第一章 绪论

结构通式可表示为下图：

图1-1 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，它的钾或钠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。

1.5 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0.6μg青霉素钠。因此青霉素的质量单位为: 0.6μg青霉素钠等于1个青霉素单位。由此，1mg青霉素钠等于1667个青霉素单位(unit)。

1.6 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。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、多糖、脂蛋白和蛋白质。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

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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。

1.7 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。

1.8 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、破伤风杆菌、白喉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、腹膜炎、心内膜炎、脓肿、败血症、蜂窝组织炎、乳腺炎、淋病、回归热、钩体病、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。

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第二章 工艺设计

第二章 工艺设计

2.1 青霉素的生产原料

2.1.1 菌种

常用菌种为产黄青霉（ Pen chrysogenum ）。当前生产能力可达50000—90000μ/ml。按其在深层培养中菌丝的形态，可分为球状菌和丝状菌。今常用绿色丝状菌为代表。

2.1.2 培养基

培养基成分为：

⑴ 碳源 青霉菌能利用多种碳源和乳糖、蔗糖、葡萄糖等。目前普遍采用淀粉经淀粉酶水解的葡萄糖糖化液（DE值50%以上）进行流加。 ⑵ 氮源 选用玉米浆、玉米饼粉等并补加无机氮源。

⑶ 前体 微生物合成含有苄基基团的青霉素G，需在发酵中加入前体如苯乙酸或苯乙酰胺。一次加入量不能大于0.1%，并采用多次加入方式。

⑷ 无机盐 包括硫、磷、钙、镁、钾等盐类。铁离子对青霉菌有毒害作用，应严格控制发酵液中铁离子的含量在30 μ/ml以下。

2.2 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]

2.2.1 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

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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。

2.2.2 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。

2.2.3 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，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。

2.3 生产工艺

青霉素的生产方法有产天然青霉素法和青霉素半合成法。

2.3.1 天然青霉素的生产方法

天然青霉素G生产可分为菌种发酵和提取精制两个步骤。①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，

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