發(fā)酵工程_青霉素的制備

1、-青霉素類抗生素,微生物發(fā)酵,青霉素簡介 化學(xué)結(jié)構(gòu) 理化性質(zhì) 青霉素合成及調(diào)控 生物合成 生物合成的調(diào)控 青霉素發(fā)酵生產(chǎn)工藝 菌種 發(fā)酵工藝流程 培養(yǎng)基 發(fā)酵培養(yǎng)控制,青霉素簡介,青霉素的發(fā)現(xiàn),1929年英國學(xué)者弗萊明首先在抗生素中發(fā)現(xiàn)了青霉素，英國謝菲爾德大學(xué)病理學(xué)家弗洛里實(shí)現(xiàn)對(duì)青霉素的分離與純化。,青霉素的化學(xué)結(jié)構(gòu),青霉素是含有青霉素母核的多種化合物的總稱，青霉素發(fā)酵液中至少含有5種以上的不同的青霉素：青霉素F、青霉素X、青霉素K及二氫青霉素F等。,青霉素分子結(jié)構(gòu)球棍模型,青霉素合成及調(diào)控,青霉素的生物合成,青霉素的生物合成與賴氨酸的反饋調(diào)節(jié) 用產(chǎn)黃霉菌生產(chǎn)青霉素要受到賴氨酸的阻遏，這是由

2、于其賴氨酸生物合成途徑的初始酶高檸檬酸合成酶受到了賴氨酸反饋?zhàn)瓒簟?在賴氨酸生物合成途徑中，從氨基己二酸分支而產(chǎn)生青霉素，這種賴氨酸阻遏是初級(jí)代謝調(diào)節(jié)的效果用到次級(jí)代謝上的最好的例子。,青霉素的生物合成與糖分解代謝的關(guān)系 青霉素的生物合成受糖分解代謝產(chǎn)物的阻遏，如合成青霉素的?；D(zhuǎn)移酶就會(huì)被阻遏。在青霉素發(fā)酵過程中，發(fā)現(xiàn)能被青霉素迅速利用的葡萄糖有利于菌體生長，但抑制青霉素的合成，而被緩慢利用的乳糖，卻是生產(chǎn)青霉素的最好碳源。,乳糖比葡萄糖優(yōu)越的主要原因是乳糖被水解成單糖的速度正好符合青霉素生產(chǎn)期合成青霉素的需要，而又不會(huì)產(chǎn)生高濃度的分解產(chǎn)物來抑制青霉素的合成，因此，碳源多用葡萄糖加乳糖或利用

3、某些非糖原料如植物油等。但由于乳糖價(jià)格較貴，成本較高，故在生產(chǎn)實(shí)踐中常通過間隙或滴加葡萄糖的方法控制培養(yǎng)液中糖的含量，以符合菌體生長和青霉素生物合成的需要。這樣，可以降低成本，提高產(chǎn)量。,青霉素生產(chǎn)發(fā)酵工藝,菌種,目前國內(nèi)青霉素生產(chǎn)菌按其在深層培養(yǎng)中菌絲的形態(tài)分為絲狀菌和球狀菌兩種，根據(jù)絲狀菌產(chǎn)生孢子的顏色又分為黃孢子絲狀菌和綠孢子絲狀菌，常用菌種為綠孢子絲狀菌，如產(chǎn)黃青霉素。,青霉素產(chǎn)生菌的生長過程,分生孢子發(fā)芽期 菌絲繁殖期 脂肪粒形成期 脂肪粒減少，小空孢 大空孢 自溶,菌絲生長期,青霉素分泌期,菌絲自溶期,培養(yǎng)基,碳源青霉菌能利用多種碳源如乳糖、蔗糖、葡萄糖等。目前采用淀粉水解糖，糖化

4、液進(jìn)行流加。 氮源可采用玉米漿、花生餅粉、精制棉籽餅粉或麩皮粉等有機(jī)氮源，及氯化氨、硫酸氨、硝酸氨等無機(jī)氮源。 前體為生物合成含有芐基基團(tuán)的青霉素G，需要在發(fā)酵中加入前體如苯乙酸或苯乙酰胺。由于它們對(duì)青霉素有一定毒性，故一次加入量不能大于0.1%，并采用多次加入方式。 無機(jī)鹽包括硫、磷、鈣、鎂、鉀等鹽類。鐵離子對(duì)青霉素有毒害作用，應(yīng)嚴(yán)格控制發(fā)酵液中鐵含量在30ug/mL以下。,青霉素生產(chǎn)工藝過程,抗生素制備的一般流程圖,菌種 孢子制備 種子制備 發(fā)酵 發(fā)酵液預(yù)處理及種子加濾 提取及精制 成品檢驗(yàn) 成品包裝,前體,發(fā)酵階段,提取階段,發(fā)酵工藝流程,一、總述,青霉素發(fā)酵將青霉菌接種到固體培養(yǎng)基上培

5、養(yǎng)一段時(shí)間，得到青霉菌孢子培養(yǎng)物。用無菌水將孢子制成懸浮液接種到種子罐內(nèi)已滅菌的培養(yǎng)基中，通入無菌空氣攪拌，培養(yǎng)。然后將種子培養(yǎng)液接種到發(fā)酵罐已滅菌的含有苯乙酸前體的培養(yǎng)基中，通入無菌空氣攪拌，培養(yǎng)。,青霉素菌種發(fā)酵工藝的原理,二、 青霉素發(fā)酵過程,青霉素發(fā)酵時(shí)，青霉素生產(chǎn)菌在合適的培養(yǎng)基、PH、溫度和通氣攪拌等發(fā)酵條件下進(jìn)行生長并合成青霉素。 發(fā)酵開始前，有關(guān)設(shè)備和培養(yǎng)基（主要是碳源、氮源、前體和無機(jī)鹽等）必須先經(jīng)過滅菌，后接入種子。 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，在發(fā)酵過程中往往要加入泡沫劑，假如酸堿控制發(fā)酵液的PH，還需要間歇或連續(xù)的加入葡萄糖及銨鹽等化合物以補(bǔ)

6、充碳源及氮源，或補(bǔ)進(jìn)其他料液和前體等以促進(jìn)青霉素的生產(chǎn)。,青霉素發(fā)酵過程中的代謝變化分為菌體生長、青霉素合成和菌體自溶三個(gè)階段。,菌體生長階段：發(fā)酵培養(yǎng)基接種后生產(chǎn)菌在合適的環(huán)境中經(jīng)過短時(shí)間的適應(yīng)，即開始發(fā)育、生長和繁殖，直至達(dá)到菌體的臨界濃度。 青霉素合成階段：這個(gè)階段主要合成青霉素，青霉素的生產(chǎn)速率達(dá)到最大，并一直維持到青霉素合成能力衰退。在這個(gè)階段，菌體重量有所增加，但產(chǎn)生菌的呼吸強(qiáng)度一般無顯著變化。 菌體自溶階段：這個(gè)階段菌體衰老，細(xì)胞開始自溶，合成青霉素能力衰退，青霉素生產(chǎn)速率下降，氨基氮增加，PH上升。,發(fā)酵培養(yǎng)控制,加糖控制。殘?zhí)墙抵?.6%，pH上升時(shí)加糖 補(bǔ)氮及加前體。補(bǔ)氮：

7、硫酸銨、氨、尿素，使發(fā)酵液氨氮量控制在0.01%0.05%。前體：發(fā)酵液中殘存乙酰胺濃度為0.05%0.08%。 pH控制。6.66.4 溫度。前期25 26 ，后期23 。 溶解氧。不低于飽和溶解氧的30%。 泡沫的控制。,基質(zhì)濃度：在分批發(fā)酵中，常常因?yàn)榍捌诨|(zhì)量濃度過高，后期基質(zhì)濃度低，對(duì)生物合成酶系產(chǎn)生阻遏或?qū)z生長產(chǎn)生抑制。為了避免這一現(xiàn)象,在青霉素發(fā)酵中通常采用補(bǔ)料分批操作法,即對(duì)容易產(chǎn)生抑制和限制作用的基質(zhì)維持一定的最適濃度。 溫度：青霉素發(fā)酵的最適溫度一般認(rèn)為應(yīng)在25 C 左右。溫度過高將明顯降低發(fā)酵產(chǎn)率,同時(shí)增加葡萄糖的維持消耗, 降低葡萄糖至青霉素的轉(zhuǎn)化率。,pH值：青霉

8、素發(fā)酵的最適pH 值一般認(rèn)為在6.5左右, 應(yīng)盡量避免 pH 值超過7.0。因?yàn)榍嗝顾卦趬A性條件下不穩(wěn)定,容易加速其水解。 溶氧:對(duì)于好氧的青霉素發(fā)酵來說,溶氧濃度是影響發(fā)酵過程的一個(gè)重要因素。當(dāng)溶氧濃度降到30%飽和度以下時(shí),青霉素產(chǎn)率急劇下降,低于10%飽和度時(shí),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(qiáng)度下降,同樣影響生產(chǎn)能力的發(fā)揮。,菌絲濃度：發(fā)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(dá)到平衡。 菌絲生長速度：在葡萄糖限制生長的條件下，當(dāng)比生長速率低于0.015h-1時(shí)，比生產(chǎn)速率與比生長速率成正比。因此

9、, 要在發(fā)酵過程中達(dá)到并維持最大比生產(chǎn)速率,必須使比生長速率不低0.015h-1。 菌絲形態(tài)：青霉素產(chǎn)生菌分化主要呈絲狀生長和結(jié)球生長兩種形態(tài)。在絲狀菌發(fā)酵中, 控制菌絲形態(tài)使其保持適當(dāng)?shù)姆种Ш烷L度, 并避免結(jié)球 , 是獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵要素之一。而在球狀菌發(fā)酵中, 使菌絲球保持適當(dāng)大小和松緊,并盡量減少游離菌絲的含量, 也是充分發(fā)揮其生產(chǎn)能力的關(guān)鍵素之一。,碳酸鈣：用來中和發(fā)酵過程中產(chǎn)生的雜酸，并控制發(fā)酵液的pH值。 苯乙酸/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，提高青霉素的生產(chǎn)強(qiáng)度。 P和S：為菌體提供營養(yǎng)的無機(jī)磷源一般采用磷酸二氫鉀。另外加入硫代硫酸鈉或硫酸鈉以提供青霉素分子中所需的硫。,另外，由于在發(fā)酵過程中二氧化碳的不斷產(chǎn)生，加上培養(yǎng)基中有很多有機(jī)氮源含有蛋白質(zhì)，因此在發(fā)酵罐內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量泡沫，如不嚴(yán)加控制，就會(huì)產(chǎn)生發(fā)酵液逃液，導(dǎo)致染菌的后果。采用植物油消沫是個(gè)