硫酸鏈霉素發酵過程控制對發酵單位影響的研究

楊森 李薇 方媛 任朝君

摘 要：硫酸鏈霉素生產使用灰色鏈霉菌（Streptomyces Griseus），此次實驗過程中是以四級發酵為基本工藝生物合成鏈霉素。在此次發酵實驗中，主要對四級種子的發酵時間工藝選擇，以及控制發酵罐pH值、溶氧條件控制這些發酵過程中關鍵性因素進行了一系列的生物發酵實驗的探索，以實際生物發酵數據為基礎，最大化的提高鏈霉素的發酵單位，革新硫酸鏈霉素的發酵工藝。

關鍵詞：硫酸鏈霉素；工藝創新

鏈霉素是1944年發現的一種氨基糖苷類藥物，用于治療結核病的有效抗生素。作為一種老的抗生素，鏈霉素不僅是治療結核病的主要藥物，而且在農業方面的應用也越來越廣泛。鏈霉素作為工業化發酵工藝，其影響發酵單位的因素是相當復雜的；在抗生素發酵過程中，影響菌體生產和產物形成的因素很多，各參數之間相互關聯，變化其中某一個參數，常會引起其他參數的變化。在實際工業中，積累了大量過程生產數據，大多數情況下是棄之不用的。這主要是因為這些數據關聯程度高，很難從表面上判斷過程特點和規律，從而指導實踐生產[1]。并且，其營養物質的來源、空氣質量、pH、溶氧條件、攪拌等因素都直接或者間接的影響著菌絲生物發酵的過程；為此，我們在實驗中經過大量的實驗和數據對比，首先，確定了最佳種子培養的周期，使其發酵過程前期避免了氨氮消耗過快影響發酵單位的增長；其次，細化和革新pH與溶氧條件，優化了鏈霉素的生長和代謝環境使其始終處在一個次級代謝旺盛的發酵階段。

材料與方法

1 材料

1.1 菌種 硫酸鏈霉素灰色鏈霉菌由華北制藥華勝公司提供。

1.2 發酵種子工藝對營養物質的選擇

初級子種培養基：葡萄糖、黃豆粉、硫酸銨、碳酸鈣、氯化鈉、磷酸二氫鉀、玉米漿、消后體積300L，消前pH自然，30℃培養。

中級增速培養基：葡萄糖、黃豆粉、硫酸銨、碳酸鈣、氯化鈉、磷酸二氫鉀、玉米漿，消后體積2m3，消前pH自然，30℃培養。

三級放大培養基：葡萄糖、黃豆粉、硫酸銨、碳酸鈣、氯化鈉、磷酸二氫鉀、玉米漿，消后體積6m3，消前pH值調至6.0以上，30℃培養

發酵罐營養培養基：低溫餅粉、硫酸銨、碳酸鈣、氯化鈉、磷酸二氫鉀、玉米漿、配置體積42m3，消前pH值調制pH6.5-6.8。

1.3 三級種子周期對發酵前期單位的影響

從鏈霉菌代謝和產生鏈霉素的機理上分析，絲狀菌深層培養時，主要的繁殖方式是借菌絲斷片來形成新菌絲體；效價的高低和增長幅度可以表證菌絲的生長代謝階段，也可以反映種子菌絲的質量。所以，種子罐效價，尤其是三級（末級）種子罐效價與發酵罐水平具有較強的相關性。移種時機在發酵過程控制中的重要性。應選擇對數生長末期，即將進入分化的相對年輕的菌絲作為種子，其表觀物理特征是菌絲量最大；由此，我們將發酵種子周期經行了細化分析：

表1 四級發酵種子周期對應發酵前期單位

[＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&][初級

24h

22h

22h

24h

20h

18h

26h][中級

24h

22h

24h

24h

22h

22h

26h][三級

24h

28h

26h

28h

28h

28h

20h][三級種子放罐單位

890

990

850

1000

998

790

460][發酵罐40小時單位

2350

3100

2460

3089

3102

2209

1550]

從表中分析可以得出，對于初級與中級種子培養，其目的是菌絲生長的初級階段，其培養周期在20-24小時為最佳；而從表中可以看出，三級種子的發酵末端，為其對數生長期，在對數生長期接種會改善了種子液質量，增強了發酵能力，提高發酵單位。

由此，我們根據種子罐的代謝階段調節三級種子罐的培養時間，考慮到生產效能，前兩級種子罐合理的移種周期應該在20小時，三級種子在28小時接種，這樣可以避免糖、氮過度消耗使菌絲老化，已達到經濟和工藝效益的最大化。

1.4 發酵過程控制工藝對發酵單位的影響

通過生產批記錄數據分析新思路的引入，我們發現發酵pH值是影響發酵單位的顯著因素；由于葡萄糖作為硫酸鏈霉素的一個重要前體物質，我們大膽提出pH+溶氧調控理念，通過調整pH值和溶氧條件來控制發酵過程對葡萄糖的代謝比，以期達到提高發酵單位的目的。

控制發酵過程中最適pH與溶氧值。在實驗過程中，我們利用在線pH電極和發酵自動控制系統，通過補料系統補加氨水，閉環控制使硫酸鏈霉素發酵過程中處于我們設定的pH值，做到發酵過程pH的穩定。并且，我們通過安裝在發酵罐中的溶氧電極，時時測定發酵過程中的溶氧參數，以控制攪拌的轉動頻率來控制發酵過程中的溶氧參數，下表為實驗過程中的發酵數據：

表2 發酵過程周期單位對應pH值和溶氧值

[＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&][周期

24h

48h

72h

96h

120h

144h

168h

192h

發酵放罐單位][pH自控值

6.0-7.0

6.0-7.0

6.0-7.0

6.0-7.0

6.0-7.0

6.0-7.0

6.0-7.0

6.0-7.0

24679][pH自控值

6.0-6.5

6.2-6.5

6.5-6.6

6.5-6.7

6.7-6.9

6.7-6.9

6.9-7.0

7.0-7.2

28215][攪拌全程工頻

65Hz

65Hz

65Hz

65Hz

65Hz

65Hz

65Hz

65Hz

26503][根據溶氧按需供應

25Hz

30Hz

45Hz

40Hz

55Hz

60Hz

65Hz

65Hz

26612]

在此次實驗過程中，pH單項實驗的攪拌功率都是工頻；攪拌單項實驗的pH值是按pH值全程6.0-7.2；從上表中可以看出，鏈霉素在發酵過程中并不需要全程攪拌全開；按照溶氧電極顯示的數據經行按需開攪拌能在不影響發酵單位的前提下有效節約能源；在pH自控值的探索中，我們經過大量實驗確定了各個時間點的對應pH值數據；是其菌絲一直處在利于發酵代謝的環境當中。

2 結論

通過此次實驗和數據總結，我們確定了硫酸鏈霉素發酵種子培養最佳周期，使其能在對數生長期的最佳時刻接種；并且利用pH電極和溶氧電極創新了鏈霉素的發酵工藝，細化了發酵工程，提高了發酵水平。

參考文獻：

[1]陳元青，陳琦，王樹青，等.多元統計分析方法在鏈霉素發酵中的應用[J].生物工程報，1999，15（3）：368-372.

作者簡介：楊森（1986-），男，河北邯鄲人，任職于華北制藥股份有限公司新制劑分廠，職稱：醫藥工程助理工程師學士學位，研究方向：發酵工程與工藝。