一种青霉素精制系统及其精制方法与流程

[0001]
本发明涉及发酵领域，具体而言，涉及一种青霉素精制系统及其精制方法。


背景技术：

[0002]
工业发酵就是通过微生物的生命活动，把发酵原料转化为人类所需要的微生物产品的工业过程。在我国，发酵工业作为生物技术中的重要分支近年来已有长足的发展，新型发酵工业(例如氨基酸、酶制剂、有机酸、单细胞蛋白、淀粉糖等)以年平均21％的速度增长。至今，我国已形成了一个品种繁多，门类齐全，具有相当规模的发酵工业体系，其产品应用覆盖医药、卫生、轻工、农业、能源、环保等诸多行业。
[0003]
在好氧发酵中，溶解的氧含量是菌体生长与发酵的限制性因素，而传统好氧发酵工艺中采用，发酵液中溶解氧浓度一般仅为7～8ppm，使得发酵效率低下。因此谋求更高气液传质效率的发酵设备以提高溶解氧浓度，提高发酵产率，是现代发酵工业发展的重要方向。
[0004]
此外，现有发酵工艺需要大量的人力，包括通过人孔进入罐体内部洗刷以及各管路阀门的现场操作等。这样既提高了人力成本，同时降低了生产的安全性。
[0005]
有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

[0006]
本发明的第一目的在于提供一种青霉素精制系统，该青霉素精制系统通过在发酵罐内设置微界面发生器与液体喷射器，一方面液体喷射器可将清洗罐体的水高效破碎成微米级液滴，并通过喷射器冲撞发酵罐上方取代人工进行清洗，另一方面通过微界面发生器将空气高效破碎成微米级气泡，并分散到发酵液中形成微界面体系，以数十倍地提高反气液内的气液相界面积，大幅提高氧气向发酵液的传质速率，提高溶解氧的浓度及宏观发酵速率，再者通过采用智能化的清洗装置代替人工清洗，采用plc(或dcs，plc和dcs)控制系统对生产进行远程控制，符合生产的智能化。
[0007]
本发明的第二目的在于提供一种采用上述青霉素精制系统进行发酵的方法，该精制方法操作简便，得到的发酵产物纯度高，发酵效果好，值得广泛推广进行应用。
[0008]
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
[0009]
本发明提供了一种青霉素精制系统，包括发酵罐以及控制系统，所述控制系统与所述发酵罐连接以实现对发酵罐的工作状态进行控制，所述发酵罐的顶部设置有菌液进口以及料液进口以用于菌液与料液的进入，所述发酵罐的底部设置有出液口以用于发酵产物排出；
[0010]
所述发酵罐内设置有液体喷射器以及微界面发生器，所述微界面发生器的个数为两个，所述液体喷射器的个数为三个，位于上部的微界面发生器靠近所述发酵罐的顶部，位于下部的微界面发生器靠近所述发酵罐的底部，所述液体喷射器均设置在所述发酵罐内上部，其中两个液体喷射器分别设置发酵罐的侧壁上，另一个液体喷射器与上部的所述微界
面发生器相对设置，所述发酵罐的侧壁设置有清洗水进口以及空气进口，所述空气进口通过管道通入所述微界面发生器中，所述空气进口与所述微界面发生器一一对应，所述液体喷射器与所述清洗水进口通过管道连接，所述清洗水进口与所述液体喷射器一一对应。
[0011]
现有技术中的青霉素精制系统在好氧发酵过程中，一般由于气液的传质效率比较低导致发酵产率也不高，本发明为了解决上述技术问题提供了一种新型的青霉素精制系统，在该青霉素精制系统中集成了微界面发生器以及液体喷射器对空气以及水进行充分的分散破碎，提高了发酵罐的清洗效果，同时提高了发酵过程中的气液传质效果，从而最终达到提高了发酵产率的效果。
[0012]
优选地，设置在发酵罐侧壁上的两个液体喷射器沿竖直向互相错位设置。
[0013]
优选地，所述液体喷射器位于上部的所述微界面发生器的正上方。
[0014]
优选地，所述液体喷射器的顶部呈半圆形弧面，所述半圆形弧面上依次排布有若干个喷射口，所述清洗水进口通过管道与所述液体喷射器的底部连接。
[0015]
本发明的液体喷射器主要是跟清洗水进口通过管道连接，通过将清洗水引入到液体喷射器中，并通过液体喷射器半圆形弧面上的喷射口喷射出去，之所以设计成半圆形弧面的结构是为了提高清洗效果，保证喷射出去的清洗水能够对发酵罐的壁面进行全方位的清洗，此外优选地，每个所述喷射口内铺设有均布多个微孔的网面，这样喷射出去的水被打碎分散后，成雾状以提高传质效果，也相当于起到了微界面发生器相应的效果。
[0016]
本发明的液体喷射器具体为三个配合使用，其中一个位于中间，另外两个位于发酵罐的内壁上，这样每个液体喷射器喷射水雾的方向为不同的方向，从而保证从各个角度对发酵罐内部进行清洗。两个位于内壁上的液体喷射器互相错位放置也是为了防止两个液体喷射器互相影响。
[0017]
需要额外注意的是，两个微界面发生器最好一个设置在发酵罐内比较靠下的位置处，这样空气能够进入充满整个发酵罐，如果位置太过靠上可能会影响氧气与菌液、料液之间的分散效果，另外一个微界面发生器则位于与上部的液体喷射器比较靠近的位置，因为在液体喷射器进行工作的过程中进入到微界面发生器中的液相也可以进一步起到分散破碎的作用，使其液体分散效果更佳，所以可见两个微界面发生器分别发挥不同的作用。
[0018]
并且，发酵罐内设置的微界面发生器为两个互相配合进行工作，且其具体类型最好为气动式微界面发生器，因为气动式类型相对成本低，容易安装。并且每个微界面发生器分别对应一个空气进口，这样每个微界面发生器均能实现将进来的空气第一时间进行分散破碎的效果，所以最好不要将两个微界面发生器同时对应同一个空气进口，而是采用一一对应的方式将空气鼓入发酵罐内。
[0019]
发酵罐内的微界面发生器将空气破碎成微米尺度的微气泡，并将微气泡释放到发酵液内部，以增大发酵过程中氧气与发酵液之间的相界传质面积，使得两相充分接触，提高发酵液中的溶解氧浓度，提高发酵效率，缩短发酵时间。
[0020]
本领域所属技术人员可以理解的是，本发明所采用的微界面发生器在本发明人在先专利中已有体现，如申请号cn201610641119.6、cn201610641251.7、cn201710766435.0、cn106187660、cn105903425a、cn109437390a、cn205833127u及cn207581700u的专利。在先专利cn201610641119.6中详细介绍了微米气泡发生器(即微界面发生器)的具体产品结构和工作原理，该申请文件中记载了“微米气泡发生器包括本体和二次破碎件、本体内具有空
腔，本体上设有与空腔连通的进口，空腔的相对的第一端和第二端均敞开，其中空腔的横截面积从空腔的中部向空腔的第一端和第二端减小；二次破碎件设在空腔的第一端和第二端中的至少一个处，二次破碎件的一部分设在空腔内，二次破碎件与空腔两端敞开的通孔之间形成一个环形通道。微米气泡发生器还包括进气管和进液管。”从该申请文件中公开的具体结构可以知晓其具体工作原理为：液体通过进液管切向进入微米气泡发生器内，超高速旋转并切割气体，使气体气泡破碎成微米级别的微气泡，从而提高液相与气相之间的传质面积，而且该专利中的微米气泡发生器属于气动式微界面发生器。
[0021]
另外，在先专利201610641251.7中有记载一次气泡破碎器具有循环液进口、循环气进口和气液混合物出口，二次气泡破碎器则是将进料口与气液混合物出口连通，说明气泡破碎器都是需要气液混合进入，另外从后面的附图中可知，一次气泡破碎器主要是利用循环液作为动力，所以其实一次气泡破碎器属于液动式微界面发生器，二次气泡破碎器是将气液混合物同时通入到椭圆形的旋转球中进行旋转，从而在旋转的过程中实现气泡破碎，所以二次气泡破碎器实际上是属于气液联动式微界面发生器。其实，无论是液动式微界面发生器，还是气液联动式微界面发生器，都属于微界面发生器的一种具体形式，然而本发明所采用的微界面发生器并不局限于上述几种形式，在先专利中所记载的气泡破碎器的具体结构只是本发明微界面发生器可采用的其中一种形式而已。
[0022]
此外，在先专利201710766435.0中记载到“气泡破碎器的原理就是高速射流以达到气体相互碰撞”，并且也阐述了其可以用于微界面强化反应器，验证本身气泡破碎器与微界面发生器之间的关联性；而且在先专利cn106187660中对于气泡破碎器的具体结构也有相关的记载，具体见说明书中第[0031]-[0041]段，以及附图部分，其对气泡破碎器s-2的具体工作原理有详细的阐述，气泡破碎器顶部是液相进口，侧面是气相进口，通过从顶部进来的液相提供卷吸动力，从而达到粉碎成超细气泡的效果，附图中也可见气泡破碎器呈锥形的结构，上部的直径比下部的直径要大，也是为了液相能够更好的提供卷吸动力。
[0023]
由于在先专利申请的初期，微界面发生器才刚研发出来，所以早期命名为微米气泡发生器(cn201610641119.6)、气泡破碎器(201710766435.0)等，随着不断技术改进，后期更名为微界面发生器，现在本发明中的微界面发生器相当于之前的微米气泡发生器、气泡破碎器等，只是名称不一样。
[0024]
综上所述，本发明的微界面发生器属于现有技术，虽然有的微界面发生器属于气动式微界面发生器类型，有的微界面发生器属于液动式微界面发生器类型，还有的属于气液联动式微界面发生器类型，但是类型之间的差别主要是根据具体工况的不同进行选择，另外关于微界面发生器与反应器、以及其他设备的连接，包括连接结构、连接位置，根据微界面发生器的结构而定，此不作限定。
[0025]
优选地，所述青霉素精制系统包括液体菌种预混装置以及菌液罐，所述菌液罐与所述菌液进口连通，所述液体菌种预混装置预混后的菌种储存在所述菌液罐中。
[0026]
优选地，所述液体菌种预混装置包括分流预混管以及汇流预混管，不同种类的菌液经过分流预混管汇合到汇流预混管中进行预混，所述汇流预混管与所述菌液罐连通。
[0027]
设计菌种预混装置是为了实现多种液体菌种之间的预混，不同类型的菌液先通过不同的分流预混管，然后汇总到汇流预混管中进行不同菌液之间的混合，从而实现不同菌液混合后以提高菌种的预混率，也提高了后续的发酵效果。
[0028]
优选地，所述青霉素精制系统包括料液罐，所述料液罐与所述料液进口通过管道连通。储存在料液罐里面的料液通过料液进口进入到发酵罐中。
[0029]
优选地，所述发酵罐的底部两侧平整，中心位置向上形成凸起，在所述发酵罐底部的两侧平整位置分别设置有所述出液口。中心位置向上凸起的原因是为了将有氧发酵生成的发酵产物高效的从出料口排出，如果底部均为平整的会有少部分发酵产物残留，所以最好按照本发明的方案来实施将发酵罐底部的中心位置向上凸起。
[0030]
优选地，所述发酵罐内底部中心凸起处设置有搅拌桨以起到加速排料的作用。凸起的位置设置搅拌桨也是为了提高发酵产物排出的效率，而且通过搅拌还能提升发酵效率。
[0031]
优选地，本发明的青霉素精制系统还包括若干对发酵罐进行杀菌的高温蒸汽管道，分别对料液、菌液以及清洗水进行杀菌。
[0032]
优选地，所述发酵罐内设置有超声波灭菌装置，所述超声波灭菌装置紧贴发酵罐的内壁，这样通过蒸汽管道往发酵罐里面通蒸汽的同时还能采用超声波灭菌装置辅助灭菌。
[0033]
优选地，靠近所述发酵罐底部的位置设置有所述清洗水进口以实现对所述发酵罐内底部进行清洗。这样既能起到对发酵罐内上部进行清洗的效果，也能起到对发酵罐内下部进行清洗的效果。
[0034]
此外，本发明还提供了一种精制方法，包括如下步骤：
[0035]
将清洗水破碎为微米级的微液滴对发酵罐内部进行清洗；
[0036]
将空气微界面分散破碎后，与菌液、料液混合进行有氧发酵，发酵产物排出收集。
[0037]
总之，本发明的精制方法通过在发酵罐内部设置有微界面发生器，使得在空气与发酵液进行发酵之前，微界面发生器将空气破碎成直径为大于等于1μm、小于1mm的微气泡，使得空气以微气泡的状态与发酵液接触，以增大发酵过程中氧气与发酵液之间的相界传质面积，使得两相充分接触，提高发酵液中的溶解氧浓度，提高发酵效率，缩短发酵时间，从而解决了现有技术中发酵效率低下的问题。
[0038]
尤其在本青霉素精制系统中，通过添加控制系统实现了自动化的发酵罐清洗过程以及智能化的控制过程，进一步节约了生产成本。
[0039]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0040]
(1)本发明的青霉素精制系统通过在发酵罐内设置微界面发生器与液体喷射器，一方面液体喷射器可将清洗罐体的水高效破碎成微米级液滴，并通过喷射器冲撞发酵罐上方取代人工进行清洗，另一方面通过微界面发生器将空气高效破碎成微米级气泡，并分散到发酵液中形成微界面体系，以数十倍地提高反气液内的气液相界面积，大幅提高氧气向发酵液的传质速率，提高溶解氧的浓度及宏观发酵速率；
[0041]
(2)本发明的青霉素精制系统通过采用智能化的清洗装置代替人工清洗，采用plc(或dcs，plc和dcs)控制系统对生产进行远程控制，符合生产的智能化；
[0042]
(3)本发明的精制方法操作简便，得到的发酵产物纯度高，发酵效果好，值得广泛推广进行应用。
附图说明
[0043]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
[0044]
图1为本发明实施例提供的青霉素精制系统的结构示意图；
[0045]
图2为图1中的发酵罐内部结构图；
[0046]
图3为本发明实施例提供的青霉素精制系统的网面的结构示意图。
[0047]
附图说明：
[0048]
10-发酵罐；
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101-菌液进口；
[0049]
102-料液进口；
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103-液体喷射器；
[0050]
104-微界面发生器；
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105-空气进口；
[0051]
106-清洗水进口；
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1031-喷射口；
[0052]
1032-网面；
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107-出液口；
[0053]
108-搅拌桨；
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109-超声波灭菌装置；
[0054]
110-菌液罐；
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111-料液罐；
[0055]
112-液体菌种预混装置；
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1121-分流预混管；
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1122-汇流预混管；
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20-控制系统。
具体实施方式
[0057]
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0058]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0059]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0060]
为了更加清晰的对本发明中的技术方案进行阐述，下面以具体实施例的形式进行说明。
[0061]
实施例
[0062]
参阅图1所示，为本发明实施例的青霉素精制系统，其主要包括发酵罐10以及控制
系统20，具体发酵罐10内部的结构示意图参照图2所示，发酵罐10内设置有三个液体喷射器103以及两个微界面发生器104，位于上部的微界面发生器104靠近发酵罐10的顶部，位于下部的微界面发生器104靠近发酵罐10的底部，液体喷射器103均设置在发酵罐10内上部，其中两个液体喷射器103分别设置发酵罐的侧壁上，互相错位设置，另一个液体喷射器103与上部的微界面发生器104相对设置，设置在该微界面发生器104的正上方，发酵罐10的侧壁设置有清洗水进口106以及空气进口105，发酵罐10的顶部设置有菌液进口101以及料液进口102以用于菌液与料液的进入，微界面发生器104与空气进口105通过管道连接，清洗水进口106与液体喷射器103一一对应，用于将清洗水在液体喷射器103内进行分散破碎，空气进口105与微界面发生器104一一对应，用于发酵反应之前，将空气破碎成直径为微米级的微气泡，以增大发酵过程中氧气与发酵液之间的相界传质面积，使得两相充分接触，提高发酵液中的溶解氧浓度，提高发酵效率，缩短发酵时间。
[0063]
该发酵系统包括液体菌种预混装置112、菌液罐110以及料液罐111，液体菌种预混装置112包括分流预混管1121以及汇流预混管1122，不同种类的菌液经过分流预混管1121汇合到汇流预混管1122中进行预混，汇流预混管1122与菌液罐110连通，料液罐111与料液进口102通过管道连通，菌液罐110与菌液进口101通过管道连通。
[0064]
液体喷射器103与清洗水进口106通过管道连接，液体喷射器103的顶面呈半圆形弧面，所述半圆形弧面上依次排布有若干个喷射口1031，所述清洗水进口106通过管道与所述液体喷射器103的底部连接，通过将清洗水破碎为直径为微米级的微液滴，从表面凸起的喷射口1031喷出，以冲撞罐体内部进行高效的清洗。为了提高清洗效果，喷射口1031内铺设有均布多个微孔的网面1032，网面1032的个数不限，目的是为了使清洗水呈雾状喷射出去，提高清洗的传质效果，网面1032的结构具体参见图3。
[0065]
发酵罐10的底部设置有出液口107，用于废水、废气的排放以及产物出料。发酵罐10的底部两侧平整，中心位置向上形成凸起，在所述发酵罐10底部的两侧平整位置分别设置有所述出液口107，发酵罐10内底部中心凸起处设置有搅拌桨108以起到加速排料的作用，叶片的方向朝上，以用于发酵罐10底部冲洗、发酵与排液时的搅拌，转速可以无级调节。
[0066]
为了配合清洗，在发酵罐10侧壁的底部也相应的设置清洗水进口106。这样对于发酵罐10内部的各个位置都能实现有效的清洗。
[0067]
本发明的发酵罐10还可以实现消毒功能，在每个进料管线上都相应的设置蒸汽管线，并在发酵罐10内侧壁面上相应的设置有超声波灭菌装置109，辅助蒸汽管线进行灭菌。
[0068]
该实施例还包括plc(或dcs，plc和dcs)控制系统20：与发酵罐10的传感器相连，用于智能化控制工艺操作与参数，实现了对生产进行远程控制，符合生产的智能化。
[0069]
本发明实施例的青霉素具体发酵过程如下：
[0070]
(1)清洗：在发酵罐10上方的清洗水输送到液体喷射器103内部并通过弧面上的喷射口1031将水喷淋出来，经网面1032高效破碎成微米级(1μm≤d<1mm)液滴后从液体喷射器103表面凸起的喷射口1031喷出，冲撞发酵罐10的内部并对上方进行清洗。清洗后的液滴在罐底形成液位，当液位上升到罐体中部时，关闭上方输水阀门，打开底部的搅拌桨108到200rpm。由于搅拌桨108叶片的安装方向向下，会将叶片上方的液体抽往下方两侧，并在搅拌桨108两侧形成漩涡，对发酵罐10下部两侧进行冲刷清洗。同时打开下方的水路，使水流通水从下部的清洗水进口106进入，输入的水流在搅拌桨108的作用下对高侧罐壁进行清
洗，冲刷30min后关闭输水阀门，调小转速到100rpm/min，并通过罐体下端两侧的出液口107将废水排出，关闭出液口107，调小转速到50rpm。
[0071]
(2)消毒：打开高温蒸汽管线，通入121～180℃，3公斤蒸汽进行杀菌消毒，在通蒸汽的同时维持搅拌速率50rpm，使得罐体内的蒸汽均匀分布。在蒸汽消毒的同时可以打开罐体上侧内壁的超声波灭菌装置109辅助灭菌。30～50min后关闭蒸汽管线，蒸汽冷凝后的水从罐底两侧的出液口107排放，关闭出液口107，冷却罐体至室温。
[0072]
(3)进料：打开发酵罐10顶部的料液进口102，将青霉素通过管路从料液进口102进料，当液位达到一定高度，进料完毕，关闭阀门停止进料。
[0073]
(4)消毒：打开高温蒸汽管线，通入121～180℃，3公斤蒸汽分别对流经料液的管路和料液进行杀菌消毒，维持搅拌桨108转速50rpm，30～50min后关闭蒸汽阀门，冷却罐体至室温。
[0074]
(5)通气：待料液冷却至室温后，从菌液进口101通入发酵的真菌，提高搅拌转速至100rpm，关闭进菌管路，空气进口105开始通入空气至微界面发生器104中。微界面发生器104将空气破碎成微米尺度的微气泡，并将微气泡释放到发酵液内部，以增大发酵过程中氧气与发酵液之间的相界传质面积，使得两相充分接触，提高发酵液中的溶解氧浓度，提高发酵效率，缩短发酵时间。
[0075]
(6)出料：发酵完成后，停止通气，打开出液口107进行出料，降低搅拌转速至50rpm，出料完全后料液用于后续分离纯化，发酵罐10内废气在搅拌一段时间后置换为空气，关闭出料阀，进行下一个循环的发酵过程。
[0076]
上述发酵过程中的操作以及工艺参数完全由plc(或dcs，plc和dcs)的控制系统20控制，控制系统20与发酵罐10上各传感器相连接，实现自动化智能化控制，节约人力成本。
[0077]
在上述实施例中，微界面发生器104为两个，通过将气体的压力能和/或液体的动能转变为气泡表面能并传递给气泡，使气泡破碎成直径为大于等于1μm、小于1mm的微米级别的微气泡，根据能量输入方式或气液比分为气动式微界面发生器104、液动式微界面发生器104和气液联动式微界面发生器104，其中气动式微界面发生器104采用气体驱动，输入气量远大于液体量；液动式微界面发生器104采用液体驱动，输入气量一般小于液体量；气液联动式微界面发生器104采用气液同时驱动，输入气量接近于液体量。微界面发生器104选用气动式微界面发生器104、液动式微界面发生器104以及气液联动式微界面发生器104中的一种或几种。
[0078]
为了增加分散、传质效果，也可以多增设额外的微界面发生器104，安装位置其实也是不限的，可以外置也可以内置，内置时还可以采用安装在釜内的侧壁上相对设置，以实现从微界面发生器104的出口出来的微气泡发生对冲。
[0079]
在上述实施例中，泵体的个数并没有具体要求，可根据需要在相应的位置设置。
[0080]
在上述实施例中，发酵温度可以是常温也可以是菌种所需温度，发酵压力为常压，发酵的物质除了为青霉素以外，还可以为柠檬酸、红霉素等等。
[0081]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术
方案的范围。