這時佛羅理清醒地意識到,為使青霉素能廣泛地用于臨床治療,滿足戰(zhàn)爭的需要,必須改進方法和設(shè)備,進行大規(guī)模生產(chǎn)。但這對聯(lián)合實驗組來說非常困難。當時倫敦正遭受德國飛機的頻繁轟炸,要進行大規(guī)模生產(chǎn)也很不安全。1941年6月,佛羅理不顧錢恩的反對,帶著青霉素樣品來到不受戰(zhàn)火影響的美國。他馬上與美國的科學(xué)家們開始合作。經(jīng)過共同努力,終于研究成以玉米汁為培養(yǎng)基,在24 的溫度下進行發(fā)酵的方法和設(shè)備,提煉出的青霉素,純度和產(chǎn)量有了大幅度提高。在1943年實現(xiàn)了青霉素的工業(yè)化生產(chǎn)。從而很快開始了在臨床上的應(yīng)用。

霍華德. 瓦爾特. 佛羅理(Howard.Walter.Florey)(1898-1968)?
?二戰(zhàn)時有關(guān)青霉素的宣傳畫
青霉素制備最早還采用過固體表面培養(yǎng)法,就是使用麩皮、豆餅粉、玉米粉等固體物與水混合制成的固體培養(yǎng)基經(jīng)過加熱滅菌,冷卻后與青霉菌菌種液體混合,放到淺盤里,再將盛有發(fā)酵物的淺盤擺放在室內(nèi)的架子上,保持室內(nèi)溫度和濕度,并經(jīng)常的翻動,進行發(fā)酵。發(fā)酵結(jié)束后,用水將產(chǎn)生的青霉素由固體培養(yǎng)基中浸提出來,制成干粉。這個生產(chǎn)過程與過去農(nóng)村使用原始的制曲發(fā)酵生產(chǎn)醬油醋類似。使用這樣的非常原始的生產(chǎn)方法雖然可以生產(chǎn)出青霉素產(chǎn)品,但存在許多問題。
為了獲得足夠量的青霉素,需要大量的培養(yǎng)基和培養(yǎng)室,占用的廠房非常大,這也使得溫度和濕度很難控制;工人在又熱又潮的培養(yǎng)室里,勞動強度非常大,十分辛苦。更重要的是在發(fā)酵過程中,為了通氣,培養(yǎng)基是暴露在空氣中,空氣中的各種微生物會造成大量污染,無法做到純種發(fā)酵,使得每一次的發(fā)酵結(jié)果都不相同,很難控制發(fā)酵過程,生產(chǎn)的產(chǎn)品的質(zhì)量也無法保障。象這樣的問題還有很多,因此,當時利用表面培養(yǎng)法生產(chǎn)青霉素的水平很低,發(fā)酵酵價只有40多單位/毫升,提取收率只有20%,產(chǎn)品純度為20%,而且成本很高。按現(xiàn)在對醫(yī)藥產(chǎn)品質(zhì)量要求,這樣的產(chǎn)品很難作為藥物使用。
?早期青霉素發(fā)酵罐
因此,迫使人們探索新的生產(chǎn)方法。1942年液體深層發(fā)酵法研究成功。所謂液體深層發(fā)酵是指與固體表面培養(yǎng)相反,使用液體培養(yǎng)基在固定的容器內(nèi)發(fā)酵。液體培養(yǎng)基是相對于固體培養(yǎng)基而言,液體培養(yǎng)基中水的含量達到80-90%,而固體培養(yǎng)基的固體物占60-70%,水占30-40%。液體培養(yǎng)基中可能是完全溶解的營養(yǎng)物質(zhì),也可以含有一定數(shù)量的固體物營養(yǎng)物。
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?早期大規(guī)模青霉菌的液體培養(yǎng)
因為青霉菌生長和產(chǎn)生青霉素需要氧氣,發(fā)酵過程必需通入大量的空氣滿足它們的需要。而通入普通的空氣是不行的,因為空氣中存在大量的微生物,進入發(fā)酵液中會大量繁殖,造成污染,甚至喧賓奪主,使發(fā)酵遭到破壞。因此,必須徹底地清除通入的空氣中的所有微生物。一般是通過加壓升溫,冷卻除水,多次無菌過濾等方法來實現(xiàn)。這就需要一套制備無菌空氣的設(shè)備和工藝。
另外,空氣中的氧氣在水中的溶解速度和量十分有限,為了滿足青霉菌生長和產(chǎn)生青霉素的需要,要加快氧的溶解速度和提高發(fā)酵液中的氧濃度。為解決這個問題,除了加大通氣量外,更重要的是將通入的空氣氣泡打碎、變小。對于同一體積的空氣來說,只有氣泡越小,空氣與液體的接觸面積越大,氧氣在發(fā)酵液中的溶解速度越快,才可滿足菌體的需要。為了實現(xiàn)這一目的,首先要將進入發(fā)酵罐的空氣盡可能的分散成較小的氣泡,然后再通過攪拌打成更小的氣泡,這就需要精益求精的不斷完善設(shè)計,改造設(shè)備。
攪拌在發(fā)酵過程中還有改善物質(zhì)和熱量傳遞的作用,使發(fā)酵物料混合均勻,防止局部溫度過高,提高加熱和冷卻效率等。但是,攪拌不當,也有負面作用,比如打斷菌絲,傷及細胞,影響細胞的正常代謝和青霉素的合成。因此,為了提高攪拌效率,降低負面影響,對攪拌器的形狀、大小、位置、個數(shù),以及產(chǎn)生的混合方式都有嚴格要求。影響混合效率的還有發(fā)酵罐的形狀、徑高比,擋板的形狀、數(shù)量、設(shè)置位置、形態(tài)等等。這就涉及發(fā)酵罐和輔助設(shè)備的設(shè)計和加工等一系列的工程設(shè)備問題。
對于任何一種微生物來說,它們生長和合成產(chǎn)物時都需要一個適宜的溫度范圍,就象我們?nèi)艘粯訙囟雀吡恕⒌土硕疾恍?。我們可以通過增減衣服,開空調(diào)、暖氣來解決。對于微生物我們沒有辦法給它們穿衣服,但可以采用類似開空調(diào)、暖氣的方法解決。就是在發(fā)酵罐上加上用于冷卻和加熱的夾套和螺旋管,通過通入冷水或熱水進行冷卻或加熱,另外,為了保證純種發(fā)酵,也就是只保證能夠產(chǎn)生青霉素的一種青霉菌生長,而不允許其他微生物生長、污染,在接種產(chǎn)生青霉素的青霉菌之前,要對使用的發(fā)酵罐及附帶的設(shè)備和培養(yǎng)基進行滅菌、把其中存在的所有微生物全部殺死,防止將雜菌帶入發(fā)酵系統(tǒng)。通常對培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備進行消毒滅菌都是使用高溫滅菌法,即通入高溫高壓蒸汽進行消毒。滅菌之后還需要進行冷卻,使溫度降到適合微生物生長。微生物在生長、代謝旺盛時會產(chǎn)生大量發(fā)酵熱,使溫度升高,這時需要對發(fā)酵系統(tǒng)進行冷卻,保持適宜的發(fā)酵溫度;發(fā)酵后期,微生物生長緩慢,發(fā)酵熱產(chǎn)生減少,甚至停止,進行產(chǎn)物合成時又需要維持適當溫度,這時又需要進行適當加熱保溫。為了在不同發(fā)酵階段保持適宜的溫度。所以必須有加熱和冷卻裝置和控制系統(tǒng)。
發(fā)酵結(jié)束,產(chǎn)生的青霉素還在發(fā)酵液中,必須進行分離。首先要進行過濾,將發(fā)酵液中的固體物質(zhì),比如菌體和沒有消耗掉的固體營養(yǎng)物組分除去,將濾液用酸調(diào)成酸性,使青霉素成為青霉素酸,然后用有機溶劑乙酸丁酯進行萃取,將青霉素萃取到有機溶劑中,達到分離的目的,經(jīng)脫色,再用堿性水從何含有青霉素的有機溶劑反萃取出來,使青霉素變成鹽,重新溶到水中,經(jīng)過濃縮,進行結(jié)晶,經(jīng)過干燥,就可以得到青霉素產(chǎn)品。
早期青霉素生產(chǎn)的過濾設(shè)備?
早期的萃取設(shè)備
為了滿足青霉素發(fā)酵和提取的這些條件,就必須解決與之有關(guān)的技術(shù),設(shè)備和工藝問題。為此人們根據(jù)對青霉素發(fā)酵過程認識的不斷深入,不斷地研究和發(fā)展了可通入無菌空氣、利用夾套和套管通入冷、熱水控制溫度的密封攪拌式發(fā)酵罐,以及配套的其他設(shè)備,如空氣壓縮、過濾、滅菌設(shè)備,以及相應(yīng)的生產(chǎn)工藝和技術(shù)。使青霉素的生產(chǎn)從上個世紀四十年代初的發(fā)酵效價每毫升200單位,提取收率75%,產(chǎn)品純度為60%的水平的基礎(chǔ)上不斷提高。也使發(fā)酵所需的廠房占地面積、勞強度、能源消耗、原材料、成本等大大降低,為青霉素在臨床上的大量使用奠定了基礎(chǔ)。