虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在青霉素生產(chǎn)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：隨著制藥企業(yè)對(duì)人才需求的不斷提高，高校實(shí)踐教學(xué)在學(xué)生培養(yǎng)方面顯得越來越重要。由于受到諸多外部條件的限制，學(xué)生很少有機(jī)會(huì)現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)制藥生產(chǎn)的全部流程。通過引入仿真技術(shù)手段，可以幫助學(xué)生形成藥品生產(chǎn)的概念，培養(yǎng)學(xué)生的操作能力和應(yīng)變能力。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;青霉素生產(chǎn);實(shí)踐教學(xué)

青霉素屬于高致敏性藥品，并沒有被安排在本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)中。但是，青霉素是第一種能夠治療人類疾病的抗生素，青霉素的研制成功大大增強(qiáng)了人類抵抗細(xì)菌性感染的能力。對(duì)學(xué)生來說，熟悉青霉素的發(fā)酵和提取過程非常必要。通過仿真教學(xué)的方式，幫助同學(xué)建立起工藝生產(chǎn)的概念，將課堂上關(guān)于青霉素生產(chǎn)的理論知識(shí)和仿真平臺(tái)上的工藝流程關(guān)聯(lián)起來，內(nèi)容更加鮮活，有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)的深入理解，同時(shí)能夠培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和虛擬環(huán)境下解決問題的能力[1]。

青霉素生產(chǎn)教學(xué)包括兩個(gè)方面：青霉素的發(fā)酵和青霉素的提取[2]。教學(xué)過程中，由于兩部分內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，因此分段進(jìn)行講解，后期在線考核評(píng)價(jià)時(shí)，再按照整體內(nèi)容來考核。教學(xué)內(nèi)容框架表示如下：

一、青霉素的發(fā)酵

1.發(fā)酵流程

⑴菌種的選擇

青霉是產(chǎn)生青霉素的重要菌種，廣泛分布于空氣、土壤和各種物質(zhì)表面。目前已發(fā)現(xiàn)的有上百種，其中黃青霉、點(diǎn)青霉都能產(chǎn)生大量青霉素。

⑵孢子制備

孢子在制備種子前，需要經(jīng)過嚴(yán)格篩選，生產(chǎn)能力檢驗(yàn)合格后才能用來制備種子。

⑶種子制備

符合要求的孢子被接入種子罐中，在罐體中繁殖，產(chǎn)生大量菌絲。

⑷發(fā)酵

發(fā)酵過程中，由于微生物生長(zhǎng)和代謝需要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此培養(yǎng)基的配置非常重要，需要將多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)按照一定的比例進(jìn)行配置，經(jīng)嚴(yán)格殺菌后方能送入發(fā)酵罐中。培養(yǎng)基的主要成分包括C源（主要是葡萄糖），N源，無機(jī)鹽及金屬離子，前體和消沫劑。其中：

葡萄糖的濃度不宜過高，否則pH值下降，影響酶的活性，抑制菌種的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的合成;N源是供應(yīng)菌體合成氨基酸的原料，包括有機(jī)氮和無機(jī)氮。無機(jī)鹽及金屬離子主要的作用是控制發(fā)酵液的pH值或?yàn)榫w提供營(yíng)養(yǎng)，濃度需控制在合適的范圍內(nèi);前體為苯乙酰胺，前體的使用可以提高青霉素的產(chǎn)量，需注意前體要在發(fā)酵20小時(shí)后加入，并在整個(gè)發(fā)酵過程中控制其濃度。另外，發(fā)酵過程中會(huì)產(chǎn)生大量泡沫，導(dǎo)致發(fā)酵液溢出，造成染菌的后果，使用消沫劑可以進(jìn)行有效控制。

2.仿真操作

學(xué)生在開始進(jìn)行仿真實(shí)訓(xùn)前，需要認(rèn)真閱讀操作手冊(cè)，結(jié)合仿真界面的內(nèi)容，對(duì)整個(gè)青霉素發(fā)酵有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)，不要急于求成。要特別注意操作過程中各種工藝指標(biāo)的控制，弄清楚幾個(gè)問題：①發(fā)酵過程中有哪些工藝指標(biāo)？②參數(shù)控制推薦值范圍是多少？③通過什么方式可以有效控制？教師引導(dǎo)學(xué)生思考，指導(dǎo)學(xué)生記錄關(guān)鍵參數(shù)及控制方法，完成以上內(nèi)容后，再正式開始操作。主要參數(shù)濃度指標(biāo)如表所示。

此外，整個(gè)發(fā)酵過程中還要注意溫度、壓力、pH值以及泡沫高度的變化，溫度：25℃，壓力：0.07MPa，pH值：6.8-7.2，泡沫高度不超過30cm。

二、青霉素的提取

提取過程主要包括發(fā)酵液的預(yù)處理、提取和精制三個(gè)步驟。

1.預(yù)處理過程

在預(yù)處理過程中要注意無機(jī)離子和蛋白質(zhì)含量的控制。

2.提取

提取過程是從發(fā)酵液中制取高濃度的抗生素，由于發(fā)酵液中雜質(zhì)濃度較高，因此在提取過程中，要做到時(shí)間短，溫度低、pH適中。本實(shí)驗(yàn)采用萃取法，利用抗生素在不同pH值條件下以不同的化學(xué)狀態(tài)存在時(shí)，在水和BA萃取劑中具有不同的溶解度，使抗生素從發(fā)酵液轉(zhuǎn)移到萃取相中。

操作前，需要計(jì)算3次萃取所需要的萃取劑的用量，弄清楚每次萃取過程中萃取相和萃余相分別是什么，否則在實(shí)操時(shí)，容易損失產(chǎn)品或者收集無用的副產(chǎn)品;操作過程中，進(jìn)料速度不宜過快，容易造成滿罐。分離機(jī)前后閥門的開度需要準(zhǔn)確控制，以保證把產(chǎn)品和副產(chǎn)品分開的前提下，盡可能地提高產(chǎn)品的收率。

3.精制

精制過程包括脫色、結(jié)晶和抽濾，注意溫度及物料流速的控制，操作時(shí)要專心，時(shí)刻注意液面位置。

三、考核和評(píng)價(jià)

本實(shí)驗(yàn)考核包括兩個(gè)方面：機(jī)考和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。機(jī)考是由教師在教師站設(shè)置考核形式，如考核內(nèi)容、時(shí)間及操作模式。本實(shí)驗(yàn)采取分開講授學(xué)習(xí)，合并考核的原則，將發(fā)酵和提取兩部分建立在一個(gè)考核內(nèi)容下，規(guī)定考核時(shí)間，選擇自由模式或考核模式。機(jī)考過程中，除了基本的操作外，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)給出思考題，在動(dòng)手操作的同時(shí)，兼顧理論知識(shí)的考核，學(xué)生可以在操作結(jié)束前的任何時(shí)段完成，不會(huì)影響操作的過程。發(fā)酵提取完成后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)操作情況進(jìn)行評(píng)分。收率是評(píng)分的主要依據(jù)，此外，操作是否有誤也會(huì)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行扣分，最終系統(tǒng)會(huì)給出一個(gè)綜合的評(píng)分。機(jī)考結(jié)束后，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，總結(jié)實(shí)驗(yàn)操作中的問題。學(xué)生最終的成績(jī)，結(jié)合機(jī)考和實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成情況，按照指定比例，進(jìn)行評(píng)分。

四、總結(jié)

通過仿真技術(shù)手段的引入，完善了青霉素生產(chǎn)實(shí)踐教學(xué)的不足，使學(xué)生的理論知識(shí)更加扎實(shí)，培養(yǎng)了思維，鍛煉了動(dòng)手操作，強(qiáng)化了面對(duì)困難，解決問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳劍波，李建穎，楊永安.制藥工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與實(shí)踐[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2022，（377）：39-41.

[2]韓曉敏，李建穎，王文忠，楊永安，孫歡.基于仿真技術(shù)的青霉素生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2020，37（9）：149-153.

基金項(xiàng)目：哈爾濱師范大學(xué)校級(jí)課題，名稱：哈爾濱師范大學(xué)高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：XJGYF2021021。

作者簡(jiǎn)介：方雯，1983年4月，女，漢族，河北省清河縣，畢業(yè)院校：中科院大連化物所，畢業(yè)專業(yè)：工業(yè)催化，博士研究生，工作單位：哈爾濱師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，講師，研究方向：工業(yè)催化。