探讨青霉素类抗生素的工业生产技术

2022-11-15徐慧丽

中国科技纵横 2022年3期

徐慧丽

（内蒙古常盛制药有限公司，内蒙古呼和浩特 010200）

0.引言

抗生素在人类史上的使用十分广泛，解决了各类感染问题，降低了人们的痛苦程度，尤其是青霉素类的抗生素，在医疗领域中的应用效果显著，广受医患青睐。因此，加大对青霉素类抗生素技术研发，可带来可观的经济效益，为临床疾病治疗提供新思路。通过优化青霉素类抗生素的工业生产工艺，能够为青霉素类抗生素生产和应用提供保障，并进一步丰富青霉素类生物制药工艺理论内容。

1.青霉素和抗生素相关内容分析

1.1 青霉素

青霉素属于抗菌素，是重要的β-内酰胺类抗生素，主要来源于发酵液提取等发酵工艺生产，在不同菌种培养条件下得到的一种化学物质，具有杀菌作用，尤其对革兰氏阳性菌有效，就青霉素理化性质看，具有稳定性好、溶解度高、降解反应快等特征，青霉素在醋酸乙酯、丙酮、等有机溶剂中的溶解度较小。在酸碱等物质分解作用下，会降低活性，发生分子重排的现象，整个过程中发生了一定的降解反应观察青霉素在发酵环境中的成长过程发现，分为多个成长阶段，各个阶段也有一定的差异性。整个成长过程需要经历7个阶段，第一阶段，主要是萌发孢子，生成芽管；第二阶段，开始繁殖菌丝；第三阶段开始形成脂肪包涵体，具有较强的嗜碱性；第四阶段，脂肪包涵体开始变小，进入抗生素生产阶段；第五阶段，脂肪包涵体消失，也是青霉素生产产量最高的阶段，在此阶段，应用科学合理的工业技术，可进一步提高青霉素的产量；第六阶段，出现个别的自溶细胞，开始释放游离氨第七阶段，菌丝全部自溶[1]。就青霉素的应用情况看，大量临床研究表明，青霉素可用于溶血性链球菌感染、炭疽、破伤风、放线菌、流行性脑脊髓膜炎等感染治疗中。

1.2 抗生素

抗生素是次级代谢的产物，在低浓度下可杀灭肿瘤细胞，药理作用显著，具有抗细菌感染、抗病原虫、刺激植物生产等重要作用，现阶段，临床上广发应用抗生素用于疾病治疗中，抗生素生产来源主要是依托微生物发酵实现生物合成，从分类上看依次为青霉素、头孢菌素类、碳霉素类、万古霉素等。按照抗生素化学结构及作用机理分类看，可分为（1）β-内酰胺类：如青霉素类、头孢菌素；（2）四环素类：小诺霉素、土霉素、力霉素类等；（3）氯霉素类：甲砜霉素、氯霉素等；（4）大环内酯类：红霉素、磷霉素、利福平等。

研究青霉素抗生素生产背景发现，青霉素在全球范围内的销量较大，此类抗生素具有高效、低毒等优势特点，在临床上的应用价值较高，青霉素类抗生素的研制，大大提高了抵抗细菌性感染的能力，为青霉素类抗生素的研发夯实了基础。青霉素最早是由英国一位学家发现的，在培养葡萄球菌的双蝶上发现了青霉，对菌株进行鉴定和试验分析，最终将青霉定义为青霉素，为青霉素研究进展提供了先决条件。之后，由英国Florey对青霉菌展开了进一步的研究，利用培养液对青霉菌进行培养，并用于临床中进行试用，发现应用效果显著、毒性较小，对革兰氏阳性菌产生了抑制作用，相关研究学者在此基础上，对青霉素类抗生素展开了进一步的研究，并致力于研发提取青霉素的生产工艺，保证青霉素的产量，更好满足临床应用需求。

2.探究青霉素类抗生素工业生产技术

2.1 生产菌种

发酵生产过程中，将产黄青霉菌作为生产菌种，主要借助诱变育种的方法进行生产，确保最终获取到高产量的菌株，为保证生产产量，需要优选产量高、稳定性好、培养环境适应能力较强的生产菌种。同时，避免出现菌种衰退的情况，前期准备过程中，为生产菌种提供了冷冻干燥环境，一般会将生产菌种放置于0℃～4℃的恒温环境中，或保证生产菌种是处于休眠状态下的，使用时将其取出，使用后，继续放回上述环境条件中。在生产过程中，操作人员需要严格按照生产菌种的使用年限等相关要求对其进行纯化处理，密切关注是否出现变异菌落，并及时将变异的菌落淘汰掉，从而控制生产菌种的衰退。

2.2 制备孢子

制备孢子是青霉素类抗生素发酵生产的关键，相关操作人员必须提升对此道工序的重视程度，在具体操作中，将预先保存的孢子取出，放置于培养基中进行斜面培养，培养基中含有葡萄糖、甘油等成分，进而促使孢子活化。同时，为保证孢子制备符合青霉素类抗生素发酵工艺标准，必须为孢子制备创造良好的制备环境，试验中，将制备稳定控制在25℃左右，连续培养1周左右，待到培养时间结束，观察是否得到单菌落，并继续进行斜面培养，为保证培养效率和质量，需在上述环境条件下，再培养6d～8d，待培养结束后，可得到斜面孢子[2]。完成上述操作后，将制备得到的孢子转移至含有大米的培养基上，孢子提供优质的生长条件，为满足孢子生长需要，科学调节生长温度，将温度控制在25℃，待生长1周后，可获得大米孢子。为更好获得大米孢子具体情况，对制备出的大米孢子进行摇瓶试验，重点检测其杂菌指标，并得出相关的数据，便于为后续发酵生产提供科学依据。

2.3 制备种子

种子的制备主要目的是为了加快孢子发芽和繁殖速度，进而在发酵成长期间，得到大量的菌丝。在实际培养种子过程中，提供了优质的培养基环境，培养基中含有碳源、有机氮源等，从而满足种子制备需要，尽可能产出大量优质的菌丝体。整个操作过程中，采用的青霉素三阶段发酵办法，一阶段主要是将上述制备好的大米孢子装入发芽罐中，促使孢子萌发，为产出健壮的菌丝提供基础条件。为孢子提供含有玉米浆、玉米油等物质的培养基，保证培养成分内容丰富，更好满足大米孢子培养需要。为充分发挥培养基的作用，会将培养基成分充分的搅拌，将搅拌的时间控制在1h内，搅拌转速在320～340转每分钟，将温度控制在27℃～28℃。完成一阶段的培养后，顺利进入第二阶段的培养，主要使用发酵罐进行培养，目的在于大量繁殖菌丝，提供了含有葡萄糖和玉米浆的发酵罐，将搅拌转速控制在240～260转每分钟，将温度控制在25℃，持续发酵时间在12h～15h左右。完成第二阶段的发酵培养后，进入到第三阶段的培养，同样使用发酵罐进行繁殖，提供含有尿素、苯乙酰胺、硫酸铵等物质成分的发酵罐，由于青霉素发酵受溶氧影响较大。因此，为保发酵效果，操作人员对通气比（0.8～1.5）进行控制，将搅拌转速控制在140～180转每分钟，切实为第三阶段青霉素类抗生素发酵生产提供适宜的温度条件，以及优质的发酵环境[3]。抗生素生物合成过程复杂，容易受到多种因素的影响，基于此，在具体的实验操作中，操作人员对整个发酵工艺过程中进行管控，严格按照工艺工序步骤进行操作，避免出现人为操作失误的情况，保证青霉素类抗生素发酵整个生产过程客观可行。

2.4 提炼青霉素工艺

青霉素提炼工序环节主要是采取化学提炼方式，目的在于提高青霉素的提取精度和纯度，保证青霉素成品质量。因此，在制备青霉素类抗生素发酵液过程中，要充分保证发酵液的纯洁度，及时清除发酵液中的杂质和以及产生菌的代谢产物。提炼人员在具体提炼过程中，始终秉持快速、低温、pH适中、勤清洗和消毒原则，并严格按照青霉素的提纯工艺步骤进行操作。在青霉素提炼环节主要应用到溶媒萃取法、沉淀法等工艺方法，均取得了一定的提炼成效，发挥了不同工艺方法的优势作用，顺利完成青霉素提取作业。就青霉素提炼具体工艺过程进行分析如下：

2.4.1 预处理

整个发酵生产过程中密切关注每一阶段的发酵情况，待青霉素发酵结束后，为保证提取纯度和精度，相关人员对发酵液进行预处理，主要是将发酵液中的杂质去除干净，进而达到浓缩产物的目的。通过去除发酵液的杂质，可改变发酵液的流变学性质，为后续分离纯化提供基础条件，便于顺利进入下一个工序中。

2.4.2 过滤

过滤工序主要是对预处理得到的发酵液进行再次优化，具体操作中，在发酵液中加入一定量的絮凝剂沉淀蛋白，利用真空转鼓进行过滤，主要是将菌丝体和部分的蛋白过滤干净。由于青霉素具有易降解的特征，因此，为保证过滤收率，将发酵液温度冷凝到零下10℃以下，此温度条件下的过滤收率能够达到90%。在具体的过滤工序中，对于长度在10m左右的菌丝体，主要使用鼓式真空过滤机进行过滤操作，将得到的饼状滤渣刮下来，保证滤液的pH值在6.25～7.2左右，若蛋白质含量过高，超出0.05%～0.2%范围，必须再次过滤蛋白质，直至满足过滤标准[4]。为充分改善预处理后的发酵液属性，操作人员将硫酸pH调节到4.4～5.1，并加入适量的溴代十五烷吡啶，并掺入适量的硅藻土，有效改善了过滤效果，保证了蛋白质的去除效果。完成上述所有操作后，借助板框式的过滤机对发酵液进行再次过滤，并进入萃取工序。

2.4.3 萃取和脱色

萃取青霉素工艺环节，使用的是溶媒萃取技术，主要是根据青霉素溶于有机溶剂且青霉素易溶于水这一性质，为青霉素转入有机溶媒中提供了酸性条件，通过调节pH，再将青霉素转入pH适中的水相中，经过反复多次萃取操作，萃取到高纯浓缩的青霉素。完成萃取工序后，使用活性碳物质，将萃取得到的青霉素进行过滤，去除色素。

2.4.4 结晶

为保证抗生素的结晶效果，操作人员通过改变温度的方式进行操作，主要是根据青霉素类抗生素随溶解度温度变化而变化的属性完成结晶的。同时，应用到等电点结晶的工艺方式，将青霉素溶液pH调节至等电点后，此时，青霉素在水溶液中的溶解度是最小的，经过沉淀后，可析出结晶。

2.5 检验成品

在青霉素类抗生素生产过程中，广泛使用生物合成法，实践应用中发现，此种方法难以满足提取纯度要求，尤其在生物合成过程中，会产生药效差异物质，不利于成品加工制作，在存储或运输过程中，会引起抗生素编制。基于此，为保证青霉素类抗生素药品质量及用药安全，加强对青霉素类抗生素成品检验，显得尤为重要。在具体检验中，主要对青霉素类抗生素形状进行试验，检验药品是否达到安全标准，做好效价测定和水分测定，切实保证青霉素类抗生素药品质量，确保安全进入药品市场中。

3.优化青霉素类抗生素发酵生产工艺路径

3.1 做好发酵过程中的灭菌工作

由于青霉素类抗生素本身具有β-内酰胺性质，若β-内酰胺被破坏，将影响发酵效果，甚至造成β-内酰胺失效。基于此，必须做好青霉素类抗生素发酵灭菌工作，避免实施高压灭菌手段，尽可能在无菌模式下完成操作，可应用冷冻干燥技术，确保青霉素在真空条件下有效将水分去除，进而保证青霉素制备质量。就冷冻干燥技术原理看，主要是将含有水分的物料进行降温，促使物料达到冰点，并将直接升华，将水蒸气去除掉，进而得到干燥的产物，技术性能显著，主要是在升华作用下去除水分，有效保证了产品的干燥程度。就冷冻干燥技术在青霉素无菌操作中的应用优势看，由于青霉素是在低温真空状态下进行干燥的，因此，有效控制了分解率，保证了青霉素的纯度，在冻结青霉素过程中，可保持青霉素原体积，并在遇水后快速溶解，可还原药物原有性质。整个操作过程中，满足无菌操作标准，减少对青霉素的污染，有效控制了青霉素发酵产生的异物，显著改善了药溶解性能，提高了青霉素提取纯度[5]。另外，将冷冻干燥技术应用在青霉素干燥中，解决了药物制剂不稳定性问题，避免制剂粒子发生沉降絮凝现象，可保持青霉素类抗生素制剂在分散的状态下，减少药物粒度同时，改善药物的溶解性能，最大程度上保证青霉素发酵灭菌效果，制备效果显著。