電子課件青霉素發(fā)酵過程仿真

1、子情境 青霉素發(fā)酵仿真青霉素的歷史 ？1928年Fleming在研究葡萄球菌變異時(shí)發(fā)現(xiàn)，污染在培養(yǎng)葡萄球菌雙碟上的一株霉菌，能殺死周圍的葡萄球菌。將此霉菌分離后得到的純菌株，經(jīng)鑒定為點(diǎn)青霉（Penicillium notatu m），F(xiàn)leming將這種菌產(chǎn)生的抗生物質(zhì)命名為青霉素。 青霉素基礎(chǔ)知識(shí)青霉素基礎(chǔ)知識(shí)青霉素分類及分子結(jié)構(gòu)青霉素是6氨基青霉烷酸（6-aminopenicillanic acid,6-APA）苯乙酰衍生物。側(cè)鏈基團(tuán)不同，形成不同的青霉素，主要是青霉素G。工業(yè)上應(yīng)用的有鈉、鉀、普魯卡因、二芐基乙二胺鹽。青霉素發(fā)酵液中含有5種以上天然青霉素（如青霉素F、G、X、K、F和V等

2、），它們的差別僅在于側(cè)鏈R基團(tuán)的結(jié)構(gòu)不同，其中青霉素G在醫(yī)療中用得最多，它的鈉或鉀鹽為治療革蘭氏陽性菌的首選藥物，對(duì)革蘭氏陰性菌也有強(qiáng)大的抑制作用。青霉素基礎(chǔ)知識(shí)青霉素的單位目前國際上青霉素活性單位表示方法有兩種：一是指定單位（unit）；二是活性質(zhì)量（g），最早為青霉素規(guī)定的指定單位是：50mL肉湯培養(yǎng)基中恰能抑制標(biāo)準(zhǔn)金葡萄菌生長的青霉素量為一個(gè)青霉素單位。在以后，證明了一個(gè)青霉素單位相當(dāng)于0.6g青霉素鈉。因此青霉素的質(zhì)量單位為:0.6g青霉素鈉等于1個(gè)青霉素單位。由此，1mg青霉素鈉等于1670個(gè)青霉素單位(unit)。青霉素基礎(chǔ)知識(shí)青霉素作用機(jī)理已有的研究認(rèn)為，青霉素的抗菌作用與抑制細(xì)

3、胞壁的合成有關(guān)。細(xì)菌的細(xì)胞壁是一層堅(jiān)韌的厚膜，用以抵抗外界的壓力，維持細(xì)胞的形狀。細(xì)胞壁的里面是細(xì)胞膜，膜內(nèi)裹著細(xì)胞質(zhì)。細(xì)菌的細(xì)胞壁主要由多糖組成，也含有蛋白質(zhì)和脂質(zhì)。革蘭氏陽性菌細(xì)胞壁的組成是肽聚糖占細(xì)胞壁干重的5080（革蘭氏陰性菌為110）、磷壁酸質(zhì)、脂蛋白、多糖和蛋白質(zhì)。其中肽聚糖是一種含有乙?；咸烟前泛投屉膯卧木W(wǎng)狀生物大分子，在它的生物合成中需要一種關(guān)鍵的酶即轉(zhuǎn)肽酶。青霉素作用的部位就是這個(gè)轉(zhuǎn)肽酶。現(xiàn)已證明青霉素內(nèi)酞胺環(huán)上的高反應(yīng)性肽鍵受到轉(zhuǎn)肽酶活性部位上絲氨酸殘基的羥基的親核進(jìn)攻形成了共價(jià)鍵，生成青霉噻唑酰基-酶復(fù)合物，從而不可逆的抑制了該酶的催化活性。通過抑制轉(zhuǎn)肽酶，青霉素使

4、細(xì)胞壁的合成受到抑制，細(xì)菌的抗?jié)B透壓能力降低，引起菌體變形，破裂而死亡。青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程1菌種青霉是產(chǎn)生青霉素的重要菌種。廣泛分布于空氣、土壤和各種物上，常生長在腐爛的柑桔皮上呈青綠色。目前已發(fā)現(xiàn)幾百種，其中產(chǎn)黃青霉(Penicillum chrysogenum)、點(diǎn)青霉(Penicillumnototum)等都能大量產(chǎn)生青霉素。青霉素的發(fā)現(xiàn)和大規(guī)模地生產(chǎn)、應(yīng)用，不僅對(duì)抗生素工業(yè)的發(fā)展起了巨大的推動(dòng)作用，而且加上其他抗生素的廣泛使用，比如像磺胺藥物，使人類的平均壽命，再次延長了四歲。此外，有的青霉菌還用于生產(chǎn)灰黃霉素及磷酸二酯酶、纖維素酶等酶制劑和有機(jī)酸。1981年報(bào)導(dǎo)，癘孢青霉是纖維素酶的

5、新來源，它能分解棉花纖維。青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程2菌種的保藏菌種的保藏方法有：斜面菌種低溫保藏法砂土管保藏法真空冷凍干燥法青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程3孢子的制備這是發(fā)酵工序的開端，是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。抗生素產(chǎn)量和成品質(zhì)量同菌種性能以及同孢子和種子的情況有密切關(guān)系。生產(chǎn)用的孢子需經(jīng)過純種和生產(chǎn)能力的檢驗(yàn)，符合規(guī)定的才能用來制備種子。保藏在砂土管或冷凍干燥管仲的菌種經(jīng)無菌手續(xù)接入適合于孢子發(fā)芽或菌絲生長的斜面培養(yǎng)基中，經(jīng)培養(yǎng)成熟后挑選菌落正常的孢子可再一次接入試管斜面。對(duì)于產(chǎn)孢子能力強(qiáng)的及孢子發(fā)芽、生長繁殖快的菌種可以采用固體培養(yǎng)基孢子，孢子可直接作為中子罐的種子。青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程4種子制備種子制備是指孢子接入

6、種子罐后，在罐中繁殖成大量菌絲的過程，其目的是使孢子發(fā)芽、繁殖和獲得足夠數(shù)量的菌絲，以便接種到發(fā)酵罐當(dāng)中去。種子制備所使用的培養(yǎng)基及其它工藝條件，都要有利于孢子發(fā)芽和菌絲繁殖。種子罐級(jí)數(shù)是在指制備種子需逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng)的次數(shù)，一般根據(jù)種子的生長特性、孢子發(fā)芽及菌體繁殖速度，以及發(fā)酵罐的容積而定。青霉素種子制備一般為二級(jí)種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)。青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程前體添加苯乙酸或者苯乙酰胺，可以借酰基轉(zhuǎn)移的作用，將苯乙酸轉(zhuǎn)入青霉素分子，提高青霉素G的生產(chǎn)強(qiáng)度，添加苯氧乙酸則產(chǎn)生青霉素V。因此前體的加入成為青霉素發(fā)酵的關(guān)鍵問題之一。但苯乙酸對(duì)發(fā)酵有影響，一般以苯乙酰胺較好。也有人采用苯乙酸月桂醇酯，其優(yōu)點(diǎn)是在發(fā)

7、酵中月桂醇酯水解，苯乙酸結(jié)合進(jìn)青霉素成品。而月桂酸作為細(xì)菌營養(yǎng)劑及發(fā)酵液消沫劑，且其毒性比苯乙酸小，但價(jià)格較貴。前體要在發(fā)酵開始20h后加入，并在整個(gè)發(fā)酵過程中控制在50g/ml左右青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程5發(fā)酵這一過程的目的主要是為了使微生物分泌大量的抗生素。發(fā)酵開始前，有關(guān)設(shè)備和培養(yǎng)基必須先經(jīng)過滅菌，后接入種子。接種量一般為520%。發(fā)酵周期一般為45天，但也有少于24小時(shí)，或長達(dá)二周以上的。在整個(gè)過程中，需要不斷通氣和攪拌，維持一定的罐溫和罐壓，并隔一段時(shí)間取樣進(jìn)行生化分析和無菌試驗(yàn)，觀察代謝變化、抗生素產(chǎn)生情況和有無雜菌污染。2.7發(fā)酵青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程6發(fā)酵液預(yù)處理發(fā)酵液中的雜質(zhì)如高價(jià)無機(jī)

8、離子（Fe2+、Ca2+、Mg2+）和蛋白質(zhì)在離子交換的過程中對(duì)提煉影響甚大，不利于樹脂對(duì)抗生素的吸收。如用溶媒萃取法提煉時(shí)，蛋白質(zhì)的存在會(huì)產(chǎn)生乳化，使溶媒合水相分離困難。對(duì)高價(jià)離子的去除，可采用草酸或磷酸。如加草酸則它與鈣離子生成的草酸鈣還能促使蛋白質(zhì)凝固以提高發(fā)酵濾液的質(zhì)量。如加磷酸（或磷酸鹽），既能降低鈣離子濃度，也利于去除鎂離子。青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程7提取化學(xué)提取和精制的目的：從發(fā)酵液中制取高純度的、合乎藥典的抗生素成品。由于發(fā)酵液中青霉素濃度很低，僅0.14.5%左右，而雜質(zhì)濃度比青霉素的高幾十倍甚至幾千倍，并且某些雜質(zhì)的性質(zhì)與抗生素的非常相近，因此提取精制是一件十分重要的工作。發(fā)酵液

9、中常見的雜質(zhì)有：菌絲、未用完的培養(yǎng)基、易污染雜菌、產(chǎn)生菌的代謝產(chǎn)物、預(yù)處理需要加入的雜質(zhì)等。青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程8脫色和去熱原質(zhì)脫色和去熱原質(zhì)是精制注射用青霉素中不可缺少的一步。色素是在發(fā)酵過程中所產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，它與菌種和發(fā)酵條件有關(guān)熱原質(zhì)是在生產(chǎn)過程中由于被污染后雜菌所產(chǎn)生的一種內(nèi)毒素。生產(chǎn)中一般用活性炭脫色去熱原質(zhì)，但需注意脫色時(shí)pH、溫度、活性炭用量及脫色時(shí)間等因素，還應(yīng)考慮它對(duì)抗生素的吸附問題，否則影響收率。青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程9結(jié)晶抗生素精制常用結(jié)晶法來制得高純度成品。常用的幾種結(jié)晶方法有：（1）、改變溫度結(jié)晶利用抗生素在溶劑中的溶解度隨溫度變化而顯著變化的這一特性來進(jìn)行結(jié)晶（2）、利

10、用等電點(diǎn)結(jié)晶當(dāng)將某一抗生素溶液的pH調(diào)到等電點(diǎn)時(shí)，它在水溶液中溶解度最小，則沉淀析出。（3）、加成鹽劑結(jié)晶在抗生素溶液中加成鹽劑使抗生素以鹽的形式從溶液中能夠沉淀結(jié)晶。青霉素生產(chǎn)設(shè)備青霉素生產(chǎn)設(shè)備1、罐體 2、攪拌器和擋板 3、消泡器 4、聯(lián)軸器及軸承 5、變速裝置 6、空氣分布裝置 7、軸封 8、控溫裝置 9、附屬設(shè)施溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響及其控制（一）、溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響 溶氧是好氧發(fā)酵控制最重要的參數(shù)之一。由于氧在水中的溶解度很小，在發(fā)酵液中的溶解度更小，因此，需要不斷調(diào)整通風(fēng)和攪拌，才能滿足不同發(fā)酵過程對(duì)氧的需求。溶氧的大小對(duì)菌體生長和產(chǎn)物的形成及產(chǎn)量都會(huì)產(chǎn)生不同的影響。如谷氨酸發(fā)酵，供氧

11、不足時(shí)，谷氨酸積累就會(huì)明顯降低，產(chǎn)生大量乳酸和琥珀酸。 溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響及其控制（二）、溶氧濃度控制 典型的分批發(fā)酵中氧濃度的變化規(guī)律（一定Kla下）：rXQCL一般有一個(gè)低谷，在對(duì)數(shù)生長的末期溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響及其控制1.在供氧方面 主要是設(shè)法提高氧傳遞的推動(dòng)力和液相體積氧傳遞系數(shù)KL值。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，在可能的條件下，采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣硖岣呷苎酰缯{(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速或通氣速率來控制供氧 發(fā)酵液的需氧量，受菌濃、基質(zhì)的種類和濃度以及培養(yǎng)條件等因素的影響，其中以菌濃的影響最為明顯?？刂谱钸m的菌濃可以通過控制基質(zhì)的濃度來實(shí)現(xiàn) 2.在需氧方面 通氣量 攪拌轉(zhuǎn)速 罐壓 溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響及其控制仿真軟件操作規(guī)程1正常發(fā)酵（過程）1、進(jìn)料(基質(zhì))，開備料泵2、開備料閥3、備料后（罐重100000KG）關(guān)