淺析紅霉素發酵的工藝控制

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。文章主要介紹了紅霉素發酵過程中幾個重要的控制參數和它們對發酵過程的作用及影響。

關鍵詞：培養基；溫度；PH；溶氧；發酵

紅霉素是大環內酯類抗生素，由鏈霉素在無菌狀態下純種發酵所產生。它的發酵工藝有4個特殊要求：（1）種子質量要求高；（2）發酵過程要求嚴格的無菌操作；（3）需要不間斷的通氣攪拌；（4）發酵過程的分階段控制。

發酵罐內部的代謝變化（含菌絲形態、菌濃、糖、氮含量、PH值、溶氧濃度和產物濃度等）比較復雜，受許多因素控制。各因素既相互影響，又相互制約。發酵的好壞會直接影響到產物的產量和質量。因此，要使發酵達到預期效果，就需要各方面嚴密配合、嚴格操作。文章主要談談影響紅霉素發酵工藝的幾個參數。

1 培養基的成分與作用

培養基的原材料有碳源、氮源、無機鹽和水等。

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

（2）氮源。氮源是構成微生物細胞和代謝產物的營養物質，也是紅霉素發酵中使用的主要原料之一。生產中常用的氮源包括有機氮源和無機氮源兩種，有機氮源有黃豆餅粉、玉米漿、蛋白胨等；無機氮源有氨水、硫酸銨等。

（3）無機鹽和微量元素。金屬離子在低濃度時對微生物生理活性呈現刺激作用，在高濃度時表現出抑制作用，這要依據菌種的生理特性和發酵工藝條件來確定。

（4）水。水是培養基的主要組成部分，它既是構成菌體細胞的主要成分，也是營養物質傳遞的介質。水的質量對菌體生長繁殖和產物合成有著很重要的作用。

2 溫度的影響及控制

紅霉素發酵所用的菌種是中溫菌，它的最適發酵溫度，隨菌種、培養基成分、培養條件和菌體生產階段而改變。

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

3 PH的影響及控制

PH值對發酵的影響主要有三個方面：一是影響酶的活性；二是影響基質或中間產物的解離狀態，從而影響其透入細胞或參與反應的能力；三是影響產物的穩定性。紅霉素產生菌的生長最適PH是6.6～7.0，而紅霉素生物合成的最適PH為6.7～7.9，在此范圍內紅霉素菌絲生長良好，不自溶，發酵單位穩定。當PH低于6.5時，對紅霉素生物合成不利；當PH高于7.2時，菌絲易自溶，且會導致紅霉素A組分的比例降低，影響產品質量。因次，發酵培養基中應含有代謝產酸和產堿的物質以及緩沖劑（如CaCO3）等成分，使PH的變化在合適的范圍內，特別是CaCO3 能與酮酸等反應，起緩沖作用，用量十分重要。

4 溶氧的影響及控制

溶氧是紅霉素發酵控制的重要參數之一，其大小直接影響紅霉素菌體的生長和產物的質量。因此，選擇一個最適溶氧濃度，才有利于菌體生長和產物合成。在紅霉素的發酵過程中，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）菌體代謝發生異常，需氧要求增加；（3）某些設備和工藝控制發生故障或變化。因此，從發酵液中的溶氧濃度的變化，就可以了解微生物生長代謝是否正常，工藝控制是否合理，設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節空氣流量和攪拌速度，還可以控制補料速率、調節溫度、液化培養基、中間補水、添加表面活性劑等工藝措施來控制溶氧水平。

5 補糖、補料的作用及控制

糖類不僅是菌體生長所需能量的主要來源，也是菌體細胞及代謝產物的碳源物質。補糖的依據有：（1）糖的消耗；（2）PH的高低；（3）染菌情況；（4）攪拌的開啟；（5）發酵液的粘度（粘度稠時可多補）；（6）體積的大小；（7）罐溫等綜合因素來考慮。

補料的作用是補充氮源物質。一是供給菌體生長繁殖所需要的營養物質；二是作為抗生素合成的前體物質或氮素來源。補料的依據有：（1）氨基氮的高低，如氨基氮過高，則可少補或不補；（2）體積的大小；（3）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紅霉素合成的作用，如忘加或少加，會影響紅霉素的合成，如過量則會影響發酵正常進行，造成浪費。

我公司的紅霉素發酵過程中，均采用補料分批培養的方法進行補糖、補料和補正丙醇。這種方法的優點是：（1）可以降低底物抑制、產物反饋抑制和分解產物阻遏；（2）可以避免在分批發酵中因一次投料過多造成細胞大量生產所引起的一切影響，改善發酵液流變學的性質；（3）可用作控制細胞質量的手段，以提高發芽孢子的比例；（4）可作為理論研究的手段，為自動控制和最優控制提供實驗基礎。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物阻遏；（3）可以使發酵過程最優化。

6 泡沫的影響及控制

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

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

7 發酵終點的判定

在紅霉素發酵末期，菌體分泌能力的下降，導致產物的生產能力下降或停止，這就要進行發酵終點的判定，即合理放罐時間。放罐時間的確定要考慮以下幾個因素：（1）經濟因素。發酵產物的生產能力是實際發酵時間和發酵準備時間的綜合反應，實際發酵時間，需要考慮經濟因素，也就是要以最低的成本來獲得最大生產能力的時間為最適發酵時間，所以要從經濟學角度出發，確定一個合理時間；（2）產品質量因素。發酵時間長短對后續工藝和產品質量有很大影響，發酵時間過短，發酵液中殘留過多未代謝的營養物質，對后處理的溶媒萃取或樹脂交換等工序不利；發酵時間過長，菌體自溶，釋放出菌體蛋白或酶，會顯著改變發酵液的性質，增加過濾難度；（3）特殊因素。確定放罐的指標有：產物的產量，過濾速度，氨基氮的含量，菌絲形態，PH值，發酵液的外觀，粘度，染菌的程度等。

以上的七個方面，在紅霉素的發酵過程中都有著很重要的作用，只有將這些因素嚴格控制好，發酵生產才能順利進行，保證高質高產，才能為企業帶來良好的經濟效益。

參考文獻

[1]熊宗貴.發酵工藝原理[M].北京：中國醫藥科技出版社，1995：126-146.