虚拟仿真实验在青霉素生产实践教学中的应用

摘要：随着制药企业对人才需求的不断提高，高校实践教学在学生培养方面显得越来越重要。由于受到诸多外部条件的限制，学生很少有机会现场学习制药生产的全部流程。通过引入仿真技术手段，可以帮助学生形成药品生产的概念，培养学生的操作能力和应变能力。

关键词：虚拟仿真;青霉素生产;实践教学

青霉素属于高致敏性药品，并没有被安排在本科教学实验中。但是，青霉素是第一种能够治疗人类疾病的抗生素，青霉素的研制成功大大增强了人类抵抗细菌性感染的能力。对学生来说，熟悉青霉素的发酵和提取过程非常必要。通过仿真教学的方式，帮助同学建立起工艺生产的概念，将课堂上关于青霉素生产的理论知识和仿真平台上的工艺流程关联起来，内容更加鲜活，有助于学生对知识的深入理解，同时能够培养学生的工程意识和虚拟环境下解决问题的能力[1]。

青霉素生产教学包括两个方面：青霉素的发酵和青霉素的提取[2]。教学过程中，由于两部分内容相对独立，因此分段进行讲解，后期在线考核评价时，再按照整体内容来考核。教学内容框架表示如下：

一、青霉素的发酵

1.发酵流程

⑴菌种的选择

青霉是产生青霉素的重要菌种，广泛分布于空气、土壤和各种物质表面。目前已发现的有上百种，其中黄青霉、点青霉都能产生大量青霉素。

⑵孢子制备

孢子在制备种子前，需要经过严格筛选，生产能力检验合格后才能用来制备种子。

⑶种子制备

符合要求的孢子被接入种子罐中，在罐体中繁殖，产生大量菌丝。

⑷发酵

发酵过程中，由于微生物生长和代谢需要营养物质，因此培养基的配置非常重要，需要将多种营养物质按照一定的比例进行配置，经严格杀菌后方能送入发酵罐中。培养基的主要成分包括C源（主要是葡萄糖），N源，无机盐及金属离子，前体和消沫剂。其中：

葡萄糖的浓度不宜过高，否则pH值下降，影响酶的活性，抑制菌种的生长和产物的合成;N源是供应菌体合成氨基酸的原料，包括有机氮和无机氮。无机盐及金属离子主要的作用是控制发酵液的pH值或为菌体提供营养，浓度需控制在合适的范围内;前体为苯乙酰胺，前体的使用可以提高青霉素的产量，需注意前体要在发酵20小时后加入，并在整个发酵过程中控制其浓度。另外，发酵过程中会产生大量泡沫，导致发酵液溢出，造成染菌的后果，使用消沫剂可以进行有效控制。

2.仿真操作

学生在开始进行仿真实训前，需要认真阅读操作手册，结合仿真界面的内容，对整个青霉素发酵有一个基本的认识，不要急于求成。要特别注意操作过程中各种工艺指标的控制，弄清楚几个问题：①发酵过程中有哪些工艺指标？②参数控制推荐值范围是多少？③通过什么方式可以有效控制？教师引导学生思考，指导学生记录关键参数及控制方法，完成以上内容后，再正式开始操作。主要参数浓度指标如表所示。

此外，整个发酵过程中还要注意温度、压力、pH值以及泡沫高度的变化，温度：25℃，压力：0.07MPa，pH值：6.8-7.2，泡沫高度不超过30cm。

二、青霉素的提取

提取过程主要包括发酵液的预处理、提取和精制三个步骤。

1.预处理过程

在预处理过程中要注意无机离子和蛋白质含量的控制。

2.提取

提取过程是从发酵液中制取高浓度的抗生素，由于发酵液中杂质浓度较高，因此在提取過程中，要做到时间短，温度低、pH适中。本实验采用萃取法，利用抗生素在不同pH值条件下以不同的化学状态存在时，在水和BA萃取剂中具有不同的溶解度，使抗生素从发酵液转移到萃取相中。

操作前，需要计算3次萃取所需要的萃取剂的用量，弄清楚每次萃取过程中萃取相和萃余相分别是什么，否则在实操时，容易损失产品或者收集无用的副产品;操作过程中，进料速度不宜过快，容易造成满罐。分离机前后阀门的开度需要准确控制，以保证把产品和副产品分开的前提下，尽可能地提高产品的收率。

3.精制

精制过程包括脱色、结晶和抽滤，注意温度及物料流速的控制，操作时要专心，时刻注意液面位置。

三、考核和评价

本实验考核包括两个方面：机考和实验报告。机考是由教师在教师站设置考核形式，如考核内容、时间及操作模式。本实验采取分开讲授学习，合并考核的原则，将发酵和提取两部分建立在一个考核内容下，规定考核时间，选择自由模式或考核模式。机考过程中，除了基本的操作外，系统会自动给出思考题，在动手操作的同时，兼顾理论知识的考核，学生可以在操作结束前的任何时段完成，不会影响操作的过程。发酵提取完成后，系统会根据操作情况进行评分。收率是评分的主要依据，此外，操作是否有误也会根据实际情况进行扣分，最终系统会给出一个综合的评分。机考结束后，指导学生根据实验内容完成实验报告，总结实验操作中的问题。学生最终的成绩，结合机考和实验报告完成情况，按照指定比例，进行评分。

四、总结

通过仿真技术手段的引入，完善了青霉素生产实践教学的不足，使学生的理论知识更加扎实，培养了思维，锻炼了动手操作，强化了面对困难，解决问题的能力。

参考文献：

[1]陈剑波，李建颖，杨永安.制药工程虚拟仿真实验教学平台的建设与实践[J].中国现代教育装备，2022，（377）：39-41.

[2]韩晓敏，李建颖，王文忠，杨永安，孙欢.基于仿真技术的青霉素生产实验教学系统设计[J].实验技术与管理，2020，37（9）：149-153.

基金项目：哈尔滨师范大学校级课题，名称：哈尔滨师范大学高等教育教学改革研究项目，项目编号：XJGYF2021021。

作者简介：方雯，1983年4月，女，汉族，河北省清河县，毕业院校：中科院大连化物所，毕业专业：工业催化，博士研究生，工作单位：哈尔滨师范大学化学化工学院，讲师，研究方向：工业催化。