項目描述：
本項目以抗生素的發現、發展及現代生產方法的介紹入手，重點講解了青黴素的發酵生產工藝及過程。主要內容包括：青黴素的化學結構、理化性質及其生物合成原理，生產菌（產黃青黴）的生長發育特點及培養方法，發酵生產控製技術，發酵液的預處理及產物的提取和精製。
學習目標：
了解抗生素及抗生素的生產概況。了解青黴素的結構、理化性質及生物合成原理。
了解青黴素生產菌的生長發育特點及培養方法。
掌握青黴素工業發酵的主要控製參數。
掌握青黴素發酵液的過濾與預處理。
掌握青黴素的提取及精製過程。
能力目標：
能熟練掌握產黃青黴發酵培養基的配製及滅菌技術。
掌握產黃青黴的檢驗技術及保存方法。
掌握產黃青黴的兩級擴大培養及三級發酵培養。
掌握產黃青黴發酵生產青黴素的發酵終點控製和提取工藝。
1949年前，我國抗生素藥物完全依賴進口；1949年北京生物製品研究所成立青黴素研究室；1953年5月1日，建立了第一個生產青黴素的抗生素工廠（上海第三製藥廠）；1958年6月3日，最大的抗生素聯合企業建成投產（華北製藥廠，石家莊）；現在國內生產的青黴素，已占世界產量的近70％。國內較大規模的生產企業有華藥、哈醫藥、石藥、魯抗，單個發酵罐規模均在100m3以上，發酵單位在70000U/mL左右，而世界青黴素工業發酵水平達100000U/mL以上。目前，許多廠家仍為原料藥基地，在半合成及成品藥的劑型方麵與國外相比差距還比較大。
一、概述
（一）抗生素是怎樣的物質
1）抗生素的定義
最早被人類發現的抗生素，是由微生物產生的，且主要作用於細菌感染。故在早期，人們認為抗生素是微生物在代謝過程中產生的，在低濃度下就能抑製他種微生物的生長和活動，甚至殺死他種微生物的化學物質。由於抗生素具有殺菌能力，我們曾經把這類物質稱為抗生素。
現在，隨著抗生素研究和生產的發展，新的抗生素的來源正在擴大。可以是微生物、植物（如蒜素、常山堿、黃連素、長春花堿、魚腥草素等）、動物（如魚素、紅血球素等）。
作用對象可以是病毒、細菌、真菌、原生動物、寄生蟲、藻類、腫瘤細胞等。因此不能把抗生素僅僅作為抗菌藥物。
雖然抗生素已被廣泛使用，但是由於抗生素的多樣性，關於抗生素的定義在專家中一直存在著分歧。目前，一個大多數專家所接受的定義是：抗生素是由生物（包括某些微生物、植物和動物在內）在其生命活動過程中產生的，能在低濃度下有選擇地抑製或殺滅他種生物機能的低分子量的有機物質。
2）抗生素的形成及其生物學意義
隨著抗生素合成機理和微生物遺傳學理論的深入研究，目前人們已經了解到抗生素有別於其他（初級）代謝產物，抗生素是次級代謝產物。如大家常聽說的生長素（赤黴素）、毒素（如黃曲黴素）、色素等，都屬於次級代謝產物，這些物質與微生物的生長繁殖無明顯關係，是以基本代謝的中間產物如丙酮酸鹽、乙酸鹽等作為母體衍生出來的。而初級代謝產物如氨基酸、核苷酸、脂類、多糖、維生素等物質，是微生物自身生長和繁殖所必需的。
在生產上，我們可以控製發酵條件，使抗生素產生菌的初級代謝向合成抗生素（次級代謝）的方向發展，從而有利於抗生素的產生。
（二）抗生素的發展史
相傳2500多年前，我們的祖先就用長在豆腐上的黴菌治療疥瘡等疾病。在歐洲、南美，幾個世紀前就用發黴的麵包來治療潰瘍、化膿性創傷等。1928年弗萊明（Fleming）發現，汙染在培養基上的黴菌抑製了葡萄球菌的生長（一種點青黴合成的青黴素）。由於當時還沒有辦法來提取這種抑菌物質，因此未引起重視。直到1943—1945年，弗洛裏（Florey）和錢恩（Chain）重新研究弗萊明的工作，並提取製備出青黴素結晶，臨床意義的抗生素從此誕生，從而促生了一個新的工業部門：抗生素發酵工業。在這期間，1944年瓦克斯曼（Waksman）發現了鏈黴素。隨後氯黴素、金黴素、製黴菌素等不斷出現。20世紀60年代，人類開始嚐試進行半合成青黴素。20世紀70年代抗生素品種迅速發展。到現在為止，已找到1萬多種新抗生素和合成了7萬多種的半合成抗生素，但真正得到臨床應用的常用抗生素僅五六十種。
（三）抗生素的分類
抗生素的分類主要是便於研究，不同學科和科研人員因出發點不同有不同的分類體係。可根據生物來源、作用對象、化學結構、作用機製、生物合成途徑、應用範圍、獲得途徑等方麵對抗生素進行分類。
分類依據類別抗生素舉例生物來源放線菌：鏈黴菌鏈黴素真菌：青黴菌青黴素細菌：多黏杆菌多黏菌素植物或動物蒜素、魚素作用對象廣譜抗生素氨卞青黴素（既抑製G+，又抑製G-）抗真菌抗生素製黴菌素抗病毒抗生素四環類抗生素（對立克次氏體及較大病毒有一定作用）抗癌抗生素阿黴素。
分類依據類別抗生素舉例作用機理抑製細胞壁合成青黴素影響細胞膜功能多烯類抗生素抑製蛋白質合成四環素抑製核酸合成絲裂黴素C抑製生物能作用抗黴素（抑製電子轉移）
（四）抗生素的應用
1）抗生素的劑量表示法
實際應用中，合理使用抗生素的劑量十分重要。抗生素應用時劑量小，因此除重量外，常用特定的效價單位（unit）表示，效價單位也稱抗菌活性單位。
（1）效價單位
最初，由於抗生素無法製得純品，用其生物活性的大小來標示其劑量。
一個青黴素的效價單位（U）：能在50mL肉湯培養基中完全抑製金黃色葡萄球菌標準菌株的發育的最小青黴素劑量。
一個鏈黴素的效價單位（U）：能在1mL肉湯培養基中完全抑製大腸杆菌（ATCC9637）發育的最小劑量。
（2）重量單位（μg）
以抗生素的有效成分（生理活性成分）的重量作為抗生素的基準單位（大多數使用）。
2）抗生素在醫療上的應用
在醫療上，應用抗生素可實現控製細菌感染性疾病、抑製腫瘤生長、調節人體生理功能、器官移植、控製病毒性感染等。
醫療用抗生素應具備的條件：
①高效性（抗生素在低濃度下對多種病原菌有效）。
②難以使病原菌產生耐藥性（臨床使用時注意交叉用藥，可做到有效防止）。
③較大的差異毒性（即對人體副作用小）。
3）抗生素在農牧業、食品生產上的應用
農業主要用於植物保護、促進或抑製植物生長；畜牧業主要用於禽畜感染性疾病控製、飼料添加劑；食品生產中主要用於食品的保鮮、防腐等。
（五）抗生素的工業生產概況
1）抗生素的生產方法
（1）微生物發酵法
利用特定的微生物，在一定條件下（培養基、溫度、pH、通氣、攪拌）使之生長繁殖，並代謝產生抗生素。再用適當的方法從發酵液中提取出來，並加以精製，最後獲得抗生素成品。目前，抗生素的工業化生產主要是來自微生物的大量發酵法，其特點是成本低、周期長、波動大。
（2）化學合成法
某些化學結構明確，結構比較簡單的抗生素，可用化學方法合成。
（3）半合成法
發酵出來的抗生素再經化學方法改造，以獲得性能更優良的抗生素。
2）發酵法生產抗生素
生產簡要流程為
菌種篩選→孢子製備→種子製備→發酵→發酵液的預處理及過濾→提取及精製→成品檢驗→成品包裝→分裝→出廠檢驗。
二、青黴素的生產工藝實例
（一）青黴素的簡介
1）發現
青黴素（Penicillin）又稱盤尼西林，是人類發現的第一種抗生素，也是目前全球銷量最大的抗生素。1940年，英國弗洛裏（Florey）和錢恩（Chain）在前人基礎上，從青黴菌培養液中製出了幹燥的青黴素製品。經實驗和臨床試驗證明，它毒性很小，並對一些革蘭氏陽性菌所引起的許多疾病有卓越療效。
2）化學結構
青黴素是一族抗生素的總稱，它們是由不同的菌種或不同的培養條件所得的同一類化學物質。青黴素分子是由側鏈酰基與母核兩大部分組成。母核為6氨基青黴烷酸（6APA）。R2為羥基（OH），不同的側鏈R1構成不同類型的青黴素。
β內酰胺環結構若R1為苄基即為苄基青黴素或稱為青黴素G。目前，已知的天然青黴素（即通過發酵而產生的青黴素）有8種，它們合稱為青黴素族抗生素。其中以青黴素G療效最好，應用最廣泛。如不特別注明，通常所謂的青黴素即指苄青黴素。
青黴素在青黴素酰胺酶（大腸杆菌所產生）作用下，能裂解為青黴素的母核6氨基青黴烷酸，它是半合成青黴素的原料；若在青黴素酶（β內酰胺酶）等條件作用下，β內酰胺環水解而形成青黴噻唑酸或其他衍生物。
3）理化性質
（1）溶解度
青黴素本身為一元有機酸，可與鉀、鈉、鎂、鈣、鋁和銨等化合成鹽類。青黴素遊離酸易溶於醇、酸、醚、酯等一般有機溶劑，但在水溶液中溶解度很小；青黴素金屬鹽類極易溶於水；幾乎不溶於乙醚、氯仿、醋酸戊酯，略溶於乙醇、丁醇、酮類和醋酸乙酯。如果有機溶劑中含有少量水分時，則青黴素堿金屬鹽在溶劑中的溶解度就大大增加。如鈉鹽在丙酮中溶解度隨丙酮含水由0～2.0％變化，則其溶解度由6.0mg/100mL升至100mg/100mL。青黴素臨床上一般用其鈉鹽、鉀鹽或普魯卡因鹽，增強水溶性。臨床用粉針劑，現用現配。
（2）吸濕性
青黴素的吸濕性與其內在質量有關。純度越高，吸濕性越小，也就易於存放。因此製成晶體就比無定形粉末吸濕性小，而各種鹽類晶體的吸濕性又有所不同，且吸濕性隨著濕度的增加而增大。在某個濕度，濕度在增大時，吸濕性明顯上升，這個濕度稱“臨界濕度”。青黴素鈉鹽的臨界濕度為72.6％，而鉀鹽為80％。青黴素鈉鹽、銨鹽、鉀鹽吸濕性依次減小，鈉鹽比鉀鹽更不易保存，因此分包裝車間的濕度和成品的包裝條件要求更高，以免產品變質。
（3）穩定性
一般來說，青黴素是一種不穩定的化合物，這主要是指青黴素的水溶液而言，成為晶體狀態的青黴素還是比較穩定的。純度、吸濕性、溫度、濕度和溶液的酸堿性等對其穩定性都有很大影響。青黴素遊離酸不耐熱，一般保存於冰箱中；但青黴素鹽的結晶純品，穩定性很好，在幹燥條件下可於室溫保存數年。青黴素鉀鹽結晶，150℃加熱1.5h效價無影響，因此結晶青黴素可幹熱滅菌。
（4）臨床應用及抗菌機理
青黴素主要抑製革蘭氏陽性細菌，但對某些革蘭陰性細菌、螺旋體及放線菌也有較強的抗菌作用。青黴素的結構與細胞壁的粘肽結構中的D丙氨酰近似，可與後者競爭轉肽酶，阻礙粘肽的形成，從而抑製細菌細胞壁的合成，造成細胞壁的缺損，菌體失去滲透屏障而膨脹、裂解，同時借助細菌的自溶酶溶解而產生抗菌作用。這一過程發生在細菌細胞的繁殖期，因此本類藥物為繁殖期殺菌藥。細菌細胞有細胞壁，而動物細胞無細胞壁，因此青黴素類對人體細胞的毒性很低，有效抗菌濃度的青黴素對人體細胞幾乎無影響。
（二）青黴素發酵生產工藝
1）生產原理