4.1 Производство антибиотика пенициллина

Производство антибиотика пенициллина — хороший пример использования периодического культивирования с добавлением субстрата для получения вторичного метаболита.

Для производства пенициллина используют специально отобранные расы плесневых грибов-суперпродуцентов, принадлежащие к роду Penicillium. Для промышленного производства пенициллина применяют биореакторы с механическим перемешиванием, объемом свыше 10000дм³.

Решающее значение имеет состав среды, используемой в процессе ферментации. Питательная среда, используемая для производства пенициллина, обычно содержит кукурузный экстракт, лактозу, глюкозу и др. Предпочтительным источником углерода является глюкоза. Глюкоза обеспечивает рост гриба, однако подавляет продукцию ферментов, необходимых для синтеза пенициллина. Поэтому обычно стимулируют быстрый рост гриба в первые 30—40 ч, а затем добавляют глюкозу в низкой концентрации либо контролируемыми дозами, либо постоянно (т.е. это периодическое культивирование с добавлением субстрата). Источником азота является дешевый белок, например соевая или рыбная мука. Кроме того, в среду добавляют фосфат, карбонат кальция и фенилуксусную кислоту, которые повышают выход продукта, так как они необходимы для образования молекулы пенициллина. Поскольку пенициллин является вторичным метаболитом, он образуется уже после начальной, быстрой фазы роста. К первичным метаболитам, которые формируются на первой фазе роста, относятся, например, такие продукты дыхания, как двуокись углерода и этиловый спирт.

Посевной материал выращивают из спор гриба. Для инокуляции ферментера объемом 50 000 дм³ требуется 3—5 тонн мицелия. Поскольку пенициллин необходим в огромных количествах, для его производства построен ферментер объемом до 200000 дм³. Ежедневно потребляется около 500 кг глюкозы. Выход пенициллина сильно зависит от температуры, которая может подниматься до 2°С в час, поэтому нужно внимательно следить за этим фактором. Необходимо также контролировать значение рН и поддерживать его между 6,5 и 7,0. Процесс продолжается примерно 15 сут.

После стерилизации и охлаждения среда засевается поросшими спорами гриба, аэрируется путем пропускания через нее воздуха и перемешивается с помощью мешалки. Температуру культивирования поддерживают в пределах 24-25⁰С. Для предотвращения чрезмерного образования пены применяют химические пеногасители.

Дальнейшая переработка начинается с удаления мицелия путем вакуумной фильтрацией или центрифугированием. Пенициллин остается растворенным в жидкой фазе среды. Его экстрагируют серией растворителей. При каждой экстракции удаляется часть примесей, так что пенициллин становится все чище и чище, пока он не окажется растворенным в воде в чистом виде. Затем воду удаляют путем выпаривания в вакууме, а пенициллин кристаллизуется в виде натриевой или калиевой соли (сам по себе пенициллин является слабой кислотой).

промывка бутиловым спиртом

Промывка бутиловым спиртом

Приготовление среды

Приготовление р-ра глюкозы

Приготовление ФУК

Приготовление воздуха

Приготовление посевного материала маматериаламатериала

Стерилизация среды

Стерилизующая фильтрация

Стерилизующая фильтрация

Ферментация

Сушка

Фильтрация

Коагуляция

Биомасса Кормовой продукт

Фильтрация

Осадок

Охлаждение

Экстракция I

Кислота

Бутилацетат Обедненный раствор на сток

Реэкстракция

Р-р NaНСО₃ Бутилацетат на регенерацию

Экстракция II

Бутилацетат

Охлаждение до-16…-18⁰С

Фильтрация ото льда

Обесцвечивание активированным углем

Уголь

Фильтрация сорбента

Отработанный уголь (сорбент)

Экстракция 0,5N р-м КОН

Концентрат калиевой соли

Вакуум-выпаривание

Бутиловый спирт Темп. 16-26⁰С

Стерилизующая фильтрация

Кристаллизация

Фильтрование кристаллов

Промывка бутиловым спиртом

Гранулирование

Вакуум-сушка

Расфасовка во флаконы

Хладагент бутанол на регенерацию паста пенициллин Рисунок 4 – Схема производства пенициллина

Рисунок 5 – Схема производства пенициллина

1 – пар; 2- контроль воздуха; 3 – конденсат; 4 – биореактор; 5 – направляющий рукав; 6 – вращающийся барабан; 7 – холодильник; 8 – непрерывный вакуумный фильтр; 9 – адсорбция на угле; 10 – вакуум –испаритель с нагреванием; 11 – ацетон; 12 – фильтрация и элюция ацетоном; 13 – из запасного резервуара; 14 – к запасному резервуару; 15 – холодная вода; 16 – сгуститель; 17 - амилацетат; 18 - смеситель; 19 – шланг; 20 – первая стадия; 21 – вторая стадия; 22 – третья стадия; 23 – фракционная колонка; 24 – отгон амилацетата; 25 – приемник; 26 – вакуум-испаритель; 27 – отстойник; 28 – регенерация ацетона