Công nghệ sản xuất penicillin

 1
Trường Đại học Tôn Đức Thắng 
Khoa: Khoa học ứng dụng 
Ngành công nghệ sinh học 
Z 
Seminar: 
CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT 
PENICILLIN 
 SVTH: Tân Thị Xuân Huyền 
 Nguyễn Thị Lan Hương 
 Hoàng Hồng Ngọc 
 Phan Ngọc Bảo Nguyên 
 2
Mục Lục 
 I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤT KHÁNG SINH: 
1.1. Lịch sử phát hiện chất kháng sinh 
1.2. Định nghĩa kháng sinh: 
1.3. Cơ chế tác dụng: 
1.4. Đơn vị kháng sinh: 
 II. CHẤT KHÁNG SINH PENICILLIN: 
2.1. Lịch sử phát hiện và sản xuất penicillin 
2.2. Công thức cấu tạo của penicillin 
2.3. Những vi sinh vật sản sinh Penicillin và đặc điểm dinh dưỡng 
của chúng. 
2.4. Cơ sở công nghệ sinh tổng hợp penicillin từ nấm mốc 
III. QUY TRÌNH SẢN XUẤT PENICILLIN TỪ VI SINH VẬT: 
3.1. Đặc điểm chung: 
3.2. Chuẩn bị lên men: 
3.3. Kỹ thuật lên men: 
 3.3.1. Kỹ thuật lên men bề mặt: 
 3.3.2. Kỹ thuật lên men chìm: 
3.4 Xử lý dịch lên men và tinh chế thu penicillin tự nhiên 
IV. SẢN PHẨM: 
 3
I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤT KHÁNG SINH: 
 1.1.Lịch sử phát hiện chất kháng sinh: 
Sự phát triển về vi sinh vật học nói chung, và vi sinh vật công nghiệp nói riêng, 
với bước ngoặt lịch sử là phát minh vĩ đại về chất kháng sinh của Alexander 
Fleming (1982) đã mở ra kỷ nguyên mới trong y học: khai sinh ra ngành công nghệ 
sản xuất chất kháng sinh và ứng dụng thuốc kháng sinh vào điều trị cho con người. 
Thuật ngữ" chất kháng sinh" lần đầu tiên được Pasteur và Joubert (1877) sử 
dụng để mô tả hiện tượng kìm hãm khả năng gây bệnh của vi khuẩn Bacillus 
anthracis trên động vật nhiễm bệnh nếu tiêm vào các động vật này một số loại vi 
khuẩn hiếu khí lành tính khác. Liên tiếp sau đó là những phát hiện khác của: 
 Babes (1885) đã nêu ra định nghĩa hoạt tính kháng khuẩn của một chủng là 
đặc tính tổng hợp được các hợp chất hoá học có hoạt tính kìm hãm các chủng đối 
kháng. 
Nicolle (1907) là người đầu tiên phát hiện ra hoạt tính kháng khuẩn của 
Bacillus subtilis có liên quan đến quá trình hình thành bào tử của loại trực khuẩn 
này. 
Gratia và đồng nghiệp (1925) đã tách được từ nấm mốc một chế phẩm có thể 
sử dụng để điều trị hiệu quả các bệnh truyền nhiễm trên da do cầu khuẩn. 
Mặc dù vậy, trong thực tế mãi tới năm 1929 thuật ngữ "Chất kháng sinh" mới 
được Alexander Fleming mô tả một cách đầy đủ và chính thức trong báo cáo chi tiết 
về penicillin. 
 1.2. Định nghĩa kháng sinh: 
Chất kháng sinh được hiểu là các chất hoá học xác định, không có bản chất 
enzym, có nguồn gốc sinh học (trong đó phổ biến nhất là từ vi sinh vật), với đặc tính 
là ngay ở nồng độ thấp (hoặc rất thấp) đã có khả năng ức chế mạnh mẽ hoặc tiêu 
diệt được các vi sinh vật gây bệnh mà vẫn đảm bảo an toàn cho người hay động vật 
được điều trị. 
 1.3. Cơ chế tác dụng: 
Cơ chế tác dụng lên vi sinh vật gây bệnh ( hay các đối tượng gây bệnh khác - 
gọi tắt là mầm bệnh) của mỗi chất kháng sinh thường mang đặc điểm riêng, tùy 
 4
thuộc vào bản chất của kháng sinh đó; trong đó, những kiểu tác động thường gặp là 
làm rối loạn cấu trúc thành tế bào, rối loạn chức năng điều tiết quá trình vận 
chuyển vật chất của màng tế bào chất, làm rối loạn hay kiềm toả quá trình sinh tổng 
hợp protein, rối loạn quá trình tái bản ADN, hoặc tương tác đặc hiệu với những giai 
đoạn nhất định trong các chuyển hóa trao đổi chất 
 Hình 1. Vị trí tác dụng chính của một số chất kháng sinh 
 1.4. Đơn vị kháng sinh: 
Năng lực tích tụ kháng sinh của chủng hay nồng độ chất kháng sinh thường 
được biểu thị bằng một trong các đơn vị là : mg/ml, μg/ml, hay đơn vị kháng sinh 
UI/ml (hay UI/g, International Unit . 
 5
II. CHẤT KHÁNG SINH PENICILLIN 
 2.1. Lịch sử phát hiện và sản xuất 
penicillin: 
 Penicillin được phát hiện tình cờ vào năm 
1928 do Alexander Fleming, khi nhận thấy một 
hộp petri nuôi Staphylococcus bị nhiễm nấm mốc 
Penicillium notatum có xuất hiện hiện tượng vòng 
vi khuẩn bị tan xung quanh khuẩn lạc nấm. 
Ông đã sử dụng ngay tên giống nấm Penicillin để đặt tên cho chất kháng sinh 
này (1929). 
 Sau đó, Mỹ đã triển khai lên men thành công penicillin theo phương pháp lên 
men bề mặt (1931). Tuy nhiên, cũng trong khoảng thời gian đó mọi nỗ lực nhằm 
tách và tinh chế penicillin từ dịch lên men đều thất bại do không bảo vệ được hoạt 
tính kháng sinh của chế phẩm tinh chế và do đó vấn đề penicillin tạm thời bị lãng 
quên. 
Năm 1938 ở Oxford, khi tìm lại các tài liệu khoa học đã công bố, Ernst Boris 
Chain quan tâm đến phát minh của Fleming và ông đã đề nghị Howara Walter 
Florey cho tiếp tục triển khai nghiên cứu này. 
Ngày 25/05/1940 penicillin đã được thử nghiệm rất thành công trên chuột. 
Năm 1942, đã tuyển chọn được chủng công nghiệp Penicillium chrysogenum 
NRRL 1951 (1943) và sau đó đã được biến chủng P. chrysogenum Wis Q - 176 (chủng 
này được xem là chủng gốc của hầu hết các chủng công nghiệp đang sử dụng hiện 
nay trên toàn thế giới ); đã thành công trong việc điều chỉnh đường hướng quá trình 
lên men để lên men sản xuất penicillin G (bằng sử dụng tiền chất Phenylacetic, 
1944).... 
 6
 Hình 2. Các tác giả giải thưởng Nobel y học năm 1945 về công trình 
penicillin 
Penicillin được xem là loại kháng sinh phổ rộng, được ứng dụng rộng rãi trong 
điều trị và được sản xuất ra với lượng lớn nhất trong số các chất kháng sinh đã 
được biết hiện nay. Chúng tác dụng lên hầu hết các vi khuẩn Gram dương và 
thường được chỉ định điều trị trong các trường hợp viêm nhiễm do liên cầu khuẩn, 
tụ cầu khuẩn, thí dụ như viêm màng não, viêm tai - mũi - họng, viêm phế quản, 
viêm phổi, lậu cầu, nhiễm trùng máu...Thời gian đầu penicillin được ứng dụng điều 
trị rất hiệu quả. Tuy nhiên, chỉ vài năm sau đã xuất hiện các trường hợp kháng 
thuốc và hiện tượng này ngày càng phổ biến hơn. 
Vì vậy 1959, Batchelor và đồng nghiệp đã tách ra được axit 6-
aminopenicillanic. Đây là nguyên liệu để sản xuất ra hàng loạt chế phẩm penicillin 
bán tổng hợp khác nhau. 
Đối với Việt Nam, năm 1946, giáo sư Đặng Văn Ngữ đã thành công trong việc 
sản xuất nước lọc penicillin trong môi trường nước ngô góp phần đáng kể vào việc 
cứu chữa thương bệnh binh và đã được Bác Hồ thưởng Huân chương Lao động 
hạng ba cho thành tựu kỳ diệu chưa từng ai làm được này. 
 2.2. Công thức cấu tạo của penicillin: 
Penicillin gồm nhiều loại, chúng có cấu tạo gần giống nhau, bao gồm một vòng 
thiazolidine, một vòng β-lactam, một nhóm amino có gắn với CO2 và một mạch bên 
(R). Tất cả các penicillin đều là dẫn suất của acid 6-aminopenicillanic. Sự thay thế R 
 7
tạo nhiều acid amin khác nhau. hầu hết các penicillin đều được phân phối dưới 
dạng muối natrii hoặc muối kali. 
Hình 3. Cấu tạo chung của phân tử penicillin 
Ngày nay trên thế giới đã sản xuất ra được trên 500 chế phẩm penicillin ( 
trong đó chỉ lên men trực tiếp hai sản phẩm là penicillin V và penicillin G) và tiếp 
tục triển khai để sản xuất các chế phẩm penicillin bán tổng hợp khác. 
 Hình 2: Sản phẩm penicillin lên men tự nhiên nhờ P.chrysogenum 
 Cấu trúc không gian của Penicillin. 
 8
2.3 Những vi sinh vật sản sinh Penicillin và đặc điểm dinh dưỡng của chúng: 
Những vi sinh vật sinh penicillin thuộc các giống nấm mốc penicillium và 
Aspergillus. Nhưng các chúng thuộc nhóm Penicillium notatum, Penicillium 
chrysogenum có hoạt lực cao và được dùng trong công nghiệp kháng sinh. Những 
chủng đầu tiên được nuôi cấy bằng phương pháp bề mặt trên cơ sở chất tự nhiên 
tạo thành 10-15đv/ml kháng sinh. 
Penicilillium chrysogenum trên môi trường Raistrik tạo thành hai kiểu khuẩn 
lạc: 
9 Kiểu 1: khuẩn lạc tròn trặn, các nếpnăhn rõ nét. Khuẩn ty khí sinh 
mọc tốt và có màu xanh, theo rìakhuẩn lạc có đường viền rộng 2-5 mm của những 
khuẩn ty bạc trắng không có bào tử, các khuẩn ty cơ chất màu nâu, chất màu không 
hòa vào môi trường. 
9 Kiểu 2: Khuẩn lạc có những khuẩn ty màu trắng phát triển yếu, 
khuẩn ty cơ chất cũng có màu nâu. Khuẩn lạc kiểu 1 cho hoạt lực cao, kiểu 2 thường 
xuyên cho hoạt tính kháng sinh thấp. Vì vậy cần phải tách những khuẩn lạc kiểu 1 
trên môi trường này và thường xuyên kiểm tra để chọn những khuẩn lạc có hoạt lực 
cao, giữ được đặc tính của giống. 
Các chủng penicillium nuôi cấy trên đĩa petri 
 9
 các chủng Penicillium được nuôi cấy trên đĩa petri. 
 Những chủng Penicillium thường có hoạt lực cao lại kém ổn định. Đặc tính 
này đặt cho các nhà vi sinh vật một nhiệm vụ khó khăn: tạo được khả năng sinh 
kháng sinh cao nhất, giữ được ổn định trong quá trình nghiên cứu và sản xuất. 
Nhiệm vụ này có một ý nghĩa rất lớn trong công nghiệp, các giống được bảo vẹ ở kệ, 
ở trạng thái đông khô có thể tới 3 năm, ở đất vô trùng là 2 năm. Ngày nay nhờ di 
truyền học đã tạo ra được những giống ổn định, ít nhất sau 6 thế hệ không làm giảm 
hoạt tính kháng sinh. 
 Penicillin thường biến đổi về hình thái và giảm khả năng sinh kháng sinh. Khi 
xảy ra biến đổi thì sẽ sinh ra hàng loạt những chủng mới từ giống cơ bản và nhiệm 
vụ của các nhà vi sinh vật lúcnày là phải chọn lại những khuẩn lạc khỏe có nhiều ưu 
điểm, tiếp theo cần phải tiến hành những biện pháp bảo quản thích hợp. 
 Trong quá trình nuôi cấy chìm nấm Penicillium chrysogenum trải qua sáu giai 
đoạn phát triển: 
1. Giai đoạn I: Các bào tử nấm mốc nảy mầm, phát triển thành chồi 
nhỏ, tế bào chất chưa phân hóa. Thỉnh thoảng không bào có những hạt nhỏ bắt màu 
đỏ trung tính. 
2. Giai đoạn II: Khuẩn ty phát triển, tế bào chất ưa kiềm, những hạt nhỏ 
trong không bào dần dần biến mất. Ở cuối giai đọan này xuất hiện những giọt chất 
béo nhỏ . 
3. Giai đoạn III: Tạo thành những giọt chất béo to, không còn không 
bào, tế bào chất rất ưa kiềm. 
 10
4. Giai đoạn IV: Xuất hiện không bào với những hạt dễ bắt màu đỏ 
trung tính, những hạt chất béo nhỏ hơn ở giai đọan III, tính ưa kiềm giảm. 
5. Giai đoạn V: Khuẩn ty có hình trống và có chứa những không bào, ở 
giữa có một hoặc một vài hạt lớn. Các hạt chất béo biến mất. Tính ưa kiềm tiếp tục 
giảm. 
6. Giai đoạn VI: Khuẩn ty vẫn giữ được hình dạng hình trống nhưng 
không còn những hạt bắt màu trung tính, các không bào bắt màu da cam hoặcmàu 
hồng đồng đều. Các hạt chất béo không còn. Xuất hiện những tế bào riêng biệt bắt 
đầu tự phân. 
Quá trình lên men penicillin cũng thuộc vào loại lên men hai pha: pha sinh 
trưởng (ứng với giai đoạn I, II, III) và pha sinh penicillin ( các giai đoạn IV, V, VI ). 
Nguồn carbon trong lên men penicillin bằng nấm penicillium chrysogenum 
có thể là glucuza, sacaroza, lactoza, tinh bột, dextrin, các axit hữu cơ (lactic, axetic, 
formic), các axit aminđường lactoza cho hiệu xuất penicillin cao nhất và thường 
được dùng trong công nghiệp. nấm thường sử dụng lactoza chậm vì vậy, trong thực 
tế lactoza được dùng phối hợp cùng đường khác (glucoza, sacaroza) trong môi 
trường dinh dưỡng. 
Trong pha lên men thứ nhất giống phát triển mạnh, sử dụng glucoza và axit 
lactic của cao ngô. Sau đó lactoza mới đựoc sử dụng ( chủ yếu trong pha tạo 
penicillin). Khi trong môi trường cạn lactoza và không bổ sung các chất dinh dưỡng, 
hệ sợi nấm bắt đầu tự phân, nếu tiếp tục lên men nồng độ pecicillin sẽ giảm, trong 
thực tế cần kết thúc trước thời điểm này. 
Nguồn nitơ: có thể là những hợp chất hữu cơ (axit amin, pepton, protein) và 
vô cơ (amoniac, các muối amon và nitrat). Amoniac được nấm penicillium 
chrysogenum đồng hóa nhanh hơn cả. trong quá trình nuối cấy N-NH3 được tạo 
thành từ cao ngô do phản ứng khử amin các hợp chất nitơ. Nấm mốc sử dụng N-
NH3 trước tiên và nồng độ của chất này trong thời gian đầu tăng lên, vì tốc độ sinh 
trưởng, phát triển của nấm mốc và tiếp tục giảm cho đến khi hệ sợi của mốc tự 
phân. Tốc độ sử dụng amoniac phụ thuộc nguồn carbon trong môi trường. Trong 
trường hợp nguồn carbon là glucoza, sacaroza hoặc nguồn carbon dễ tiêu hóa khác, 
 11
amoniac sử dụng nhanh hơn khi môi trường coa lactoza. Nitrat được nấm mốc đồng 
hóa khi trong môi trường không co nguồn nitơ hữu cơ. 
Lưu hùynh có ý nghĩa đặc biêt quan trọng trong quá trình sinh trưởng và 
sinh tổng hợp của nấm mốc. nguồn lưu huỳnh thường dùng là muối sunfat của kali, 
natri và amon. Các chất này tham gia vào tổng hợp metionin, sixtin, biotin, 
tiamin hoặc trạng thái liên kết yếu là tốt hơn cả. Nhiều công trình nghiên cứu cho 
biết, khi trong môi trường có mặt đồng thời L-sixtin và sufat thì lưu huỳnh của axit 
amin này dễ đi vào phân từ penicillin hơn lưu hùynh của các gốc sufat. Song, dùng 
axit amin trong sản xuất không kinh tế cho nên người ta thường dùng thiosufat 
natri (Na2S2O3). Lưu huỳnh của chất này rất dễ di động. Trong môi trường dinh 
dưỡng có thiosufat cùng với cao ngô hiễu suất penicillin có thể tăng hai lần. 
Cơ chất biến đổi các hợp chất lưu huỳnh từ dạng oxy hóa sang dạng khử 
theo sơ đồ của Arnstein (1954) như sau: 
 Sufat Sufit Thiosufat Sixtin 
Trong tế bào sixtin dễ biến thành sixtein và ngược lại. sixtein có một ý nghĩa 
lớn như một tác nhân khử nhờ nhóm sunfuhydrin (-SH) 
pH môi trường thích hợp cho penicillium chrysogenum phát triển nằm trong 
khỏang 6-6.5. môi trường kiềm họac axit hơn đều làm cho mốc phát triển chậm. 
trong quá trình lên men pH môi trường thay đổi tùy thuộc vào tốc độ sừ dụng các 
hợp chất cacbon và N-NH3. 
 2.4. Cơ sở công nghệ sinh tổng hợp penicillin từ 
nấm mốc: 
 2.4.1. Lịch sử tuyển chọn chủng công nghiệp 
P. chrysogenum: 
Vào những năm đầu, việc nghiên cứu sản xuất 
penicillin thường sử dụng các chủng có hoạt lực cao 
thuộc loài P. notatum và P. baculatum. Nhưng từ khi 
trường đại học Wisconsin (Mỹ) phân lập được 
chủng P.chrysogenum có hoạt tính cao hơn thì chủng 
này dần dần đã thay thế và từ khoảng sau những 
 12
năm 50 của thế kỷ XX đến nay tất cả các công ty sản xuất penicillin trên thế giới đều 
sử dụng các biến chủng P.chrysogenum công nghiệp. 
Việc tuyển chọn chủng công nghiệp để lên men sản xuất penicillin trên nguyên 
tắc cũng trải qua sáu giai đoạn cơ bản đã mô tả trong mục 1.3.1, trong đó giải pháp 
kỹ thuật đã được áp dụng hiệu quả để thu nhận biến chủng "siêu tổng hợp" 
penicillin lại chính là các kỹ thuật gây đột biến thường như: xử lý tia Rơn - ghen, xử 
lý tia cực tím và tạo đột biến bằng hoá chất, thí dụ như Metylbis - amin 
(metyl -2-β-clo- etylamin), N-mustar (tris - β-clo- etylamin), Sarcrolyzin, HNO2, 
Dimetylsulfat, 1,2,3,4 -diepoxybutan. 
 2.3\4.2. Cơ chế sinh tổng hợp penicillin ở nấm mốc P. chrysogenum : 
Theo quan điểm phổ biến hiện nay, quá trình sinh tổng hợp penicillin ở nấm 
mốc P. chrysogenum có thể tóm tắt như sau: từ ba tiền chất ban đầu là α-
aminoadipic, cystein và valin sẽ ngưng tụ lại thành tripeptit δ -(α- aminoadipyl) - 
cysteinyl - valin ; tiếp theo là quá trình khép mạch tạo vòng β-lactam và vòng 
thiazolidin để tạo thành izopenicillin-N; rồi trao đổi nhóm α-aminoadipyl với 
phenylacetic (hay phenooxyacetic) tạo thành sản phẩm penicillin G (hay penicillin 
V, xem sơ đồ tổng hợp penicillin G trong hình. 
 Hình 3. Sơ đồ 
cơ chế sinh tổng hợp penicillin từ axit L-α- aminoadipic, L-cystein và L-valin 
 13
Tuy nhiên, cũng có thể nó được giải phóng ra và tích tụ trong môi trường (vì 
trong quá trình lên men sản xuất penicillin V bao giờ cũng  ... gười ta thường sử dụng 
phối hợp (NH4)2SO4 để vừa cung cấp thức ăn N và S, vừa sử dụng để điều chỉnh pH 
trong quá trình lên men (pH dịch len men ban đầu thường được điều chỉnh về 
 26
khoảng pH = 6,5 – 6,8 bằng dung dịch NaOH hoặc H3PO4); nồng độ NH4 + thường 
khống chế trong khoảng 0,3 – 0,4 kg/m3 dịch lên men. Chất phá bọt thường sử dụng 
là các loại dầu béo như: mỡ lợn, dầu đậu tương, dầu vừng, dầu cámTiền chất tạo 
nhánh phenylacetic trong lên men sản xuất penicillin G (hoặc phenooxyacetic trong 
lên men sản xuất penicillin V) được bổ sung liên tục (hoặc bổ sung gián đoạn làm 
nhiều lần) trong suốt thời gian pha lên men penicillin, để duy trì nồng độ trong 
khoảng 0,1 – 1,0 kg/m3 dịch (nếu ít quá nấm mốc sẽ tổng hợp đồng thời nhiều 
penicillin khác, nếu nhiều quá sẽ gây độc cho nấm và tăng cường thúc đẩy quá trình 
hydroxyl hóa sản phẩm penicillin). 
Nhiệt độ lên men pha đầu khống chế ở 30oC, sau đó sang pha sau giữ ở 22 – 
25oC. Tốc độ sục khí và khuấy trộn được điều chỉnh để duy trì nồng độ oxy hòa tan 
trong dịch trong khoảng 30%. Trong điều kiện trên thời gian lên men mỗi mẻ 
thường kéo dài khoảng 144 – 180 giờ. Kết thúc quá trình lên men người ta cố gắng 
lọc sớm dịch lên men, làm lạnh rồi chuyển sang công đoạn trích ly và tinh chế thu 
penicillin. 
* Đặc điểm về thiết bị lên men chìm: 
Quá trình lên men sản xuất penicillin ngày nay chủ yếu được tiến hành trong 
thiết bị lên men chìm chế tạo bằng nhóm thép chịu ăn mòn CT2 với khuấy trộn kiểu 
tuốc-bin (gồm nhiều tầng cánh khuấy), kết hợp bố trí hệ vách dẫn dòng trong 
thùng). Công suất khuấy trộn tiêu hao được thiết kế khoảng 3kW/m3/h. Không khí 
nén đã vô khuẩn được cấp vào qua hệ ống phân phối kiểu vòng xoáy hay kiểu rẻ 
quạt đục lỗ lắp đặt sát dưới đáy (hay phía dưới cánh tuốc-bin). Bên trong thiết bị 
được lắp đặt nhiều tầng ống trao đổi nhiệt kiểu vòng xoắn kết hợp đồng thời với 
trao đổi nhiệt qua thành thiết bị hai lớp vỏ, đảm bảo điều nhiệt hiệu quả trong suốt 
quá trình lên men. Dung tích thiết bị phổ biến trong khoảng 150 – 300m3, hệ số đổ 
đầy thường chọn khoảng 80%V (phụ thuộc vào kỹ thuật và thiết bị phá bọt). Thiết 
bị nhân sản xuất giống có dung tích khoảng 10%V thiết bị len men, được thiết kế 
tương tự và thường được ghép cứng với thiết bị lên men. Toàn bộ thiết bị lên men 
sản xuất, thiết bị nhân giống lớn và hệ thống trang thiết bị phụ trợ được thiết kế và 
lắp đặt đảm bảo có thể vệ sinh và thao tác vận hành theo chế độ vô khuẩn cao (tốt 
nhất nên bố trí sao cho có thể áp dụng chế độ thanh trùng đồng thời cho toàn bộ hệ 
 27
thiết bị này). Các thông số kiểm tra quá trình lên men bao gồm: pH môi trường, 
nồng độ oxy hòa tan, nhiệt độ, hàm lượng sinh khối và tốc độ biến thiên lượng sinh 
khối, số lượng, kích thước và cấu trúc pellet, nồng độ các cấu tử cơ chất, nồng độ 
penicillin, thành phần khí thải và các chỉ tiêu kiểm tra về vi sinh vật. Việc giám sát 
và điều chỉnh quá trình lên men được xây dựng trên cơ sở khai thác cả hai kiểu 
tương tác trực tuyến (online control) và tương tác không phản hồi theo quy luật 
(offline control), phụ thuộc vào khả năng đáp ứng của hệ thiết bị hiện có. Đồng thời 
xu hướng máy tính hóa trong kiểm tra và giám sát quá trình lên men đang dần 
chiếm ưu thế trong sản xuất công nghiệp. 
Hình 5. Sơ đồ hệ lên men dùng cho sản xuất penicillin. 
 * Hiệu quả kinh tế chung của quá trình lên men chìm 
Năng lực sinh tổng hợp và tích tụ penicillin trong dịch lên men là kết quả của 
mối tương tác đồng thời của hàng loạt yếu tố công nghệ như: hoạt tính sinh tổng 
hợp của chúng, công nghệ lên men áp dụng, chất lượng nguyên liệu, đặc tính thiết bị 
và năng lực đáp ứng các yêu cầu công nghệ của thiết bị, chế độ giám sát và điều 
chỉnh các thông số công nghệ, năng lực và kỹ năng vận hành của công nhân.... Với 
nguồn cơ chất chính là glucoza và lên men theo phương pháp chìm, hệ số phân bổ 
nguyên liệu dự tính khoảng 25% glucoza được nấm mốc sử dụng để tổng hợp hệ sợi, 
65% đường được sử dụng để duy trì sự sống sót của hệ sợi, còn lại chỉ khoảng 10% 
được nấm mốc sử dụng để tổng hợp penicillin. Hệ số sử dụng thức ăn nitơ và lưu 
huỳnh để tổng hợp penicillin tương ứng là 20% và 80%. Nồng độ penicillin G trong 
 28
dịch lên men những năm 80 - 90 của thế kỷ XX đạt khoảng 80.000 UI/ml (tương ứng 
năng suất khoảng 40 - 50 kg penicillin G/ m3 dịch lên men ). 
3.4 Xử lý dịch lên men và tinh chế thu penicillin tự nhiên: 
Có ba phương pháp thu nhận và tinh chế penicillin từ môi trường nuôi cấy, đó 
là: 
• Trích ly bằng dung môi hữu cơ 
• Hấp phụ 
• Trao đổi ion 
Trong ba phương pháp trên thì phương pháp trích ly bằng dung môi hữu cơ 
được sử dụng nhiều hơn cả. phương pháp này dựa trên những ưu điểm sau: 
• Muối của penicillin rất dễ tan trong nước 
• Acid penicillic rất dễ tan trong dung môi hữu cơ 
Công đoạn xử lý dịch lên men và tinh chế thu penicillin tự nhiên được tóm 
tắt, bao gồm các công đoạn chính sau đây: 
 29
Dịch lên 
men 
Lọc than 
Lọc sợi nấm 
Trích ly 
Trích ly 
pH 2,0-2,5 
Kết tinh 
Lọc tinh thể 
Hấp phụ bằng 
than hoạt tính 
Sinh khối 
nấm 
Than 
hoạt tính 
Dung môi, 
phụ gia, axit.
Kali acetat hoặc 
Natri acetat 
Rửa tinh thể 
Tinh chế thu 
hồi penicillin 
Dung môi 
Dung dịch đệm 
pH= 7,2-7,5. 
 30
 3.4.1. Lọc dịch lên men : 
Mục đích: Penicillin là sản phẩm lên men ngoại bào. Vì vậy, ngay sau khi kết 
thúc quá trình lên men người ta thường tiến hành lọc ngay để giảm tổn hao do phân 
huỷ penicillin và giảm bớt khó khăn khi tinh chế, do các tạp chất tạo ra khi hệ sợi 
nấm tự phân. 
Thiết bị lọc: phổ biến là thiết bị lọc hút kiểu băng tải hoặc kiểu thùng quay. 
Thông thường, người ta chỉ cần lọc một lần rồi làm lạnh dịch ngay để chuyển sang 
công đoạn tiếp theo. Chỉ trong những trường hợp rất đặc biệt mới cần phải xử lý 
kết tủa một phần protein và lọc lại dịch lần thứ hai. Hiện tượng tự phân hệ sợi nấm 
thường kéo theo hậu quả làm cho dịch khó lọc hơn. 
Thu hồi sinh khối nấm: Phần sinh khối nấm được rửa sạch, sấy khô và sử dụng 
để chế biến thức ăn gia súc. 
 3.4.2. Trích ly : 
Penicillin thường được trích ly ở dạng axít ra khỏi dịch lọc bằng dung môi 
amylacetat hoặc butylacetat ở pH = 2,0 - 2,5, nhiệt độ 0 - 30C. Nhằm hạn chế lượng 
penicillin bị phân huỷ, quá trình trích ly được thực hiện trong thời gian rất ngắn 
trong thiết bị trích ly ngược dòng liên tục kiểu ly tâm nhiều tầng cánh. Đồng thời, 
trong thời gian trích ly cần giám sát chặt chẽ các thông số công nghệ như: nhiệt độ 
pH, độ vô khuẩn.... để hạn chế tổn thất do phân huỷ penicillin. Dịch lên men sau khi 
lọc được bơm trộn đồng thời với dung dịch H2SO4 hoặc H3PO4 loãng có bổ sung 
thêm chất chống tạo nhũ và bơm song song cùng với dung môi trích ly vào trong 
thiết bị. Tỉ lệ dịch lọc: dung môi thường chọn trong khoảng 4 - 10V dịch lọc /1V 
dung môi. Trong một số công nghệ, nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm, người ta 
có thể áp dụng phương pháp trích ly hai lần dung môi, với lần đầu trích ly penicillin 
bằng amylacetat hoặc butylacetat; tiếp theo penicillin lại được trích ly ngược sang 
dung dịch đệm pH = 7,2 - 7,5, thường là dung dịch KOH loãng hoặc dung dịch 
NaHCO3; sau đó penicillin lại được trích ly sang dung môi lần thứ 2, với lượng dung 
môi ít hơn. 
 31
 3.4.3. Tẩy màu : 
Để tẩy màu và loại bỏ một số tạp chất khác, người ta thường bổ sung trực tiếp 
chất hấp phụ vào dung môi chứa penicillin sau trích ly, sử dụng phổ biến nhất là 
than hoạt tính. Sau đó than hoạt tính được tách và rửa lại bằng sử dụng thiết bị lọc 
hút băng tải hoặc thiết bị lọc hút kiểu thùng quay. Phần than sau lọc được đưa đi 
chưng thu hồi dung môi và xử lý hoàn nguyên, phục vụ cho các mẻ sau. 
 3.4.4. Kết tinh, lọc, rửa và sấy thu penicillin tự nhiên: 
Việc kết tinh penicillin V hay penicillin G dưới dạng muối có thể được thực 
hiện rất đơn giản, bằng cách bổ sung trực tiếp vào dung môi sau khi tẩy màu một 
lượng nhỏ kali acetat (hay natri acetat) hoặc người ta trích ly lại sang dung dịch 
KOH loãng (hay NaOH loãng), tiến hành cô chân không ở nhiệt độ thấp, sau đó bổ 
sung BuOH để penicillin tự kết tinh. Các thông số công nghệ có ảnh hưởng lớn đến 
hiệu qủa kết tinh là : nồng độ penicillin, nồng độ muối acetat, pH dung môi hay pH 
dung dịch cô đặc, nhiệt độ kết tinh ... Sau khi kết tinh, tinh thể penicillin được lọc 
tách bằng máy lọc hút thùng quay. Để đảm bảo độ tinh khiết cao hơn, có thể tiến 
hành hòa tan và kết tinh lại penicillin. Khi sản phẩm đã đạt độ tinh sạch theo yêu 
cầu, thường độ tinh khiết không dưới 99,5%, chúng được lọc tánh tinh thể; tiếp theo 
rửa và làm khô sơ bộ bằng dung môi kỵ nước như izopropanol hay butylalcohl; hút 
chân không tách dung môi trên máy lọc băng tải rồi sấy bằng không khí nóng đến 
dạng sản phẩm bột muối penicillin. Sản phẩm này, một phần được sử dụng trực tiếp 
để pha chế thuốc kháng sinh penicillin; còn lại, phần lớn được sử dụng làm nguyên 
liệu phục vụ cho việc sản xuất các sản phẩm penicillin và cephalosporin bán tổng 
hợp khác. 
Ngoài ra, để sản xuất ra các sản phẩm penicillin có độ tinh khiết rất cao, 
người ta cần phải sử dụng phối hợp thêm một số giải pháp công nghệ khác như 
phương pháp phân tán tĩnh điện. nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng một 
hiệu điện thế cao (lên đến 25 kV) để tạo những vi giọt của dung dịch chứa penicillin. 
3.5 Sản xuất axit 6- aminopenicillanic và sản xuất penicillin bán tổng hợp 
Axit 6- aminopenicillanic tuy không có hoạt tính kháng khuẩn, nhưng có thể sử 
dụng làm nguyên liệu để tổng hợp ra nhiều loại penicillin khác nhau và cả 
 32
cephalosporin. Để sản xuất axit 6- aminopenicillanic, con đường hiệu quả hơn cả 
hiện nay là lên men sản xuất penicillin G (hoặc penicillin V); sau đó áp dụng 
phương pháp hóa học hay sử dụng enzym acylaza để phân cắt mạch nhánh bên xem 
sơ đồ hình 2.11. 
 Hình 2.11. Sơ đồ tổng hợp axit 6- aminopenicillanic từ penicillin G 
 Phương pháp hóa học có hiệu suất chuyển hóa cao, tới 90-95%, và tốc độ phản 
ứng nhanh, song lại tiêu hao nhiều năng lượng, nhiều dung môi và chứa đựng nguy 
cơ ô nhiễm môi trường cao. Trong khi đó, phương pháp enzym, tuy hiệu quả chuyển 
hóa thấp hơn nhưng điều kiện phản ứng êm dịu và mang lại hiệu quả kinh tế cao 
hơn nên được triển khai phổ biến trong thực tiễn sản xuất công nghiệp. Đồng thời, 
cũng nhờ ưu thế trên, phương pháp enzym được hoàn thiện liên tục và ngày nay đã 
đạt được ưu thế vượt trội so với phương pháp hóa học. 
3.6 Tình hình sản xuất penicillin trên thế giới: 
Thuốc kháng sinh chiếm khoảng 30% thị phần dược phẩm thế giới. Các tập 
đoàn dược phẩm của Mỹ, Anh, Đức, Pháp, Nhật Bản, Italia, Hà Lan, Trung Quốc, 
ấn Độ, Đài Loan, Hàn Quốc, Áo chiếm các vị trí hàng đầu trong lĩnh vực này. Ví 
dụ: công ty DSM có trụ sở ở thành phố Delf (Hà Lan) hàng năm sản xuất 15.000 tấn 
 33
penicillin, chiếm 30% sản lượng loại thuốc này sản xuất trên toàn thế giới. Ngoài ra 
DSM còn sản xuất các tiền chất 7 ADCA (9.000 tấn), 6 APA (hàng ngàn tấn), cùng 
với ampicillin, amocixillin, cephalexin, cefađroxin, cefradin... Tập đoàn dược phẩm 
Hoa Bắc Thạch Gia Trang của Trung Quốc sản xuất mỗi năm 4.000 tấn penicillin. 
Tập đoàn dược phẩm Thành Đô mỗi năm sản xuất 3.000 tấn penicillin, 500 tấn 6 
APA và 200 tấn 7 ADCA. 
THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG SẢN XUẤT PENICILLIN 
Thiết bị sấy chân không 
Thiết bi lọc sinh học 
 34
 thiết bị lọc than hoạt tính 
 thiết bi sấy 
 35
Thiết bị sấy và một số sản phẩm của nó 
 IV. SẢN PHẨM: 
 1.Penicillin nhóm G: 
 Đây là nhóm penicillin cổ điển, tìm thấy đầu tiên. Đa số trích từ nấm và 
một số bán tổng hợp. các penicillin Gcó tac dụng với khuẩn gram dương và cầu 
khuẩn gram âm. Sau60 năm sử dụng penicillin G đã phần nào mất hiệu lực do tạo 
ra nhiều chủng lờn thuốc. 
 Đa số penicillin G bị acid của dịch vị phá hủy nên chỉ dùng để tiêm mà 
không uống. 
 Thuốc chọn lọc để trị phế cầu, liên cầu, tụ cầu không tiếc penicillinaz, 
clostridium, neisseria, khuẩn kị khí ở miệng , xoắn cầu. 
 G.1_ Benzylpenicillin = penicillin G 
 Bột màu trắng, mùi vị đặc biệt, dễ tan trong nước. 
 Dung dịch thuốc dễ bị thủy phân. Chỉ pha khi dùng. Dược điền 
qui định dung dịch penicillin G chỉ được tồn trữ 3 ngày trong tủ lạnh. Nhiệt độ càng 
cao càng dễ bị hỏng 
 G.2_ Penicillin G-procain 
Đây là benzylpenicillin-procain có tác dụng chậm. 
Đặc chế: đepocilin, allocillin, duracillin,hydracillin, luetoben, novocillin, solucillin 
Bột trắng , không hút ẩm, ít tan trong nước 
 G.3_Bipenicillin 
Vì penicillin-procain khuếch tán chậm người ta kết hợp penicillin G với penicillin 
procain để có tác dụng vừa tức thời vừa lâu bền 
 G.4_Benzathin-penicillin 
Benzathin-penicillin = benzathin-benzylpenecillin 
Đặc chế: extencillin, benapen, leomyben, benadin, tadocillin. 
Kết hợp 2 phân tử penicillin G với 1 phân tử dibenzyl-etylendiamin. 
 G.5_Benethamin-penicillin 
Bột kết tinh, ít tan trong nước 
Tác dụng chậm, trung bình 
 G.6_Clemizol-penicillin 
Đặc chế: lacgobenyl, neocuro 
Clemizol là chết kháng-histamin, nhưng muối clemizol của acid benzylpenicillinic là 
dạng thuốc có tác dụng chậm. sự hiện diện của clemizol làm giảm bớt dị ứng và ít 
nguy cơ gây tai biến. 
 G.7_Penethacillin 
Đặc chế neobenyl, leocillin, extoben, bronchocillin. 
Bột trắng ít tan trong nước 
 36
G.8_Penicilln V = Phenomycillin = phenoxymethyl- penicillin 
Đặc chế: oracillin, alphacillin, berocillin, calciopen K, iciben, isocillin, oracil, 
oragen, penigen, sumagen, pantogen, calcipen V, penavlon V 
 G.9_Phenethycillin = phenoxyethyl-penicillin 
Đặc chế: proxyl, chemipen, maxipen, syncillin 
 G.10_Propicillin = phenoxypropyl 
Đặc chế: baycillin. 
 G.11_Clomethocillin 
Tác dụng lâu dài hơn các penicillin uống khác 
Penicillin nhóm M 9 ( lấy meticillin làm căn bản) 
Năm 1957, J.C Sheehan đãtổng hợp được penicillin. Năm 1929, Doyle và Robinson 
đã đưa vào sản xuất công nghiệp. bẳng cách thay đổi dây ngang R, người ta tìm 
được nhiều chất mới có hoạt phổ rộng, ít gây trở ngại khi dùng, ít tạo chủng đề 
kháng điều đáng chú ý nhất là tổng hợp được các chất kháng penicillinaz do tụ 
cầu tiết ra và những penicillin uống tốt hơn penicillin V. 
Penicillin nhóm M có 2 chất chính là meticillin và clozalin. Chúng không bị thủy 
phân bởi penicillinaz. Do đó các chất này được dùng để trị các bệnh tụ cầu. 
Tuy nhiên khoảng 20-25% chủng tụ cầu vẫn đề kháng với nhóm penicillin M, đó là 
do đề kháng nhiễm thể. Do đó các penicillin này vẫn chưa có giá trị tuyệt đối với tụ 
cầu. 
Hiệu lực kháng khuẩn chỉ bằng 1/10 penicillin G với các khuẩn nhạy cảm với 
penicillin 
Oxacillin, cloxacilin, diclozacilin ít độc tính hơn meticillin. Meticillin chỉ dùng các 
chất khác uống được. 
Penicillin nhóm A ( lấy ampicillin làm căn bản): 
Đây là penicillin bán tổng hợp, hoạt phổ rộng hơn các penicillin trước kia: diệt được 
các khuẩn gram dương và âm, cầu khuẩn gram âm, nhưng lại trị không hi hữu tụ 
cầu 
Người ta chia thành 3 nhóm nhỏ 
 Aminopenicillin: amicillin và chất dẫn 
 Carboxypenicillin: carbonycillin và dẫn xuất. 
 Ureidopenicillin và imidinopenicillin