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第一章 绪论
第一章 绪论
1.1 青霉素的发现
青霉素是一种高效、低毒、临床应用广泛的重要抗生素。它的研制成功大大增强了人类抵抗细菌性感染的能力，带动了抗生素家族的诞生。20世纪40年代前，人们一直未能掌握一种能高效治疗细菌性感染且副作用小的药物。为改变这种局面，科学家进行了长期探索，然而在这方面所取得的突破性进展却源自一次意外发现。1928年，英国细菌学家弗莱明发现一个与空气意外接触过的金黄色葡萄球菌培养皿中长出了一团青绿色霉菌。用显微镜观察培养皿时发现，霉菌周围的葡萄球菌菌落已被溶解。这意味着霉菌中某种分泌物能抑制葡萄球菌。此后的鉴定表明，上述霉菌为点青霉菌，因此弗莱明将其分泌的抑菌物质称为青霉素。
1940年，英国弗洛里和钱恩进一步研究此菌，并从培养液中制出了干燥的青霉素制品。经实验和临床试验证明，它毒性很小，并对一些革兰氏阳性菌所引起的许多疾病有卓越的疗效。此后一系列临床实验证实了青霉素对白喉杆菌、链球菌等多种细菌感染的疗效。在这些研究成果的推动下，美国制药企业于1942年开始对青霉素进行批量化生产。到了1943年，制药公司已经发现了批量生产青霉素的方式。当时美国和英国正在和纳粹德国交战。这种新的药物对控制伤口感染有显著疗效。到1944年底，青霉素药物的供应已经足够治疗第二次世界大战期间所有参战的盟军士兵。1945年，弗莱明、弗洛里和钱恩因“发现青霉素及其临床效用”而共同荣获诺贝尔生理学或医学奖。
1.2 青霉素发展历程
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。上世纪80年代以后，世界青霉素生产格局悄然发生了变化，这缘于中国与印度抗生素工业的崛起。在此之前，欧洲根本不把亚洲制药工业放在眼里，因为当时亚洲尚无现代化工业可言，更何况制药工业了。
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1978年，我国实行以市场化为导向的改革开放新政策，我国的制药工业以前所未有的速度高速发展，到20世纪80年代末、90年代初，我国生产的青霉素工业盐已占了世界总产量的三分之一。
1.3 青霉素市场分析
目前世界青霉素年需求量为5万吨左右，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%，另外3%～5%作为饲料添加剂或兽药使用外，大部分青霉素是作为制备7-氨基脱乙酰氧基头孢烯酸、6-氨基青霉素烷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。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四分之三。
青霉素是中国化学原料主要品种之一。上世纪80年代后，世界青霉素生产格局发生了翻天覆地的变化。中国青霉素工业盐的产量从90年代的初的约占世界总产量的三分之一逐步增加到目前的90%以上。中国青霉素行业发展迅速。目前中国青霉素工业盐产能已达10万吨/年，而每年全球需求量也只有5—6万吨，将青霉素作为制备其他抗生素母核的原料，让绝大部分抗生素品种摆脱了依赖进口的局面。面对国际市场对青霉素产品的需求的减弱和国内市场抗生素产品的升级，可知我国的青霉素需求量还是呈上升趋势。
1.4 青霉素分子结构及分类
青霉素是6－氨基青霉烷酸（6-aminopenicillanic acid， 6-APA）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。工业上应用的有钾、钠、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
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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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