针对青霉素发酵过程精细化控制

张德重

【摘要】青霉素是一种重要的抗生素，主要是通过微生物发酵法进行生产。生产成本中， 发酵部分占80%以上。在青霉素发酵的过程中，影响发酵生产水平的因素主要为菌种生产能力和控制力度。但由于青霉素是微生物的次级代谢产物， 青霉素发酵过程是微生物、化学和工程等学科的理论和技术的综合利用，其生化反应过程机理复杂， 表现出的动态行为复杂多变，控制其发酵过程必然是比较复杂的。种子质量、温度、pH值、溶氧、培养基中碳源、氮源、硫源、前提物质苯乙酸等因素影响青霉素发酵，使得青霉素的发酵过程变得复杂而难以控制。因此，要想顺利的进行青霉素发酵的工作，就要对发酵过程进行精细化的控制，保障青霉素的整体发酵水平。本文根据生产实践就青霉素发酵过程精细化控制进行了简要的探究。

【关键词】青霉素；发酵；精细化控制

【中图分类号】TQ465.1 【文献标识码】B【文章编号】1004-4949（2015）02-0658-01

青霉素发酵从出现至今已经有60余年的历史，青霉素发酵水平随着菌种筛选与改造、自动化水平及工艺控制日渐成熟水平的提高而得到显著的提高。菌种的生产能力不断提高是青霉素发酵水平提高的最主要的因素。然而想要发挥出菌种的最大生产能力，主要还是在于对发酵过程的控制，青霉素发酵过程的控制是在对生产菌的环境条件和代谢变化参数测量的基础上， 结合代谢调控的基础理论进行， 使产生菌的代谢变化沿着最佳的轨迹进行， 以较低的能量和物料消耗生产更多的青霉素，因此，为了提高青霉素的产量， 降低生产成本，对青霉素发酵过程进行过程进行精细化控制就显得格外重要。

1.1菌种：点青霉菌（哈药集团制药总厂生产用菌种）。

1.2设备：种子罐，15m3；发酵罐，100 m3。

2主要控制参数

2.1种子罐：发酵温度27±1℃，空气流量1：0.5～1.0，种子罐周期66—72h。

2.2发酵罐：发酵温度60h前，27℃；60～160h，25℃；160 h后，22～24℃。空气流量1：0.6～1.2，pH值控制在6.45～6.55，发酵周期200h，发酵过程中连续补入葡萄糖、苯乙酸钠、硫铵、氨水、消沫剂。

3.工艺控制要点

3.1种子质量

青霉素种子制备大多采用二级培养，将优选好的菌种接种到种子罐中，在一定的温度和空气量的培养基上培养，形成的大量菌种则送入发酵罐进行产品生产。青霉素发酵主要依靠菌种，因此，在进行发酵工艺前，首先要培养种子。在进行种子的培养时，要严格按照相关的培养工艺进行种子的繁殖培养，切忌盲目的进行培养工作。最大限度的保障培养室内的温度，控制室内空气的水分，保障室内空气的流通量。在种子的培养过程中，要注意对种子中的pH值和菌丝量进行实时的监测，并且做好记录。一般来说，菌丝量主要是对种子生长情况的一种反映，如果菌丝量减少，那么就说明种子的生长情况出现缓慢的趋势，针对这种情况，可以适当的提高室内的温度数，并且加大空气的流通量，从而保障种子的正常生长。如果菌丝量增多，则说明种子的生长过快，种子很容易出现衰老的现象，这样会严重影响到发酵的水平，在出现这种状况时，可以适当的降低室内的空气温度，并且控制通风量，这样能够有效抑制种子的生长，之所以要对种子的生长状况进行控制，是为了使得保障种子中的PH值和菌丝量趋于稳定，从而满足移种的条件。

3.2温度控制

青霉菌生长的适宜温度时30℃，而分泌青霉素的适宜温度为20℃左右，生产上采用变温控制法，使之适合不同阶段的需求。如采用从27℃逐渐降温至22℃的发酵温度，可延缓菌丝衰老，增加培养液的溶氧浓度，延长发酵周期，有利于发酵后期青霉素单位的增长。本文对青霉素分批发酵进行了研究，并以所得实验数据进行发酵实验：0～60h维持在27℃，60～160h维持在25℃， 160h后根据青霉素纯度，控制22～24℃培养。采用这种变温培养方法比常温25℃培养产量增加了12%，且后期采用降温培养，青霉素纯度提高1.5%。

3.3pH值控制

无论是在种子的培养过程中还是在发酵的过程中，都需要对pH值进行有效的控制。这是因为，pH值是发酵过程主要的参考数据，其反映了青霉素发酵的整体状况，还能够对菌体细胞的代谢产生直接的影响，对补料量的应用是否恰当有一个直觀的反映。

在发酵前期，由于菌体利用玉米浆中蛋白的碳骨架，释放出较多的碱性分子，所以pH值在发酵十几个小时后会出现明显的上升趋势。如果这个周期pH值没有出现上升，或者上升幅度过小，说明发酵有异常，原因一般有2个：一是前期加糖过量，造成pH值不上返；二是种子质量差，生长缓慢。当出现这种情况时要通过减少加糖来调整。当开始补氨水时，pH值就受到糖和氨水的双重影响，糖和氨水的加量有个适当的比例，如果补料偏离这个比例过多，就说明发酵过程有异常，应尽快查找原因。

3.4葡萄糖及氨氮的控制

在青霉素分批发酵过程中，分泌期产生的青霉素约占总量的70%～80%。可见提高青霉素产量的关键是缩短菌体生长期、延长青霉素分泌期并保持青霉素生产的最大增长率。因此，不仅要按照产生菌的生理特性选择合适的发酵培养基和发酵条件，而且必须根据发酵过程中的代谢变化对培养基和发酵条件进行控制，使菌体生长既迅速又不易衰老，且能保持青霉素的最大生产速率。

基质是产生菌代谢的物质基础，控制基质的种类和数量是补料控制的手段，其中最主要的是碳源的控制。在青霉素发酵过程中主要采取流加葡萄糖的方法控制碳源。补糖的数量应该使发酵液中糖的含量既能维持菌体的正常生理代谢，又能防止青霉素生产能力的衰退。在实际生产中，对补料的控制是以固定补料浓度的补料速率作为控制手段。在发酵过程中，要摸索出适合设备和动力条件的加糖率。糖在青霉素发酵过程中起着调控代谢方向的作用，发酵过程中的参数以及其他几种补料都受到加糖量的影响，当代谢异常时，最终表现为加糖量的相对过量或不足，所以代谢异常时的调整也是通过加糖量的调整来完成。

发酵初期，菌体在利用葡萄糖的同时也利用来自玉米浆中蛋白质的现成碳架，引起培养基中氨氮浓度迅速升高，其后随着葡萄糖代谢酶的大量合成，菌体转变成利用葡萄糖的代谢产物作碳源，同时大量利用培养基中的氨氮合成菌体蛋白。故培养液中氨氮浓度逐渐降低，需要补加硫酸铵以维持合适的浓度。因此，氨氮峰值和出现周期是菌体碳氮代谢与培养基中碳氮浓度的动态平衡，反映了玉米浆中有机氮源的利用情况和可利用程度圈。当氨氮开始大幅度下降时，这时的菌丝也开始出现断裂，开始进入次级代谢过程，氨氮下降至0.3mg/mL时，开始补入硫酸铵，如果pH值已经降至6.5左右，同时也要加入氨水，硫酸铵和氨水都会使氨氮升高。应控制氨氮在0.2mg/mL，尤其是在氨氮刚刚降下来时，一定不能使氨氮过高。如果氨氮过高就会使菌丝重新回到初级代谢，则影响次级代谢。在发酵过程中也不能使氨氮过低，如果氨氮长时间控制在0.1mg/mL以下，就会使碳氮比例失衡，菌体由于缺乏氮源而代谢异常，从而影响到发酵水平。

3.5苯乙酸的控制

苯乙酸作为青霉素G的侧链前体。为了避免前提加入浓度过大而对菌体有毒害，除基础料加入0.07%的苯乙酸外，发酵至30小时后按需流加补入苯乙酸，维持发酵液中苯乙酸浓度在0.1%为宜。 在碱性条件下，苯乙酸被菌体氧化的速度随培养基的pH上升而增加。年幼的菌丝不氧化前体，而仅用它来构成青霉素分子。随菌龄的增长，氧化能力逐渐增加。培养及成分对前体的氧化程度有较大影响，合成培养基比复合培养基对前体的氧化量少。在摇瓶发酵试验中发现，通气条件差的情况下，微生物氧化前体的能力显著降低。为了减少苯乙酸的氧化，在生产上多用间歇或连续添加低浓度苯乙酸的方法，以保持前体的供应速率仅略大于生物合成的需要。

4结语

综上所述，青霉素发酵工艺经过60多年的发展，基本已经成熟，但在细节方面仍在不断完善和改进。首先就是要拥有发酵条件精细控制，其次要对补料进行动态调整，将发酵过程中的各个参数控制在合理的范围之内，使得发酵的菌种能够发挥出最大的生产力，从而增加单位效价，提高发酵水平，降低生产成本。

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