年产2300吨青霉素发酵工段工艺设计_毕业设计(编辑修改稿)

年产2300吨青霉素发酵工段工艺设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

年需求量为 万吨，但直接作为注射剂使用的青霉素 G 和作为口服剂使用的青霉素 V仅占全部青霉素产品的 20%，除了另外 3%～ 5%作为兽药或饲料添加剂使用外，大部分青霉素是作为制备 6氨基青霉素烷、 7氨基脱乙酰氧基头孢烯酸或氯亚甲基头孢烯母核的原料，通过这些母核中间体转化成高附加值产品推向市场。 据估计，在世界范围内目前对 6氨基青霉素烷的需求量约为 25800 吨，到 2020 年将达到 32800吨；对 7氨基脱乙酰氧基头孢烯酸的需求量约为 6000吨，到 2020年为 7000吨。 到 2020 年，世界基本药物中，仅羟氨苄青霉素、氨苄青霉素和头孢氨苄 3 个品种内蒙古科技大学毕业设计 说明书 的世界需求量将达 17800 吨。 上述三种产品占抗感染药物原料药的 78%，用于生产这些半合成产品所需消耗的青霉素约占全部产量的 3/4。 1953 年 5 月，中国第一批国产青霉素诞生，揭开了中国生产抗生素的历史。 在 1996 年得到迅速扩展，当时全球青霉素原料药年产销量达 4万吨左右，其中中国的青霉素在国际市场的份额占到 30%，且出口量猛增。 截至 目前 ， 中国青霉素年发酵能力在 1500 吨以上 的有 华北制药 3200 吨，哈药集团为 2100 吨，山东鲁抗为 1290吨，这三大青霉素 生产企业 年发酵能力为 6590 吨，年发酵能力超过 1000 吨的企业还有四川制药厂、河北制药集团和张家口制药总厂。 中国目前是世界上最大青霉素生产国，青霉素原料主要出口市场是：印度、韩国、日本、台湾、德国、荷兰、爱尔兰、法国、香港和美国，这十大市场合计占中国总出口量的 82%。 青霉素工业钾盐的生产能力已占世界生产能 力 40000 吨的 40%，实际产量占世界的 %，特别是进入 2020 年，中国的原料药产量中有七种青霉素系列产品均呈现增长趋势，其中哌拉西林增长了267%，以 6APA 为中间体的系列产品阿莫西林增长 69%，产量近 2020 吨。 青霉素分子结构及分类 青霉素是 6－氨基青霉烷酸（ 6aminopenicillanic acid, 6APA）苯乙酰衍生物。 侧链基团不同，形成不同的青霉素，主要是青霉素 G。 工业上应用的有钠、钾、普鲁卡因、二苄基乙二胺盐 ，其在水中溶解度很小，且很快失去活性。 青霉素的 分子通式为： RC9O4H11 N2 S 结构通式可表示为 下图 ： 图 青霉素 结构通式 然而 青霉素发酵液中含有 5 种以上天然青霉素（如青霉素 F、 G、 X、 K、 F 和 V 等），它们的差别仅在于侧链 R 基团的结构不同，其中青霉素 G 在医疗中用得最多，内蒙古科技大学毕业设计 说明书 它的钠或钾盐为治疗革兰氏阳性菌的首选药物，对革兰氏阴性菌也有强大的抑制作用。 其各个青霉素结构式 如下图 ： 图 青霉素 结构式 青霉素的单位 目前国际上青霉素活性单位表示方法有两种：一是指定单位（ unit）；二是活性质量（ μg），最早为青霉素规定的指定单位是： 50mL 肉汤培养基中恰能抑制标准金葡萄菌生长的青霉素量为一个青霉素单位。 在以后，证明了一个青霉素单位相当于 青霉素钠。 因此青霉素的质量单位为 : 青霉素钠等于 1 个青霉素单位。 由此， 1mg青霉素钠等于 1670 个青霉素单位 (unit)。 作用机理 有研究认为，青霉素的抗菌作用与抑制细胞壁的合成有关 [1]。 细菌的细胞壁是一层坚韧的厚膜，主要由多糖组成，也含有蛋白质和脂质，用以抵抗外界的压力，维持细胞的形状。 细胞壁的里面是细胞膜，膜内裹着细胞质 ,青霉素作用于 β内酰胺类细菌的细胞壁，而人类只 有细胞膜无细胞壁，故对人类的毒性较小。 革兰氏阳性菌细胞壁的组成是肽聚糖占细胞壁干重的 50％～ 80％（革兰氏阴性菌为 1％～ 10％）、磷壁酸质、脂蛋白、多糖和蛋白质。 其中肽聚糖是一种含有乙酰基葡萄糖胺和短肽单元的网状生内蒙古科技大学毕业设计 说明书 物大分子，在它的生物合成中需要一种关键的酶即转肽酶。 青霉素作用的部位就是这个转肽酶。 现已证明青霉素内酞胺环上的高反应性肽键受到转肽酶活性部位上丝氨酸残基的羟基的亲核进攻形成了共价键，生成青霉噻唑酰基 酶复合物，从而不可逆的抑制了该酶的催化活性。 通过抑制转肽酶，青霉素使细胞壁的合成受到抑制，细菌的抗渗透压能力降低，引起菌体变形，破裂而死亡。 即 作用 机理 是干扰细菌细胞壁的合成。 因为 青霉素的结构与细胞壁的成分粘肽结构中的 D丙氨酰 D丙氨酸近似，可与后者竞争转 肽酶 ，阻碍 粘肽 的形成，通过抑制细菌细胞壁四肽侧链和五肽交连桥的结合而阻碍细胞壁合 成 而发挥杀菌作用。 造成细胞壁的缺损，使细菌失去细胞壁的渗透屏障，对细菌起到杀灭作用。 对革兰阳性球菌及革兰阳性杆菌、 螺旋体 、 梭状芽孢杆菌 、 放线菌 以及部分 拟杆菌 有抗菌作用。 对 溶血性链球菌 等 链球菌属 ， 肺炎链球菌 和不产 青霉素酶 的葡萄球菌具有良好抗菌作用。 对肠球菌有中等度抗菌作用。 对 流感嗜血杆菌 和百日咳鲍特氏菌亦具一定抗菌活性 ， 对梭状芽孢杆 菌属、消化链球菌、 厌氧菌 以及产黑色素拟杆菌等具良好抗菌作用。 青霉素的应用 临床应用： 40 多年 来 ，主要控制敏感金黄色葡糖球菌、链球菌、肺炎双球菌、淋球菌、脑膜炎双球菌、螺旋体等引起感染，对大多数革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌）和某些革兰氏阴性细菌及螺旋体有抗菌作用。 优点：毒性小，但由于难以分离除去青霉噻唑酸蛋白（微量可能引起过敏反应），需要皮试。 各种半合成抗生素的原料：青 霉素的缺点是对酸不稳定，不能口服，排泄快，对阴性菌无效。 氨苄青霉素耐酸广谱；对抗绿脓杆菌的磺苄青霉素，耐酸、耐酶、口服的乙氧萘青霉素等 ， 提供头孢菌素母核。 产品名称及生产规模 产品名称 :注射用青霉素 G 生产规模 :年产 2300 吨 化学名 ： (2S,5R,6R)3,3二甲基 6(2苯乙酰氨基 )7氧代 4硫杂 1氮杂双环[]庚烷 2甲酸 分子式 ： C16H17N2O4S 内蒙古科技大学毕业设计 说明书 分子量 ： 结构式 如下图 ： 图 青霉素 G 结构式 产品药理 青霉素 为β内酰胺 抗生素对革兰阳性菌及某些革兰阴性菌有较强的抗菌作用，金黄色葡萄球菌 (金葡菌 )、肺炎球菌、淋球菌及链球菌等对本品高度敏感；脑膜炎双球菌、白喉杆菌、破伤风杆菌及梅毒螺旋体也很敏感。 主要用于敏感菌引起的各种急性感染，如肺炎、支气管炎、脑膜炎、心内膜炎、腹膜炎、脓肿、败血症、蜂窝组织炎、乳腺炎、淋病、钩体病、回归热、梅毒、白喉及中耳炎等。 对溶血性链球菌等链球菌属，肺炎链球菌和不产青霉素酶的葡萄球菌具有良好抗菌作用。 对肠球菌有中等度抗菌作用，淋病奈瑟菌、脑膜炎奈瑟菌、白喉棒状杆菌、炭疽芽孢杆菌、牛型放线菌、念珠状链 杆菌、李斯特菌、钩端螺旋体和梅毒螺旋体对本品敏感。 本品对流感嗜血杆菌和百日咳鲍特氏菌亦具一定抗菌活性，其他革兰阴性需氧或兼性厌氧菌对本品敏感性差，对梭状芽孢杆菌属、消化链球菌厌氧菌以及产黑色素拟杆菌等具良好抗菌作用，通过抑制细菌细胞壁合成而发挥杀菌作用。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书 第二章 设计说明 青霉素发酵过程 青霉素发酵过程中的代谢变化分为菌体生长、青霉素合成和菌体自溶三个阶段 [2] (1) 菌体生长阶段 发酵培养基接种后生产菌在合适的环境中经过短时间的适应，即开始发育、生长和繁殖，直至达到菌体的临界浓度。 这个阶段主要是碳源 （包括糖类、脂肪等）和氮源的分解代谢，以及菌体细胞物质的合成代谢变化，前者的代谢途径和后者有机地联系在一起，碳源、氮源和磷酸盐等营养物质不断被消耗，新菌体不断合成。 随着菌体浓度的不断增加，摄氧率不断增大，溶解氧水平不断降低。 当达到菌的临界浓度时，摄氧率达到最大，溶解氧降至最小。 当营养物质的消耗达到一定程度，菌体生长达到一定浓度，或者溶解氧的供应下降到某一水平，即成为限制因素时，菌体生长速度减慢；同时，由于菌体的某些中间代谢产物的迅速积累、原有的酶活力下降以及出现与抗生素合成有关的新酶等原因，导致生理阶段的转 变，发酵就从菌体生长阶段转入青霉素合成阶段。 (2) 青霉素合成阶段 这个阶段主要合成青霉素，青霉素的生产速率达到最大，并一直维持到青霉素合成能力衰退。 在这个阶段，菌体重量有所增加，但产生菌的呼吸强度一般无显著变化。 这期间以碳源和氮源的分解代谢和青霉素的合成代谢为主，前者的代谢途径和后者有机地联系在一起，碳源、氮源等营养物质不断消耗，青霉素不断合成。 此外，由于存在着抗生素合成和菌体合成二条不同的代谢途径，需要严格控制发酵条件，以利抗生素合成代谢的进行。 一般在这个阶段，发酵液中碳源、氮源和磷酸盐等营养物质的 浓度必须控制在一定范围内，才有利于青霉素合成；如果这些物质过多，则只会促进菌体生长，抑制青霉素合成；如果这些物质过少，则菌体容易衰老，青霉合成能力也会衰退，对生产不利。 除此之外，发酵液的 pH 值、温度和溶解氧浓度等都会影响发酵过程中的代谢变化，进而影响青霉素产量，必须予以严格控制。 此阶段一般又称为青霉素分泌期或发酵中期。 (3) 菌体自溶阶段 这个阶段菌体衰老，细胞开始自溶，合成青霉素能力衰退，青霉素生产速率下降，内蒙古科技大学毕业设计 说明书 氨基氮增加， pH 上升。 此时发酵必须结束，否则不仅会使青霉素受到破坏，还会给发酵液过滤和提 炼带来困难。 此阶段一般又称为菌体自溶期或发酵后期。 生产方法 青霉素 G 生产分为菌种发酵和提取精制 [2]两个步骤 : 菌种发酵：将产黄青霉菌接种到固体培养基上，在 25℃ 下培养 7～ 10 天，即可得青霉菌孢子培养物。 用无菌水将孢子制成悬浮液接种到种子罐内已灭菌的培养基中，通入无菌空；气、搅拌，在 27℃ 下培养 24～ 28h，然后将种子培养液接种到发酵罐已灭菌的含有苯乙酸前体的培养基中，通入无菌空气，搅拌，在 27℃ 下培养 7 天。 在发酵过程中需补入 苯乙酰胺 前体及适量的培养基。 提取精制：将青霉素发酵液冷却，过滤。 滤液在 pH2～ 的条件下，于离心机内用醋酸丁酯进行逆流萃取，得到 BA 萃取液， BA 经水洗离心机洗去溶于水的色素及溶于水的杂酸。 将此 BA 萃取液经活性炭脱色，脱色 BA 加入碳酸钾溶液调 pH 至7 左右离心机反萃取得 RB， RB 加丁醇经共沸蒸馏过滤干燥即可得青霉素 G 钾盐。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书 工艺流程 图 工艺流程图 在 2526176。 C ，培养 68d，形成单菌 落 调 pH 至中性，加 倍体积 无水丁醇，在 1626176。 C ， 将孢子制成悬液，接入到大米培养基上， 25176。 C ，相对湿度 50%，生长 7d。 用 10%硫胺调节 pH ,加入 %溴代十五烷吡啶，再通过板枢式过滤机。 采用鼓式真空过滤机过滤，除去菌丝体和大部分蛋白。 通入充足空气，充分搅拌 150200r/min, 在 2526176。 C ，培养 168h。 通气体积比 1:3, 充分搅拌 250280r/min, 在温度（ 25177。 ） 176。 C 下培养14h。 通入无菌空气，充分搅拌 300350r/min,在温度（ 27177。 ） 176。 C 下培养 4050h。 产黄青霉 斜面孢子 米孢子 一级种子罐 二级种子罐 发酵罐 发酵液 发酵滤液 一次 BA萃取液 脱色液 干燥晶体 一次水提液 结晶混悬液 内蒙古科技大学毕业设计 说明书 工艺特点 本工艺工程为三级发酵 [3]， 一级种子罐 二级种子罐 发酵 罐。 二级种子罐 、 一级种子罐 培养时间短，培养基一 次投入，中间不补料， 发酵 罐考虑到各种由于底物浓度过高引起的底物抑制情 况以及产物合成期对营养成分的需求，采用中间补料。 主要补油、补糖、补氨水调解 PH， 在放罐前一次性补消沫油。 一级种子罐 采用实罐消毒， 二级种子罐 、 发酵 罐培养基采用连续消毒。 一级种子罐 体积小采用夹套换热， 二级种子罐 采用内蛇管， 发酵 罐用外盘管加内蛇管换热，内蛇管也作为罐内挡板， 以 加强罐内料混合程度。 主要技术资料 : (1) 接种量 一级种子罐至二级种子罐按 15%计算； 二级种子罐至发酵罐按 15%计算； (2) 培养基灭菌 一级种子罐及二级种子罐培养基采用空消灭菌； 发酵罐培养基采用实消灭菌； (3) 通气 量 一级种子罐： （ VVM），二级种子罐： (VVM)， 发酵罐： (VVM)； (4) 无菌空气处理系统 空气处理量：按设计要求 空压机出口压力： ~（ Mpa） 进总过滤器的相对湿度： 60% 空气洁净度： 100 级 (5) 发酵周期： 一级种子罐： 64 小时，二级种子罐： 56 小时，发酵罐： 136 小时 (6) 装料系数 一级种子罐： 65%，二级种子罐： 70%，发酵罐： 80% (7) 自控要求： 发酵系统：种子罐、发酵罐温度自控， PH 控制 ，罐压指示，溶氧指示，转速显示及变频调速，液位报警； 连消系统：温度、流量连锁控制； 内蒙古科技大学毕业设计 说明书 空气系统：温度自动控制； 后处理系。