PRODUZIONE INDUSTRIALE DI PENICILLINA

La produzione industriale di penicillina sfrutta l'azione delle muffe Penicillium chrysogenum, che sono in grado di sintetizzare le penicilline G e V, nonché altre penicilline quando vengono aggiunti al substrato degli opportuni precursori. I ceppi di Penicillium devono essere accuratamente selezionati sia allo scopo di isolare specie che presentano una produttività particolarmente elevata, ma anche per evitare inquinamenti del prodotto nella successiva fase di produzione. I ceppi selezionati vengono quindi liofilizzati a -38°C e preparati in pellets per essere utilizzati nelle produzioni industriali.

La produzione industriale prevede una fase di vegetazione, in cui si prepara l'inoculo, ed una fase produttiva vera e propria. La fase di vegetazione ha lo scopo di preparare, a partire da una minima quantità di spore selezionate, una quantità di Penicillium adeguata alle dimensioni del fermentatore in cui si effettuerà la produzione. La fase di vegetazione si realizza attraverso diversi stadi a volume crescente in cui inizialmente si ha l'incubazione delle spore in provetta a 24°C in presenza di un apposito terreno di incubazione, per un tempo di circa 5 giorni. Quindi la coltura prosegue in palloni di alcuni litri sempre a 24°C per un tempo di 24-48 ore ed infine in fermentatori di più grandi dimensioni, che si replicano in scala ridotta le condizioni del fermentatore di produzione vera e propria.

Quest'ultimo passaggio, che può essere ripetuto se la quantità di microrganismi ottenuti non è ancora sufficiente, ha una durata di 24-48 ore. L'apparecchiatura è collegata al fermentatore di produzione, in maniera che il trasferimento dell'inoculo possa avvenire in tubazioni precedentemente sterilizzate con vapore.

La produzione vera e propria viene effettuata in fermentatori discontinui il cui volume può arrivare a centinaia di metri cubi, con un ciclo produttivo della durata di 5-7 giorni. Si possono utilizzare diversi fermentatori mantenendo alcuni in fase produttiva ed altri in fase di preparazione, rendendo il processo praticamente continuo.

All'interno del fermentatore, in cui l'inoculo rappresenta il 4-6 % del brodo di fermentazione, viene mantenuta una temperatura di 23-28°C, un pH 6,5 con un tasso di consumo di ossigeno dell'ordine di 0,4-0,8 mmol di ossigeno al minuto per litro di brodo di fermentazione.

Come substrato il Penicillium Crysogenum può utilizzare diverse fonti di carbonio, come glucosio, fruttosio, lattosio, saccarosio,  amidi ed altri saccaridi. Importante è anche la presenza di sostanze azotate, come il solfato di ammonio (NH₄)₂SO₄ che fornisce anche lo zolfo  necessario per la crescita microbica. Come visto precedentemente, la produzione delle varie forme di penicillina dipende anche dal tipo di precursore aggiunto. La produzione di penicillina G richiede l'aggiunta di acido fenilacetico, in forma di sale sodico, mentre per la penicillina V si aggiunge il sale sodico dell'acido fenossiacetico. Una tipica composizione del brodo di coltura, che utilizza acque di macerazione del mais come componente base è riportata nella tabella sottostante...

La fermentazione produce mediamente una quantità di penicillina pari a 0,12 g per grammo di carboidrato consumato, con una concentrazione del brodo di fermentazione di circa 20-25 grammi di penicillina per litro. Alla fine della fase di fermentazione il brodo viene inizialmente filtrato per separare le cellule e gli altri prodotti insolubili. Il filtrato viene raffreddato sino a 4°C per evitare la degradazione enzimatica della penicillina, nella successiva fase di estrazione. quindi si aggiunge acido solforico sino a pH 2 per trasformare la penicillina in forma acida, che consente la successiva estrazione effettuata utilizzando solventi organici come acetato di amile o di butile in un estrattore Podbielniak. Si lavora con un rapporto acetato di amile/brodo di fermentazione di 1:10 ottenendo una purezza di penicillina del 75-80 %.

L'estratto contenente la penicillina passa quindi attraverso un filtro a carboni attivi, che ha il compito di rimuovere i pigmenti ed altre eventuali impurezze, restituendo un liquido decolorato.

Quindi la penicillina viene precipitata per aggiunta di citrato di sodio o di potassio ed i cristalli, rapidamente separati per centrifugazione, vengono fatti accrescere per moderata agitazione e nuovamente centrifugati. I cristalli così ottenuti vengono lavati con solventi volatili, come alcool propilico o butilico, ed infine essiccati con aria calda, calore radiante o per passaggio in camera sotto vuoto.