青霉素生产的精确在线监控

朱军张亚杰 0 2020-05-27

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威奇达药业是国内重要的抗生素生产企业,仅青霉素年产规模就达万吨,青霉素的生产从发酵到提取均已实现自动化控制,精确的在线监测和调控对实现规模化生产与良好质量控制至关重要.

图1 梅特勒-托利多pH电极InPro2000i和InPro3250i。

威奇达药业是国内重要的抗生素生产企业，仅青霉素年产规模就达万吨，青霉素的生产从发酵到提取均已实现自动化控制，精确的在线监测和调控对实现规模化生产与良好质量控制至关重要。

青霉素，又名盘尼西林，英文Penicillin，是一类高效、低毒、临床应用广泛的重要抗生素，其分子中含有青霉烷，能破坏细菌的细胞壁，并在细菌细胞的繁殖期起到杀菌作用。到2001年，我国青霉素的产量已经占据了全球60%市场份额，目前我国是全球最大的青霉素生产国家。

发酵过程的在线监控

威奇达药业的青霉素发酵采用少量多次补料的生产方式，让易产生阻遏、抑制和限制作用的基质缓慢流动，以维持最适浓度，特别是葡萄糖的流加，即使是超出最适浓度范围的较小波动，都可能引起严重的阻遏或限制，使生物合成速度减慢或停止。目前，糖浓度的检测尚难进行在线监测，葡萄糖的流加不能依据糖浓度进行控制。同时，青霉素是产黄霉菌在生长过程中的次级代谢产物，生产过程中调控的是青霉菌次级代谢的速度，控制依据主要是发酵单位，主要调控手段有pH调控、溶氧调控、罐温控制、流加补料控制等。

图2 梅特勒-托利多极谱溶氧电极InPro6860i。

青霉素的发酵过程需要精确的pH值监测以帮助调整补料策略。威奇达药业通过采用梅特勒-托利多在线pH测量系统帮助实现这一过程的精确测量和调控，即根据pH值的变化来决定葡萄糖流加速度的快慢，优化自动化补料工艺。青霉素发酵的最适pH值一般认为在6.5左右，可略高或略低，但应尽量避免pH值超过7.0。因为青霉素在碱性条件下不稳定, 容易加速其水解。过低的加糖速率难以中和蛋白质代谢产生的氨或其他生理碱性物质代谢产生的碱性化合物，引起 pH 值上升，而过高的流加速率又会造成酸性中间产物的积累使pH值降低。在生产过程中，通过pH监测可帮助控制流加酸、碱性物料的稳定。

溶氧浓度是影响青霉素发酵过程的另一个重要因素。青霉素在不同的发酵周期需要不同的溶氧值，太高会增加碳源消耗并影响重要的次级代谢，太低则导致菌丝因缺氧自溶。山西威奇达药业在溶氧控制方面同样实现了自动化监测，梅特勒-托利多在线溶氧系统的InPro6800电极直接插入发酵罐实时测量发酵液的变化，并通过M400变送器给出精确的溶氧值指示，作为葡萄糖流加控制的一个重要参考指标，从而确保氧传递和氧消耗的动态平衡。理论上一般假设发酵液中每一点的生物量都相同，但溶氧量却不同，仅考虑压力因素时，实际罐底部的溶氧要比罐上部的溶氧高，所以发酵罐测量安装点的选择也非常重要。

提取过程的在线监控

青霉素发酵液过滤后，一般用萃取方法提纯，威奇达药业采用的也是类似方法，通过碟片式离心机实现萃取。威奇达青霉素下游提取工艺也配置了梅特勒-托利多在线pH测量系统，以通过高精度在线监控帮助实现高效自动化提取，首先向青霉素发酵滤液添加稀硫酸溶液，调至pH2.0左右，加入醋酸丁酯和破乳剂进行萃取，操作温度一般设在10℃~15℃。萃取后的有机相离心洗涤后，进行第二步萃取，将洗涤后的有机相与碱水在低温下用离心机进行三级连续逆流反萃取，调节pH值为6.6~7.2，这样就又将目标物质从有机相提纯到了水相中。这种提取方法传质速度快、生产周期短、便于连续操作、可自动控制、分离效率高、生产能力大，尤其在自动化控制提高生产效率方面优势显著。最后，将所得反萃取液经丁醇共沸结晶、干燥，进一步获取精制成品。威奇达药业通过在青霉素提取过程中控制溶液的pH值更进一步保证了药效、纯度和后续结晶过程速度，节约了生产成本，提高了生产效率，更能确保产品的高品质。

内容来源：山西威奇达药业有限公司梅特勒-托利多（中国）公司过程检测部门

责任编辑：展源

审　　核：何发