盐之分，钾盐不仅不能直接静注，静脉滴注时，也要仔细计算钾离子量，以免注入人体形成高血钾而抑制心脏功能，造成死亡使用本品必须先做皮内试验1.2青霉素的分类按其特点，青霉素可分为：青霉素G类：如青霉素G钾、青霉素G钠、长效西林等 青霉素V类：(别名：苯氧甲基青霉素、6-苯氧乙酰胺基青霉烷酸) 如青霉素V钾等（包括有多种剂型） 耐酶青霉素：如苯唑青霉素(新青Ⅱ号)、氯唑青霉素等 广谱青霉素：如氨苄青霉素、羟氨苄青霉素等 抗绿脓杆菌的广谱青霉素：如羧苄青霉素、氧哌嗪青霉素、呋苄青霉素等 氮咪青霉素：如美西林及其酯匹美西林等，其特点为较耐酶，对某些阴性杆菌(如大肠、克雷伯氏和沙门氏菌)有效，但对绿脓杆菌效差 1.3青霉素的药理作用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D-丙氨酰-D-丙氨酸近似，可与后者竞争转肽酶，阻碍粘肽的形成，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。

主要对革兰阳性球菌及革兰阳性杆菌、螺旋体、梭状芽孢杆菌、放线菌以及部分拟杆菌有抗菌作用 青霉素对溶血性链球菌等链球菌属，肺炎链球菌和不产青霉素酶的葡萄球菌具有良好抗菌作用对肠球菌有中等度抗菌作用，淋病奈瑟菌、脑膜炎奈瑟菌、白喉棒状杆菌、炭疽芽孢杆菌、牛型放线菌、念珠状链杆菌、李斯特菌、钩端螺旋体和梅毒螺旋体对本品敏感本品对流感嗜血杆菌和百日咳鲍特氏菌亦具一定抗菌活性，其他革兰阴性需氧或兼性厌氧菌对本品敏感性差.本品对梭状芽孢杆菌属、消化链球菌、厌氧菌以及产黑色素拟杆菌等具良好抗菌作用，对脆弱拟杆菌的抗菌作用差青霉素通过抑制细菌细胞壁四肽侧链和五肽交连桥的结合而阻碍细胞壁合成而发挥杀菌作用对革兰阳性菌有效，由于革兰阴性菌缺乏五肽交连桥而青霉素对其作用不大1.4青霉素发展前景近年来，国际市场抗生素竞争异常激烈，新品种不断上市，产品生命周期缩短但青霉素及其半合成产品、7-ADCA 系列头孢、7-ACA 系列头孢这三大β-内酰胺系列抗生素在市场上仍占有重要的地位其市场结构的变化，主要表现在以下几个方面：第一，青霉素系列产品积极向下游延伸，国内几家大型生产企业已做出战略性调整，向下游转移的目标已付诸实施。

第二，7-ACA 的供需开始转变，其价格从去年连续走高，已成为少数有较好利润的原料药中间体之一，成为竞争力较强的品种第三，作为青霉素系列的下游产品，7-ADCA 主要用于合成头孢拉定、头孢氨苄、头孢羟氨苄，已由进口转向出口，去年的1～5 月的年出口已形成了一定的规模，出口量达到85 吨，标志着我国7-ADCA 由进口依赖型转为出口型二．青霉素的生产原料2.1菌种常用菌种为产黄青霉（Pen chrysogenum）当前生产能力可达30000—60000μ/ml按其在深层培养中菌丝的形态，可分为球状菌和丝状菌今常用绿色丝状菌为代表2.2培养基培养基成分为：⑴ 碳源  青霉菌能利用多种碳源和乳糖、蔗糖、葡萄糖等目前普遍采用淀粉经淀粉酶水解的葡萄糖糖化液（DE值50%以上）进行流加⑵ 氮源  选用玉米浆、花生饼粉等并补加无机氮源⑶ 前体  微生物合成含有苄基基团的青霉素G，需在发酵中加入前体如苯乙酸或苯乙酰胺一次加入量不能大于0.1%，并采用多次加入方式⑷ 无机盐  包括硫、磷、钙、镁、钾等盐类铁离子对青霉菌有毒害作用，应严格控制发酵液中铁离子的含量在30 μ/ml以下三、青霉素的生产方法天然青霉素与半合成青霉素生产方法完全不同。

3.1天然青霉素的生产方法青霉素G生产可分为菌种发酵和提取精制两个步骤①菌种发酵：将产黄青霉菌接种到固体培养基上，在25 ℃下培养7～10天，即可得青霉菌孢子培养物用无菌水将孢子制成悬浮液接种到种子罐内已灭菌的培养基中，通入无菌空气、搅拌，在27 ℃下培养24～28h，然后将种子培养液接种到发酵罐已灭菌的含有苯乙酸前体的培养基中，通入无菌空气，搅拌，在27 ℃下培养7天在发酵过程中需补入苯乙酸前体及适量的培养基②提取精制：将青霉素发酵液冷却，过滤滤液在pH2～2.5的条件下，于萃取机内用醋酸丁酯进行多级逆流萃取，得到丁酯萃取液，转入pH7.0～7.2的缓冲液中，然后再转入丁酯中，将此丁酯萃取液经活性炭脱色，加入成盐剂，经共沸蒸馏即可得青霉素G钾盐青霉素G钠盐是将青霉素G钾盐通过离子交换树脂（钠型）而制得3.2半合成青霉素的生产方法以6APA为中间体与多种化学合成有机酸进行酰化反应，可制得各种类型的半合成青霉素 6APA是利用微生物产生的青霉素酰化酶裂解青霉素G或V而得到酶反应一般在40～50 ℃、pH8～10的条件下进行；近年来，酶固相化技术已应用于6APA生产，简化了裂解工艺过程6APA也可从青霉素G用化学法来裂解制得，但成本较高。

侧链的引入系将相应的有机酸先用氯化剂制成酰氯，然后根据酰氯的稳定性在水或有机溶剂中，以无机或有机碱为缩合剂，与6APA进行酰化反应缩合反应也可以在裂解液中直接进行而不需分离出6APA 6APA生产流程图3.3青霉素浓缩法利用青霉素特异性地杀死野生型细胞、保留营养缺陷型细胞的方法青霉素能抑制细菌细胞壁的合成，所以只能杀死生长繁殖中的细菌，而不能杀死停止分裂的细菌在只能使野生型生长而不能使突变型生长的选择性液体培养基中，野生型被青霉素杀死，而突变型则不被杀死，从而淘汰野生型，使突变型得以浓缩可适用于细菌和放线菌，是营养缺陷型突变体筛选的常用生产方法之一 四、青霉素生产工艺流程4.1发酵液的预处理 发酵液中的杂质如高价无机离子Ca,Mg,Fe离子）和蛋白质在离子交换过程中对提炼影响甚大，不利于树脂对抗生素的吸附对高价离子的去除，采用草酸或磷酸；对于蛋白质，可利用其在等电点时凝聚的特点将其去除4.2过滤  采用鼓式真空过滤器，过滤前加去乳化剂并降温4.3提炼  采用溶媒萃取法将发酵滤液酸化至PH2，后加相当于发酵液体积1/3的醋酸丁酯（简称BA），混合后以萃取罐分离。

为提高萃取效率将两个萃取罐串联使用，进行二级逆流萃取得一次BA提取液然后以1.3 %-1.9 %碳酸氢钠在PH6.8-7.1条件下将青霉素从BA提取液到缓冲液中然后调PH至2.0后，再一次将青霉素从缓冲液转入到BA中去，其方法同上，得二次BA提取液4.4脱色 在二次BA提取液中加活性炭150—300 g/10亿单位，进行脱色、过滤4.5共沸蒸馏  鉴于以丁醇共沸结晶法所得产品质量优良，国际上普遍采用此法生产注射品其简要流程如下：将二次BA萃取液以0.5 mol/L NaOH 液萃取，调PH至6.4-6.8得青霉素钠盐水浓缩液（5万单位/mL左右），加3-4倍体积的丁醇，在16-26 ℃，5-10 mm汞柱下真空蒸馏，将水和丁醇的共沸物蒸出，并随时补加丁醇当浓缩到浓缩液体积、蒸出馏分中含水达2-4%时，停止蒸馏，青霉素钠盐结晶析出，过滤，将晶体洗涤后进行干燥得成品可在60 ℃，20 mmHg柱，真空中烘16小时，然后磨粉，装桶五、青霉素生产工艺控制 5.1种子质量的控制 丝状菌的生产种子是由保藏在低温的冷冻安瓿管经甘油、葡萄糖、蛋白胨斜面移植到小米固体上，25 ℃培养 7 天, 真空干燥并以这种形式保存备用。

生产时它按一定的接种量移种到含有葡萄糖、玉米浆、尿素为主的种子罐内 ,26 ℃培养 56 h 左右, 菌丝浓度达6 %-8 %, 菌丝形态正常, 按 10 %-15 %的接种量移人含有花生饼粉、葡萄糖为主的二级种子罐内,27 ℃培养 24 h, 菌丝体积 10 %-12 %, 形态正常, 效价在700 D/ml左右便可作为发酵种子 球状菌的生产种子是由冷冻管子孢子经混有0.5 % -1.0 %玉米浆的三角瓶培养原始亲米孢子, 然后再移人罗氏瓶培养生产大米抱子 (又称生产米), 亲米和生产米均为25 ℃静置培养, 需经常观察生长发育情况在培养到 3-4 天, 大米表面长出明显小集落时要振摇均匀, 使菌丝在大米表面能均匀生长, 10 天左右形成绿色孢子即可收获亲米成熟接人生产米后也要经过激烈振荡才可放置恒温培养, 生产米的孢子量要求每粒米300万只以上亲米、生产米子孢子都需保存在 5℃冰箱内工艺要求将新鲜的生产米 (指收获后的孢瓶在10天以内使用) 接人含有花生饼粉、玉米胚芽粉、葡萄糖、饴糖为主的种子罐内,28℃培养 50-60h当pH 值由6. 0-6. 5 下降至 5.5-5. 0, 菌丝呈菊花团状,平均直径在 100- 130 μm, 每毫升的球数为 6万 -8万只, 沉降率在 85 % 以上, 即可根据发酵罐球数控制在 8000-11000只/ml 范围的要求, 计算移种体积, 然后接入发酵罐, 多余的种子液弃去。

球状菌以新鲜孢子为佳, 其生产水平优于真空干燥的孢子，能使青霉素发酵单位的罐批差异减少5.2培养基成分的控制a. 碳源 产黄青霉菌可利用的碳源有乳糖、蕉糖、葡萄糖等目前生产上普遍采用的是淀粉水解糖、糖化液 (DE 值 50 % 以上) 进行流加b. 氮源 氮源常选用玉米浆、精制棉籽饼粉、麸皮，并补加无机氮源（硫酸氨、氨水或尿素）c. 前体 生物合成含有苄基基团的青霉素 G, 需在发酵液中加人前体前体可用苯乙酸、苯乙酰胺, 一次加入量不大于0.1 %, 并采用多次加入, 以防止前体对青霉素的毒害d. 无机盐加人的无机盐包括硫、磷、钙、镁、钾等, 且用量要适度另外, 由于铁离子对青霉菌有毒害作用, 必须严格控制铁离子的浓度, 一般控制在30 μg/ml 5.3发酵培养的控制a. 加糖控制 加糖量的控制是根据残糖量及发酵过程中的 pH 值确定 , 最好是根据排气中CO2 量及 O2 量来控制, 一般在残糖降至 0.6 % 左右, pH 值上升时开始加糖b. 补氮及加前体 补氮是指加硫酸铵、氨水或尿素, 使发酵液氨氮控制在 0. 01%-0.05%,补前体以使发酵液中残存苯乙酰胺浓度为 0.05 %-0.08 %。