針對青霉素發酵過程精細化控制

張德重

【摘要】青霉素是一種重要的抗生素，主要是通過微生物發酵法進行生產。生產成本中， 發酵部分占80%以上。在青霉素發酵的過程中，影響發酵生產水平的因素主要為菌種生產能力和控制力度。但由于青霉素是微生物的次級代謝產物， 青霉素發酵過程是微生物、化學和工程等學科的理論和技術的綜合利用，其生化反應過程機理復雜， 表現出的動態行為復雜多變，控制其發酵過程必然是比較復雜的。種子質量、溫度、pH值、溶氧、培養基中碳源、氮源、硫源、前提物質苯乙酸等因素影響青霉素發酵，使得青霉素的發酵過程變得復雜而難以控制。因此，要想順利的進行青霉素發酵的工作，就要對發酵過程進行精細化的控制，保障青霉素的整體發酵水平。本文根據生產實踐就青霉素發酵過程精細化控制進行了簡要的探究。

【關鍵詞】青霉素；發酵；精細化控制

【中圖分類號】TQ465.1 【文獻標識碼】B【文章編號】1004-4949（2015）02-0658-01

青霉素發酵從出現至今已經有60余年的歷史，青霉素發酵水平隨著菌種篩選與改造、自動化水平及工藝控制日漸成熟水平的提高而得到顯著的提高。菌種的生產能力不斷提高是青霉素發酵水平提高的最主要的因素。然而想要發揮出菌種的最大生產能力，主要還是在于對發酵過程的控制，青霉素發酵過程的控制是在對生產菌的環境條件和代謝變化參數測量的基礎上， 結合代謝調控的基礎理論進行， 使產生菌的代謝變化沿著最佳的軌跡進行， 以較低的能量和物料消耗生產更多的青霉素，因此，為了提高青霉素的產量， 降低生產成本，對青霉素發酵過程進行過程進行精細化控制就顯得格外重要。

1.1菌種：點青霉菌（哈藥集團制藥總廠生產用菌種）。

1.2設備：種子罐，15m3；發酵罐，100 m3。

2主要控制參數

2.1種子罐：發酵溫度27±1℃，空氣流量1：0.5～1.0，種子罐周期66—72h。

2.2發酵罐：發酵溫度60h前，27℃；60～160h，25℃；160 h后，22～24℃。空氣流量1：0.6～1.2，pH值控制在6.45～6.55，發酵周期200h，發酵過程中連續補入葡萄糖、苯乙酸鈉、硫銨、氨水、消沫劑。

3.工藝控制要點

3.1種子質量

青霉素種子制備大多采用二級培養，將優選好的菌種接種到種子罐中，在一定的溫度和空氣量的培養基上培養，形成的大量菌種則送入發酵罐進行產品生產。青霉素發酵主要依靠菌種，因此，在進行發酵工藝前，首先要培養種子。在進行種子的培養時，要嚴格按照相關的培養工藝進行種子的繁殖培養，切忌盲目的進行培養工作。最大限度的保障培養室內的溫度，控制室內空氣的水分，保障室內空氣的流通量。在種子的培養過程中，要注意對種子中的pH值和菌絲量進行實時的監測，并且做好記錄。一般來說，菌絲量主要是對種子生長情況的一種反映，如果菌絲量減少，那么就說明種子的生長情況出現緩慢的趨勢，針對這種情況，可以適當的提高室內的溫度數，并且加大空氣的流通量，從而保障種子的正常生長。如果菌絲量增多，則說明種子的生長過快，種子很容易出現衰老的現象，這樣會嚴重影響到發酵的水平，在出現這種狀況時，可以適當的降低室內的空氣溫度，并且控制通風量，這樣能夠有效抑制種子的生長，之所以要對種子的生長狀況進行控制，是為了使得保障種子中的PH值和菌絲量趨于穩定，從而滿足移種的條件。

3.2溫度控制

青霉菌生長的適宜溫度時30℃，而分泌青霉素的適宜溫度為20℃左右，生產上采用變溫控制法，使之適合不同階段的需求。如采用從27℃逐漸降溫至22℃的發酵溫度，可延緩菌絲衰老，增加培養液的溶氧濃度，延長發酵周期，有利于發酵后期青霉素單位的增長。本文對青霉素分批發酵進行了研究，并以所得實驗數據進行發酵實驗：0～60h維持在27℃，60～160h維持在25℃， 160h后根據青霉素純度，控制22～24℃培養。采用這種變溫培養方法比常溫25℃培養產量增加了12%，且后期采用降溫培養，青霉素純度提高1.5%。

3.3pH值控制

無論是在種子的培養過程中還是在發酵的過程中，都需要對pH值進行有效的控制。這是因為，pH值是發酵過程主要的參考數據，其反映了青霉素發酵的整體狀況，還能夠對菌體細胞的代謝產生直接的影響，對補料量的應用是否恰當有一個直觀的反映。

在發酵前期，由于菌體利用玉米漿中蛋白的碳骨架，釋放出較多的堿性分子，所以pH值在發酵十幾個小時后會出現明顯的上升趨勢。如果這個周期pH值沒有出現上升，或者上升幅度過小，說明發酵有異常，原因一般有2個：一是前期加糖過量，造成pH值不上返；二是種子質量差，生長緩慢。當出現這種情況時要通過減少加糖來調整。當開始補氨水時，pH值就受到糖和氨水的雙重影響，糖和氨水的加量有個適當的比例，如果補料偏離這個比例過多，就說明發酵過程有異常，應盡快查找原因。

3.4葡萄糖及氨氮的控制

在青霉素分批發酵過程中，分泌期產生的青霉素約占總量的70%～80%?？梢娞岣咔嗝顾禺a量的關鍵是縮短菌體生長期、延長青霉素分泌期并保持青霉素生產的最大增長率。因此，不僅要按照產生菌的生理特性選擇合適的發酵培養基和發酵條件，而且必須根據發酵過程中的代謝變化對培養基和發酵條件進行控制，使菌體生長既迅速又不易衰老，且能保持青霉素的最大生產速率。

基質是產生菌代謝的物質基礎，控制基質的種類和數量是補料控制的手段，其中最主要的是碳源的控制。在青霉素發酵過程中主要采取流加葡萄糖的方法控制碳源。補糖的數量應該使發酵液中糖的含量既能維持菌體的正常生理代謝，又能防止青霉素生產能力的衰退。在實際生產中，對補料的控制是以固定補料濃度的補料速率作為控制手段。在發酵過程中，要摸索出適合設備和動力條件的加糖率。糖在青霉素發酵過程中起著調控代謝方向的作用，發酵過程中的參數以及其他幾種補料都受到加糖量的影響，當代謝異常時，最終表現為加糖量的相對過量或不足，所以代謝異常時的調整也是通過加糖量的調整來完成。

發酵初期，菌體在利用葡萄糖的同時也利用來自玉米漿中蛋白質的現成碳架，引起培養基中氨氮濃度迅速升高，其后隨著葡萄糖代謝酶的大量合成，菌體轉變成利用葡萄糖的代謝產物作碳源，同時大量利用培養基中的氨氮合成菌體蛋白。故培養液中氨氮濃度逐漸降低，需要補加硫酸銨以維持合適的濃度。因此，氨氮峰值和出現周期是菌體碳氮代謝與培養基中碳氮濃度的動態平衡，反映了玉米漿中有機氮源的利用情況和可利用程度圈。當氨氮開始大幅度下降時，這時的菌絲也開始出現斷裂，開始進入次級代謝過程，氨氮下降至0.3mg/mL時，開始補入硫酸銨，如果pH值已經降至6.5左右，同時也要加入氨水，硫酸銨和氨水都會使氨氮升高。應控制氨氮在0.2mg/mL，尤其是在氨氮剛剛降下來時，一定不能使氨氮過高。如果氨氮過高就會使菌絲重新回到初級代謝，則影響次級代謝。在發酵過程中也不能使氨氮過低，如果氨氮長時間控制在0.1mg/mL以下，就會使碳氮比例失衡，菌體由于缺乏氮源而代謝異常，從而影響到發酵水平。

3.5苯乙酸的控制

苯乙酸作為青霉素G的側鏈前體。為了避免前提加入濃度過大而對菌體有毒害，除基礎料加入0.07%的苯乙酸外，發酵至30小時后按需流加補入苯乙酸，維持發酵液中苯乙酸濃度在0.1%為宜。 在堿性條件下，苯乙酸被菌體氧化的速度隨培養基的pH上升而增加。年幼的菌絲不氧化前體，而僅用它來構成青霉素分子。隨菌齡的增長，氧化能力逐漸增加。培養及成分對前體的氧化程度有較大影響，合成培養基比復合培養基對前體的氧化量少。在搖瓶發酵試驗中發現，通氣條件差的情況下，微生物氧化前體的能力顯著降低。為了減少苯乙酸的氧化，在生產上多用間歇或連續添加低濃度苯乙酸的方法，以保持前體的供應速率僅略大于生物合成的需要。

4結語

綜上所述，青霉素發酵工藝經過60多年的發展，基本已經成熟，但在細節方面仍在不斷完善和改進。首先就是要擁有發酵條件精細控制，其次要對補料進行動態調整，將發酵過程中的各個參數控制在合理的范圍之內，使得發酵的菌種能夠發揮出最大的生產力，從而增加單位效價，提高發酵水平，降低生產成本。

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