年产50吨螺旋霉素发酵车间设计Word下载.docx

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关键词：

螺旋霉素；

发酵罐；

车间布置

Annualproductionof50tonsofspiramycinfermentationworkshopdesign

Abstract

Inordertorealizethedesignofa50-tonannualspiramycinfermentationplant,thispaperchosespiramycinfour-stagefermentationbasedontheresearchstatusofspiramycin'

sstructuralformula,biosynthesis,clinicalapplication,fermentationprocessandprocessamplificationProcess,andanalyzeitsfermentationmedium,processcontrol,airpurificationsystemandmediumsterilizationprocess.Underthepremiseofusingtheexistingbasicdata,thematerialbalanceiscalculatedforthefermentationplantandthedownstreamprocessingstage.Inaddition,equipmentdesignandtypeselectionarecarriedoutbycalculatingkeyprocessparameterssuchascoolingconsumption,steamconsumptionduringheatingandsterilizationoftheculturemedium,andsizeandvolumeofthefermentationtank.Inordertoachievethetargetoutputof50tonsofspiramycinperyear,theworkshopshoulduse12mechanicallystirredandventilatedfermentationtankswithaninnerdiameterof2.9m,atankheightof7.25mandanominalvolumeof50m3,andplacethetanksintwobatcheseveryday.Accordingtothedeterminedprocessflowandequipmentselection,drawtheworkshoplayoutdrawingonthepremiseofmeetingtherequirementsofnationalandindustrystandardssuchaspharmaceuticalproductionqualitymanagementregulations（GMP）.Thisprogrammingisofexcellentimportanceforenhancingtheindustrialproductivitylevelofspiramycin.

Keywords:

Spiramycin;

Fermentationtank;

Workshoplayout

1前言

1.1螺旋霉素

1.1.1螺旋霉素的结构式与组份

螺旋霉素[1]（SPM）是16元大环内酯类抗生素，由法国的Rhone在从生二素链球菌代谢物中分离所得。

SPM是多组分抗生素，一共有三种组分，其结构式为图1.1所示[2]。

SPM由具有12-16元骨架的大环内酯部分和糖基部分组成。

糖基部分为福乐氨糖、碳霉糖和碳霉氨糖[3]。

螺旋霉素是一种复合物，并且不同成分具有的抗菌活性，随着4”位上的酰基碳原子数量的增多而增大，其中被酰化的SPM1活性最强，被乙酰化的SPMII及SPMIII次之[4]。

国内生产SPM主要生产SPMII和SPMIII两种组分,而SPMI需要将其百分含量控制在12%的水平才符合国家要求。

因为假如SPMI的含量过高，对人体将产生副作用。

图1.1螺旋霉素的结构式

1.1.2螺旋霉素的作用原理和临床应用

大环内酯类抗生素是一类核心为大环内酯环、结构和抗菌谱相似的抗生素。

一般认为，它通过结合具有明显化学计量比为1：

1的细菌50S核糖体亚基来抑制易位。

这种抗生素是与供体和受体底物核糖体结合的有效抑制剂。

螺旋霉素诱导多核糖体的快速降解，该作用以前被解释为在新肽起始时或之后不久，正常的核糖体径流，随后便是抗生素诱导的阻断。

但是，现在有令人信服的证据表明，螺旋霉素以及可能的所有大环内酯类药物作用主要是通过在转运过程中刺激肽基-tRNA与核糖体的解离[5]。

目前，临床分离株对大环内酯类药物的耐药性最常见的原因是：

23S核糖体RNA的碱基A经转录后被甲基化，甲基化的A会引起细菌对林酰胺类、大环内酯类和B型链脲类等药物的共同耐药性（即所谓的MLSB表型）。

在葡萄球菌和大肠杆菌中还发现了涉及细胞渗透性或药物失活的其他耐药机制。

这些菌株对14元大环内酯类药物（红霉素和夹竹桃霉素）耐药，但对SPM敏感[6]。

过去SPM被认为其抗菌活性较红霉素弱，因此SPM在近年来临床使用上远没有红霉素广泛。

然而科学家通过动物实验以及临床治疗，得出结论：

螺旋霉素的疗效性比起红霉素而言较为优越，特别是在动物体体内的抗菌能力得到明显的增强。

SPM在体内这种现象解释原因为其抗菌谱几乎包括了大多数常见的呼吸道感染致病菌，并且在体内的抗生素作用持久，体液浓度较高，其不良反应也低于红霉素[7]。

近年来研究得知，目前SPM在AIDS患者出现的隐形孢子虫腹泻的临床使用上逐年上升，为AIDS患者产生的并发症研究上展开良好前景。

SPM也可以对肾脏移植后患者出现的并发症——肺炎衣原体感染具有一定疗效，为器官移植领域方面研究提供治疗研究方向[8]。

由于SPM其在感染化疗领域的广泛前景和与红霉素仅呈部分交叉耐药等方面的因素，因此SPM成为临床上广泛使用的抗生素之一。

1.1.3螺旋霉素的生物合成

SPM的生物合成途径通常采用阻断突变株法、分子生物学法等。

如前文所述，SPM由非糖部分即具有12-16元骨架的大环内酯部分和糖基部分组成。

查阅文献得知，InoueA等[9]通过核磁共振添加14C标记前体，然后对SPM进行检测，证明了SPM其大环内酯是由一分子丁酸、两分子丙酸和六分子乙酸单位组成。

其糖基部分包括了福乐氨糖、碳霉糖和碳霉氨糖三种。

SPM根据大环内酯的酯环上C原子酰化程度可分为SPMI、SPMII和SPMIII。

其生物合成如下图1.2所示[10、11]，依次为：

（1）合成普利特内酯；

（2）形成糖基部分；

（3）终端修饰。

图1.2螺旋霉素生物合成概况，其中srm5、srm6、srm13、srm22、srm26、srm28、srm29、srm38和srm40分别为SPM生物合成基因簇中的基因

其中，普利特内酯是由丙酰-CoA与2-甲基丙二酰-CoA合成。

糖基起始于完整的葡萄糖，经NDP-葡萄糖合成酶和脱氢酶激活后，通过三种不同途径转化为福乐氨糖、碳霉糖和碳霉氨糖,再以O-糖苷键连接大环内酯，最后进行羟基化、酰基化等终端修饰形成SPM。

1.2螺旋霉素发酵工艺研究

1.2.1高产菌种选育

一般在自然环境中得到的SPM生产菌种其代谢产物通常很低，主要是由于其合成基因部分为质粒基因，易丢失，需要对其进行选育和改良使其能够满足大规模的工业生产[12]。

自从Fleming首次发现青霉素以来，通过菌种选育和优化，青霉素生产菌的发酵水平从1-2单位/ml到近年来的60000单位/ml以上，其他抗生素菌种的生产水平也得到较大提高[13]。

查阅文献得知，李友荣等[14]利用静息细胞系统研究了其初级代谢物发酵调节，从而研究各种因素对SPM合成的影响。

通过对螺旋霉素链球菌SP-799包子悬浮液采用了紫外线照射吸收法进行测定和筛选出耐葡萄糖效应的改良菌株，使SPM的生产水平大大提升。

张定丰等[15]根据SPM生物合成途径对产二素链球菌29悬浮液通过物理诱变进行推理选育，获得了其抗性比原始菌株提高三倍的螺旋霉素抗性菌株，其改良菌株的遗传特性稳定且发酵效价提高了84.9%，发酵指数提高了43.6%。

周健明等[16]通过分离四种不同血清型的SPM的噬菌体并感染溶源菌后进行培养，获得了四种不同的溶源菌，获得的溶源菌同通过紫外线处理获得对自身释放的噬菌体具有免疫能力的菌株。

该发现有利于降低发酵过程中可能出现的噬菌体污染。

1.2.2培养基的主要成分研究

SPM发酵培养基的主要成分为氮源、碳源、无机离子和生长因子等成分。

其中，影响SPM发酵水平的主要为碳源和氮源。

葡萄糖是螺旋霉素链球菌生长理想的碳源，SPM通常也只能在较低生长速率下生产。

AshyMA等[17]利用不同化学成分的发酵培养基，研究了螺旋霉素链球菌发酵生产SPM的工艺，从9种添加不同碳源的培养基中筛选出最适合生产高纯度SPM的培养基，结果表明，当淀粉和葡萄糖大约比例为5：

3时为最佳碳源，可刺激形成高纯度的SPM。

李友荣等[14]通过进行静息细胞系统来推理最佳的培养基成分时发现，培养基中的葡萄糖浓度是影响发酵水平的最重要因素：

葡萄糖浓度1%时，对发酵影响几乎为0；

葡萄糖浓度时，SPM的发酵水平开始逐步下降。

这种情况说明了以葡萄糖作为碳源时产生的分解产物会对发酵过程产生抑制作用。

因此，在发酵生产高纯度SPM时，应利用流加补料的方法通入培养基，其培养基中碳源应以工业淀粉为主并添加浓度小于1%的葡萄糖，避免过量的碳源代谢产物的阻遏作用。

另外，在刘刚等[18]对培养基成分的研究中得知，豆油可作为辅助碳源，其原理是豆油分解所得的短链脂肪酸是SPM的前体物质，同时添加适量的Mg3（PO4）2提高发酵水平。

SPM的氮源为无机氮源和有机氮源，无机氮源主要为铵盐，有机氮源为蛋白胨，黄豆粉和鱼粉等。

在进行SPM发酵时，以鱼粉作为氮源的发酵水平较高，但工业生产上使用鱼粉存在一些不足，例如成本高、不稳定等。

而以黄豆粉作为氮源时会产生过多的还原糖，从而抑制了SPM的合成[19]。

因此，陈长华等[20]关于SPM培养基最佳氮源的研究中发现了添加黄豆粉和鱼粉的比例为1.5：

1时，发酵水平大大提高。

无机磷酸盐在微生物生长发酵过程中十分重要，通过对发酵液中补加无机盐有利于微生物生物合成。

但是当S