淺析紅霉素發(fā)酵的工藝控制

張睿禎

摘 要：紅霉素是日常生活中最常用的抗生素之一，它作為我公司重要的原料藥，為我公司做出了巨大貢獻(xiàn)。文章主要介紹了紅霉素發(fā)酵過程中幾個(gè)重要的控制參數(shù)和它們對(duì)發(fā)酵過程的作用及影響。

關(guān)鍵詞：培養(yǎng)基；溫度；PH；溶氧；發(fā)酵

紅霉素是大環(huán)內(nèi)酯類抗生素，由鏈霉素在無(wú)菌狀態(tài)下純種發(fā)酵所產(chǎn)生。它的發(fā)酵工藝有4個(gè)特殊要求：（1）種子質(zhì)量要求高；（2）發(fā)酵過程要求嚴(yán)格的無(wú)菌操作；（3）需要不間斷的通氣攪拌；（4）發(fā)酵過程的分階段控制。

發(fā)酵罐內(nèi)部的代謝變化（含菌絲形態(tài)、菌濃、糖、氮含量、PH值、溶氧濃度和產(chǎn)物濃度等）比較復(fù)雜，受許多因素控制。各因素既相互影響，又相互制約。發(fā)酵的好壞會(huì)直接影響到產(chǎn)物的產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，要使發(fā)酵達(dá)到預(yù)期效果，就需要各方面嚴(yán)密配合、嚴(yán)格操作。文章主要談?wù)動(dòng)绊懠t霉素發(fā)酵工藝的幾個(gè)參數(shù)。

1 培養(yǎng)基的成分與作用

培養(yǎng)基的原材料有碳源、氮源、無(wú)機(jī)鹽和水等。

（1）碳源。碳源是構(gòu)成微生物細(xì)胞和代謝產(chǎn)物的物質(zhì)基礎(chǔ)，是紅霉素發(fā)酵中使用的主要原料之一。生產(chǎn)中使用的碳源有碳水化合物（各種糖類），脂肪，有機(jī)酸等，公司日常生產(chǎn)中使用的主要有葡萄糖和淀粉。

（2）氮源。氮源是構(gòu)成微生物細(xì)胞和代謝產(chǎn)物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，也是紅霉素發(fā)酵中使用的主要原料之一。生產(chǎn)中常用的氮源包括有機(jī)氮源和無(wú)機(jī)氮源兩種，有機(jī)氮源有黃豆餅粉、玉米漿、蛋白胨等；無(wú)機(jī)氮源有氨水、硫酸銨等。

（3）無(wú)機(jī)鹽和微量元素。金屬離子在低濃度時(shí)對(duì)微生物生理活性呈現(xiàn)刺激作用，在高濃度時(shí)表現(xiàn)出抑制作用，這要依據(jù)菌種的生理特性和發(fā)酵工藝條件來(lái)確定。

（4）水。水是培養(yǎng)基的主要組成部分，它既是構(gòu)成菌體細(xì)胞的主要成分，也是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)傳遞的介質(zhì)。水的質(zhì)量對(duì)菌體生長(zhǎng)繁殖和產(chǎn)物合成有著很重要的作用。

2 溫度的影響及控制

紅霉素發(fā)酵所用的菌種是中溫菌，它的最適發(fā)酵溫度，隨菌種、培養(yǎng)基成分、培養(yǎng)條件和菌體生產(chǎn)階段而改變。

溫度的變化對(duì)紅霉素發(fā)酵有兩方面的影響：（1）影響各種酶的反應(yīng)速率和蛋白質(zhì)的性質(zhì)；（2）影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)。在生長(zhǎng)階段選擇最適生長(zhǎng)溫度，在產(chǎn)物分泌階段選擇最適生產(chǎn)溫度，我公司在紅霉素生產(chǎn)中前期培養(yǎng)溫度控制在35℃，中后期培養(yǎng)溫度控制在32℃，以獲得較為理想的產(chǎn)物。

3 PH的影響及控制

PH值對(duì)發(fā)酵的影響主要有三個(gè)方面：一是影響酶的活性；二是影響基質(zhì)或中間產(chǎn)物的解離狀態(tài)，從而影響其透入細(xì)胞或參與反應(yīng)的能力；三是影響產(chǎn)物的穩(wěn)定性。紅霉素產(chǎn)生菌的生長(zhǎng)最適PH是6.6～7.0，而紅霉素生物合成的最適PH為6.7～7.9，在此范圍內(nèi)紅霉素菌絲生長(zhǎng)良好，不自溶，發(fā)酵單位穩(wěn)定。當(dāng)PH低于6.5時(shí)，對(duì)紅霉素生物合成不利；當(dāng)PH高于7.2時(shí)，菌絲易自溶，且會(huì)導(dǎo)致紅霉素A組分的比例降低，影響產(chǎn)品質(zhì)量。因次，發(fā)酵培養(yǎng)基中應(yīng)含有代謝產(chǎn)酸和產(chǎn)堿的物質(zhì)以及緩沖劑（如CaCO3）等成分，使PH的變化在合適的范圍內(nèi)，特別是CaCO3 能與酮酸等反應(yīng)，起緩沖作用，用量十分重要。

4 溶氧的影響及控制

溶氧是紅霉素發(fā)酵控制的重要參數(shù)之一，其大小直接影響紅霉素菌體的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的質(zhì)量。因此，選擇一個(gè)最適溶氧濃度，才有利于菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成。在紅霉素的發(fā)酵過程中，常見有溶氧明顯下降的異常變化，原因有以下幾種：（1）污染了好氣性雜菌；（2）菌體代謝發(fā)生異常，需氧要求增加；（3）某些設(shè)備和工藝控制發(fā)生故障或變化。因此，從發(fā)酵液中的溶氧濃度的變化，就可以了解微生物生長(zhǎng)代謝是否正常，工藝控制是否合理，設(shè)備供氧能力是否充足等。

氧在水中的溶解度很小，所以控制溶氧主要靠調(diào)節(jié)空氣流量和攪拌速度，還可以控制補(bǔ)料速率、調(diào)節(jié)溫度、液化培養(yǎng)基、中間補(bǔ)水、添加表面活性劑等工藝措施來(lái)控制溶氧水平。

5 補(bǔ)糖、補(bǔ)料的作用及控制

糖類不僅是菌體生長(zhǎng)所需能量的主要來(lái)源，也是菌體細(xì)胞及代謝產(chǎn)物的碳源物質(zhì)。補(bǔ)糖的依據(jù)有：（1）糖的消耗；（2）PH的高低；（3）染菌情況；（4）攪拌的開啟；（5）發(fā)酵液的粘度（粘度稠時(shí)可多補(bǔ)）；（6）體積的大??；（7）罐溫等綜合因素來(lái)考慮。

補(bǔ)料的作用是補(bǔ)充氮源物質(zhì)。一是供給菌體生長(zhǎng)繁殖所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；二是作為抗生素合成的前體物質(zhì)或氮素來(lái)源。補(bǔ)料的依據(jù)有：（1）氨基氮的高低，如氨基氮過高，則可少補(bǔ)或不補(bǔ)；（2）體積的大?。唬?）攪拌開啟情況；（4）PH值；（5）罐溫等因素綜合考慮。作為前體的正丙醇有促進(jìn)紅霉素合成的作用，如忘加或少加，會(huì)影響紅霉素的合成，如過量則會(huì)影響發(fā)酵正常進(jìn)行，造成浪費(fèi)。

我公司的紅霉素發(fā)酵過程中，均采用補(bǔ)料分批培養(yǎng)的方法進(jìn)行補(bǔ)糖、補(bǔ)料和補(bǔ)正丙醇。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：（1）可以降低底物抑制、產(chǎn)物反饋抑制和分解產(chǎn)物阻遏；（2）可以避免在分批發(fā)酵中因一次投料過多造成細(xì)胞大量生產(chǎn)所引起的一切影響，改善發(fā)酵液流變學(xué)的性質(zhì)；（3）可用作控制細(xì)胞質(zhì)量的手段，以提高發(fā)芽孢子的比例；（4）可作為理論研究的手段，為自動(dòng)控制和最優(yōu)控制提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。它的作用有：（1）可以控制抑制底物的濃度；（2）可以解除和減弱分解產(chǎn)物阻遏；（3）可以使發(fā)酵過程最優(yōu)化。

6 泡沫的影響及控制

在大多數(shù)微生物發(fā)酵過程中，由于培養(yǎng)基中有蛋白類表面活性劑存在，在通氣條件下，培養(yǎng)基中易形成泡沫。泡沫的類型有兩種：一是發(fā)酵液液面上的泡沫，另一種是發(fā)酵液中的泡沫，相對(duì)穩(wěn)定。泡沫會(huì)造成發(fā)酵罐的裝料系數(shù)減小，氧傳遞系數(shù)減小等不利影響。如泡沫過多，還會(huì)造成大量發(fā)酵液從排氣管路或軸封處逃出，加大染菌機(jī)會(huì)。所以，控制泡沫是保證正常發(fā)酵的基本條件。

控制泡沫可采取兩種途徑：（1）調(diào)整培養(yǎng)基的成分或改變發(fā)酵工藝，以減少泡沫形成的機(jī)會(huì)；（2）采用機(jī)械消沫或消沫劑消沫兩大類方法來(lái)消除泡沫。常用的消沫劑有天然油脂類和聚醚類。

7 發(fā)酵終點(diǎn)的判定

在紅霉素發(fā)酵末期，菌體分泌能力的下降，導(dǎo)致產(chǎn)物的生產(chǎn)能力下降或停止，這就要進(jìn)行發(fā)酵終點(diǎn)的判定，即合理放罐時(shí)間。放罐時(shí)間的確定要考慮以下幾個(gè)因素：（1）經(jīng)濟(jì)因素。發(fā)酵產(chǎn)物的生產(chǎn)能力是實(shí)際發(fā)酵時(shí)間和發(fā)酵準(zhǔn)備時(shí)間的綜合反應(yīng)，實(shí)際發(fā)酵時(shí)間，需要考慮經(jīng)濟(jì)因素，也就是要以最低的成本來(lái)獲得最大生產(chǎn)能力的時(shí)間為最適發(fā)酵時(shí)間，所以要從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度出發(fā)，確定一個(gè)合理時(shí)間；（2）產(chǎn)品質(zhì)量因素。發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)后續(xù)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量有很大影響，發(fā)酵時(shí)間過短，發(fā)酵液中殘留過多未代謝的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)后處理的溶媒萃取或樹脂交換等工序不利；發(fā)酵時(shí)間過長(zhǎng)，菌體自溶，釋放出菌體蛋白或酶，會(huì)顯著改變發(fā)酵液的性質(zhì)，增加過濾難度；（3）特殊因素。確定放罐的指標(biāo)有：產(chǎn)物的產(chǎn)量，過濾速度，氨基氮的含量，菌絲形態(tài)，PH值，發(fā)酵液的外觀，粘度，染菌的程度等。

以上的七個(gè)方面，在紅霉素的發(fā)酵過程中都有著很重要的作用，只有將這些因素嚴(yán)格控制好，發(fā)酵生產(chǎn)才能順利進(jìn)行，保證高質(zhì)高產(chǎn)，才能為企業(yè)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]熊宗貴.發(fā)酵工藝原理[M].北京：中國(guó)醫(yī)藥科技出版社，1995：126-146.