Теоретические основы. Под названием «пенициллин» или, точнее, «пенициллины» объединена обширная группа антибиотических веществ

Под названием «пенициллин» или, точнее, «пенициллины» объединена обширная группа антибиотических веществ, представленных как природными соединениями, так и их биологически активными аналогами, получаемые синтетическим и биосинтетическим путем.

В основе структурной формулы пенициллина лежит конденсированная система двух колец – тиазолидинового и ß-лактамного:

Как видно из формулы, пенициллины являются N - ацильными производными 6-АПК, выделенной из культуральной жидкости продуцента пенициллина. Боковая цепь представляет собой ацильный остаток органической кислоты (RCO -), в котором R может быть различным, например:

C₆H₅CH₂ -

HO – C₆H₄ – CH₂ -

По своим химическим свойствам все пенициллины очень близки и рассмотрение основных превращений пенициллина на примере бензилпенициллина может служить удобной моделью для изучения свойств этой группы антибиотиков в целом.

Впервые в промышленных масштабах пенициллин был получен поверхностным методом культивирования при использовании штаммов, выделенных из естественных субстратов. В настоящее время имеются десятки штаммов, синтезирующих пенициллин. Применяемые в пенициллиновой промышленности штаммы Penicillium chrysogenum обладают высокой продуктивностью.

При глубинном выращивании культура Penicillium chrysogenum в процессе развития проходит 6-возратных фаз. Процесс биосинтеза пенициллина при глубинном культивировании состоит из трех стадий:

1. Выращивание посевного мицелия 1-й генерации в инокуляторах.

2. Выращивание посевного мицелия 2-й генерации в аппаратах большой емкости.

3. Ферментация.

В настоящее время высокие выходы антибиотиков в промышленности достигнуты в результате изучения и подбора условий его образования и селекции наиболее активных штаммов продуцентов пенициллина. Именно с производства пенициллина началось создание новой отрасли медицинской промышленности – антибиотиков, которая сейчас производит много антибиотиков различных групп.

Максимальный выход антибиотика в значительной степени определяется составом питательной среды и условиями аэрации. Состав сред разрабатывается на основе изучения физиологических особенностей продуцента, потребностей его в источниках питания на разных этапах его развития. Подбор питательных сред проводится применительно к каждому штамму индивидуально.

Процесс глубинной ферментации можно разделить на две основные фазы: фазу роста мицелия и фазу пенициллинообразования. В течение 1-й фазы происходит быстрый рост мицелия, легкоусвояемый углерод и азот ассимилируется с большой скоростью, интенсивность дыхания достигает максимальной величины, pH среды повышается, пенициллин в этот период образуется слабо. Во 2-й фазе мицелий растет медленно, лактоза потребляется постепенно, pH среды остается на одном уровне, образование пенициллина достигает максимальной величины. В дальнейшем начинается автолиз мицелия и одновременно наблюдается понижение концентрации пенициллина в культуральной жидкости. Положительным фактором процесса является большая продолжительность 2-й стадии пенициллинообразования и окончание процесса ферментации до наступления автолиза. Основными показателями, свидетельствующими об окончании ферментации, являются полное исчезновение углеводов в культуральной жидкости и прекращение биосинтеза антибиотика. Далее мицелий отфильтровывается от культуральной жидкости (обычно на барабанных вакуум–фильтрах непрерывного действия). Фильтрат культуральной жидкости (нативный раствор) затем подвергается предварительной обработке (дополнительная фильтрация с применением активированного угля).

Выделение пенициллина из нативного раствора основано на способности пенициллина в виде кислоты растворяться в бутилацетате, в воде он не растворяется. Калиевая соль пенициллина, напротив, хорошо растворима в воде и не растворима в бутилацетате. В производстве после передачи нативного раствора цеху химической очистки в сборник нативного раствора перед началом экстракции добавляют 0,03-0,06 масс, % дезэмульгатера (авироль) для лучшего разделения эмульсии.

Нативный раствор из сборника подают в эмульгатор, куда одновременно подается 9-12%-й раствор H₂SO₄ и охлажденный бутилацетат. В эмульгаторе происходит смешивание всех трех компонентов и экстрагирование бензилпенициллина (кислоты) бутилацетатом. Затем эмульсия поступает в экстрактор, где дополнительно обрабатывается бутилацетатом.

Полученный бутилацетатный экстракт осветляют обработкой с активированным углем, далее вымораживают при -5ºС в течение 20-30 минут, отфильтровывают от кусочков льда, обезвоживая таким образом бутилацетатный экстракт.

Выделение калиевой соли бензилпенициллина из бутилацетатного экстракта проводят путем добавления рассчитанного количества насыщенного раствора ацетата калия (раствор ацетата калия готовят в отдельном аппарате).