青霉素生產過程的在線統計監測與產品質量控制

梁金鳳

摘 要：將多向偏最小二乘（MPLs）方法應用于青霉素間歇生產過程的建模與故障診斷中。從青霉素反應過程的特點來看，數據具有多維性，應用傳統的偏最小二乘方法會使過程的統計建模與故障診斷難以實現。

關鍵詞：青霉素生產過程產品質量控制

1 青霉素的發酵工藝控制

1.1 影響發酵產率的因素

基質濃度在分批發酵中，常常因為前期基質量濃度過高，對生物合成酶系產生阻遏（或抑制）或對菌絲生長產生抑制（如葡萄糖和錢的阻遏或抑制，苯乙酸的生長抑制），而后期基質濃度低限制了菌絲生長和產物合成，為了避免這一現象，在青霉素發酵中通常采用補料分批操作法，即對容易產生阻遏、抑制和限制作用的基質進行緩慢流加以維持一定的最適濃度。這里必須特別注意的是葡萄糖的流加，因為即使是超出最適濃度范圍較小的波動，都將引起嚴重的阻遏或限制，使生物合成速度減慢或停止。目前，糖濃度的檢測尚難在線進行，故葡萄糖的流加不是依據糖濃度控制，而是間接根據pH值、溶氧或C02釋放率予以調節。

1.2 溫度

青霉素發酵的最適溫度隨所用菌株的不同可能稍有差別，但一般認為應在25℃左右。溫度過高將明顯降低發酵產率，同時增加葡萄糖的維持消耗，降低葡萄糖至青霉素的轉化率。對菌絲生長和青霉素合成來說，最適溫度不是一樣的，一般前者略高于后者，故有的發酵過程在菌絲生長階段采用較高的溫度，以縮短生長時間，到達生產階段后便適當降低溫度，以利于青霉素的合成。

1.3 pH值

青霉素發酵的最適pH值一般認為在6.5左右，有時也可以略高或略低一些，但應盡量避免pH值超過7.0，因為青霉素在堿性條件下不穩定，容易加速其水解。在緩沖能力較弱的培養基中，pH值的變化是葡萄糖流加速度高低的反映。過高的流加速率造成酸性中間產物的積累使pH值降低;過低的加糖速率不足以中和蛋白質代謝產生的氨或其他生理堿性物質代謝產生的堿性化合物而引起pH值上升。

1.4 溶氧

對于好氧的青霉素發酵來說，溶氧濃度是影響發酵過程的一個重要因素。當溶氧濃度降到30%飽和度以下時，青霉素產率急劇下降，低于10%飽和度時，則造成不可逆的損害。溶氧濃度過高，說明菌絲生長不良或加糖率過低，造成呼吸強度下降，同樣影響生產能力的發揮。溶氧濃度是氧傳遞和氧消耗的一個動態平衡點，而氧消耗與碳能源消耗成正比，故溶氧濃度也可作為葡萄糖流加控制的一個參考指標。

1.5 菌絲濃度

發酵過程中必須控制菌絲濃度不超過臨界菌體濃度，從而使氧傳遞速率與氧消耗速率在某一溶氧水平上達到平衡。青霉素發酵的臨界菌體濃度隨菌株的呼吸強度（取決于維持因數的大小，維持因數越大，呼吸強度越高）、發酵通氣與攪拌能力及發酵的流變學性質而異。呼吸強度低的菌株降低發酵中氧的消耗速率，而通氣與攪拌能力強的發酵罐及黏低的發酵液使發酵中的傳氧速率上升，從而提高臨界菌體濃度。

1.6 菌絲生長速度

用恒化器進行的發酵試驗證明，在葡萄糖限制生長的條件下，青霉素比生產速率與產生菌菌絲的比生長速率之間呈一定關系。當比生長速率低于0.015h-1時，比生產速率與比生長速率成正比，當比生長速率高于O.015h-1時，比生產速率與比生長速率無關D因此，要在發酵過程中達到并維持最大比生產速率，必須使比生長速率不低0.015h-1。

這一比生長速率稱為臨界比生長速率。對于分批補料發酵的生產階段來說，維持0.015h斗的臨界比生長速率意味著每46h就要使菌絲濃度或發酵液體積加倍，這在實際工業生產中是很難實現的。

2青霉素的發酵工藝控制要點

2.1 種子質量的控制

絲狀菌的生產種子是由保藏在低溫的冷凍安瓿管經甘油、葡萄糖、蛋白胨斜面移植到小米固體上，25℃培養7天，真空干燥并以這種形式保存備用。生產時它按一定的接種量移種到含有葡萄糖、玉米漿、尿素為主的種子罐內，26℃培養56h左右，菌絲濃度達6%-8%，菌絲形態正常，按10%-15%的接種量移人含有花生餅粉、葡萄糖為主的二級種子罐內，27℃培養24h，菌絲體積10%-12%，形態正常，效價在700D/mL左右便可作為發酵種子。

球狀菌的生產種子是由冷凍管子孢子經混有O.5%-1.0%玉米漿的三角瓶培養原始親米孢子，然后再移人羅氏瓶培養生產大米抱子（又稱生產米），親米和生產米均為25℃靜置培養，需經常觀察生長發育情況在培養到3-4天，大米表面長出明顯小集落時要振搖均勻，使菌絲在大米表面能均勻生長，待10天左右形成綠色孢子即可收獲。

工藝要求將新鮮的生產米（指收獲后的孢瓶在10天以內使用）接人含有花生餅粉、玉米胚芽粉、葡萄糖、飴糖為主的種子罐內，28℃培養50-60h當pH值由6.0-6.5下降至5.5-5.0，菌絲呈菊花團狀，平均直徑在100-130μm，每毫升的球數為6萬-8萬只，沉降率在85%以上，即可根據發酵罐球數控制在8000-11000只/mL范圍的要求，計算移種體積，然后接入發酵罐，多余的種子液棄去。球狀菌以新鮮孢子為佳，其生產水平優于真空干燥的孢子，能使青霉素發酵單位的罐批差異減少。

參考文獻：

[1]胡靜.基于多元統計分析的故障診斷與質量監測研究[D].浙江：浙江大學，2015.

[2]孔霽虹.青霉素類產品專屬在線混合均勻度監測體系設計[D].山東：山東大學，2014.