青霉素发酵法的进步

除了优化发酵工艺外，还需要提高菌株的产率。在这一点上，美国也全力发动国家力量和全球运输能力，在全世界范围内带回土壤样本，并从中国重庆、英国开普敦等地的样本中也筛选到了较好的菌株。战争结束时，北方实验室已经收集了8万种真菌、2万种细菌。

施贵宝医药研究所呈交了一个株系（NRRL-1249），其产量较弗莱明的原始株更高，最先被确定为工业化生产株。但是该菌株适用于表面培养法，无法通过深层发酵法进行培养。北方实验室发现了一株NRRL-832，可以进行深层发酵。接着，北方实验室在当地进行了更大范围的样本收集。1943年7月，当地一名家庭主妇提交了一个样本，从中筛选得到NRRL-1951株，效价80～100单位每毫升。后来世界上大部分制药企业的青霉菌就来源于这个菌株。媒体还据此写出了一个“玛丽霉菌”（Moldy Mary）的故事。

威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin–Madison）、冷泉港实验室、卡内基实验室等，先后对NRRL-1951株进行X射线、紫外线照射，促使其基因突变，得到了更优的NRRL-1951-B25菌株，效价约500单位每毫升。“二战”结束时，威斯康星大学又得到了Q-176菌株，效价为800～1000单位每毫升。

默克公司除了聘请希特利指导外，还请教了一位科研牛人——罗格斯大学（Rutgers University）的教授塞尔曼·威克斯曼（Selman Waksman，1888—1973）。双方在1939年就签订了全面的合作协议，由默克公司资助威克斯曼，系统地研究土壤微生物，从中分离出抗细菌的物质，并转化为新药。双方彼时合作密切。于是当默克公司提出请求，威克斯曼便派出了学生哈罗德·博伊德·伍德拉夫（Harold Boyd Woodruf，1917—2017），他刚在威克斯曼实验室发现放线菌素D（actinomycin D）。

伍德拉夫与希特利合作改进工艺。半年后，伍德拉夫毕业（1942），就留在默克公司工作。他的师兄杰克逊·W. 福斯特（Jackson W. Foster，？—1966，1939年从威克斯曼实验室毕业后加入斯坦福大学）也在这一时期加入了默克公司，担任发酵工艺部门负责人。1943年，他们合作为默克公司申报了两项发酵技术专利。后来威克斯曼的学生艾伯特·沙兹（Albert Schatz，1920—2005）发现链霉素，也按照协议转让给了默克公司（在威克斯曼的请求下，协议有改动）。而链霉素的生产工艺也是发酵法，就由伍德拉夫负责。福斯特此时去了得克萨斯大学任教，并把青霉素技术传到了日本。

1943年，默克公司新建成的青霉素车间共生产了42亿个单位的青霉素，但仍然远远不够。在青霉素生产中，产量最大、表现最优秀的当数辉瑞公司。

辉瑞公司负责这一项目的是已经担任研究主管的凯恩（Kane）。最初，他带领研究人员，使用浅烧瓶和平底锅来进行浅表培养试验，当然效果极差，因为发生严重的污染问题，最终只得到了24毫克（40 000单位）的青霉素。

但是，此时的凯恩对于青霉菌及发酵工艺完全了然于胸了。当时，全国药企都在采用表面培养法，但产量不容乐观。到1943年6月，只有200人接受了青霉素的治疗。

这时，北方实验室开发了向搅拌发酵罐中输入无菌空气，以及控制发酵液pH值的技术，使深层发酵法得以完善。

凯恩当即大胆建议，立刻改为深层发酵法。深层发酵还需要为发酵罐设计新的冷却系统，并开发新的混合技术来有效地搅拌。于是辉瑞公司拿出300万美元，于1943年9月收购了一个制冰厂，将其改造为深罐发酵车间。制冰厂中原有的制冷设备可以根据需要改造后应用。

辉瑞公司与巴杰工业设计公司合作，在该公司工程师玛格丽特·哈钦森·鲁索（Margaret Hutchinson Rousseau，1910—2000，美国第一个化学工程女博士，之前优化了橡胶合成工艺）的主持下，在工厂里设置了14个7500加仑 的发酵罐。这个新式工厂采用了玉米浆发酵液和新发现的产量最高的菌种。

因为青霉素需要空气来生长，在深罐中给发酵混合物充气是一个问题。以玉米浆为培养基时，无菌空气注入混合液，会产生严重泡沫。施贵宝公司通过引入单蓖麻油酸甘油酯作为消泡剂解决了这个问题。

一旦发酵完成，回收也很困难。由于青霉素的不稳定性和热敏性，在纯化过程中会损失多达三分之二的青霉素。当时的青霉素成品为黄色无定形粉末，还需要冷藏储存，提取也是在低温下进行的。礼来公司的工程师们采取真空冷冻干燥的方法，最终将青霉素纯化成稳定、无菌和可用的形式。

结合了以上这么多的技术，辉瑞公司的新工厂在4个月内快速建成，并于1944年3月开始投入使用。辉瑞公司独家的深罐发酵法（deep-tank fermentation）取得了成功，产量比预期高出5倍。4个月后，辉瑞公司的产量就占到了全国的一半。

1943年7月，施贵宝公司的奥斯卡·保罗·温特施泰纳（Oskar Paul Wintersteiner，1898—1971，之前任哥伦比亚大学教授）等首次得到青霉素G钾盐结晶，并发现青霉素中含有硫原子，这不但提高了产量，而且为后来的青霉素合成提供了基础。离心机、逆流萃取器也相继应用在青霉素生产工艺上，使青霉素发酵液回收效率提高至98%。

而辉瑞公司的新方法奏效，各药厂很快跟进。辉瑞公司继续扩大其深罐发酵技术，采用2.5万加仑的巨大发酵罐进行生产。青霉素产量有了极为惊人的提高。为盟军在诺曼底登陆而准备的青霉素中，90%是由辉瑞公司生产的。因此辉瑞公司也荣获了一个“E”字徽章，表示优异（excellence）。

1944年，美国生产了16 600亿单位青霉素，而辉瑞公司生产了其中的1250亿单位，排在世界第一位。当时英国的总产量只有美国的四十分之一。到1945年，美国的青霉素产量更是扩大4倍，达到了6.8万亿单位。很快，每10万单位青霉素的价格从20美元降至20美分，并放开管制提供给民用。20世纪50年代，辉瑞公司又成功开发了四环素等抗生素，巩固了自己的制药巨头地位。

辉瑞公司的生产工艺很快被推广。美国默克公司也采用深罐发酵法，产量很快达到了6400多亿个单位。1933年时仅有35人的美国默克医疗研究院（Merck Institute for Therapeutic Research）也发展为战后拥有500多名研究人员的大型研究机构，为战后现代化制药的迅速发展奠定了基础。H. K.马尔福德（H. K. Mulford）公司在“一战”中为美军提供战马的免疫疫苗，并于1925年仿制出白喉抗毒素。1929年，该公司并入位于费城的“沙东公司”（Sharpe and Dohme,Inc.），其成立于1845年。1953年，美国默克公司收购了它，成为默沙东公司（MSD），提高了美国默克公司在美国和加拿大的市场地位，也使得默克公司在战后进入疫苗行业。

到1945年，战争的另一方，跟踪研究青霉素的德国采用浅表发酵法，每月仅生产30克青霉素，只够治疗50名左右病人。 PB9ULwqdJgj0RX6FIeoYg6QDWUjbBv9sYypqPJO6NSG03UPHTrj3VMtdQzDiAhUe