抗生素发酵生产工艺

抗生素发酵生产工艺09级生工一第（三）组抗生素概述链霉素的发酵生产工艺（略）青霉素的发酵生产工艺123抗生素的分类2抗生素的化学结构3抗生素生产的技术需求4抗生素的定义与命名1早期定义现代定义抗生素是一种微生物产生的，能抑制或干扰其他微生物生长，甚至杀死它种微生物的一种化学物质。抗生素是微生物、植物和动物产生的（或化学合成获得的），能够在低微浓度下有选择地抑制或杀灭它种生物的有机物质。根据化学结构和性质。如，具有四环素结构的一类化学物质为四环素类抗生素。根据来源生物的属名。如，来源于青霉菌的抗生素为青霉素；以一些习惯性俗名、发现的地名等命名。如，正定霉素、井冈霉素、金霉素和土霉素等；命名原则抗生素的分类2抗生素的化学结构3抗生素生产的技术需求4抗生素的定义与命名1生物来源作用机理作用对象类别放线菌：链霉菌抗生素举例真菌：青霉菌细菌：多黏杆菌链霉菌青霉菌多粘菌素抑制细胞壁合成影响细胞膜的功能抑制蛋白质的合成青霉素多烯类抗生素四环素广谱抗菌抗革兰阳性菌抗真菌氨苄青霉素青霉素放线菌酮生物合成途径应用领域生产工艺类别氨基酸或肽类衍生物抗生素举例糖苷类衍生物乙酸或丙酸衍生物青霉素，环丝氨酸链霉素，红霉素四环素，灰黄霉素人用抗生素农用抗生素食品保藏、物品防腐和霉变头孢霉素，羧苄青霉素井冈霉素，春雷霉素金霉素，放线菌酮微生物发酵（生物合成）化学全合成半合成青霉素，链霉素氯霉素，磷霉素氨苄青霉素，头孢菌素抗生素的分类2抗生素的化学结构3抗生素生产的技术需求4抗生素的定义与命名1分为9类，化学结构决定了理化性质、作用机制及其疗效抗生素的分类2抗生素的化学结构3抗生素生产的技术需求4抗生素的定义与命名1即生物合成途径，目前大多数抗生素品种采用发酵生产工艺，其特点是成本较低，周期较长结构相对简单的抗生素可采用此途径如氯霉素和磷霉素利用化学方法修饰改良生物合成的抗生素，扩大抗菌谱提高疗效和降低毒副作用等，获得新抗生素，如半合成青霉素、半合成头孢菌素等工业化生产途径微生物发酵化学全合成化学半合成微生物合成抗生素上游：菌种保存、选育、孢子及种子制备发酵——适宜的培养基、碳源、氮源、无机盐（微量元素）、前体、消沫剂；流加碳源和氮源、流加氨水调节PH、好氧培养:通入无菌氧气下游：提取预处理过滤进一步提取（萃取、离子交换、沉淀法、吸附法等）结晶干燥纯品抗生素概述链霉素的发酵生产工艺（略）青霉素的发酵生产工艺1231青霉素的研究2青霉素生产菌的特性3青霉素发酵工艺过程4青霉菌分离纯化工艺过程主要作用于细胞壁的肽多糖合成的第三阶段。线性肽多糖在转肽酶的催化下进行交联，肽多糖链之间每两条肽链结合时均释放出一个D-丙氨酸。青霉素与肽多糖的D-丙胺酰-D-丙氨酸二肽相似，竞争性与转肽酶结合，是转肽酶不能催化多肽链之间的交联，从而起到抑菌的作用。因此，青霉素对生长中的细胞有效，对静止细胞无效。是发现最早、最卓越的一种β-内酰胺类抗生素，其内酰胺环是重要的抗菌活性结构。青霉素是抗生素工业的首要产品，中国为青霉素生产大国，青霉素的产量已占世界产量的近70%。作用机理青霉素（1）临床抗感染治疗：大多数革兰氏阳性菌和某些革兰氏阴性细菌及螺旋体等。毒性小，但需要皮试。（2）各种半合成抗生素的原料：氨苄青霉素，磺苄青霉素，乙氧萘青霉素头孢菌素母核。青霉素可看成是6-氨基青霉烷酸（6-aminopenicillanic6APA）苯乙酰衍生物。侧链基团不同，形成不同的青霉素。其中主要是青霉素G。分子结构及其衍生物侧链取代基R化学名称通用名称HO-C6H4-CH2-对羟基苄青霉素青霉素XC6H5-CH2-苄基青霉素青霉素GCH3-CH2-CH=CH-CH-2-戊烯基青霉素青霉素FCH3-(CH2)3-CH2-戊青霉素青霉素FCH3-(CH2)5-CH2-庚青霉素青霉素KCH2=CH-CH2-S-CH2-丙烯巯甲基青霉素青霉素OC6H5O-CH2-苯氧甲基青霉素青霉素V青霉素是有机酸，易溶于醇、酸、醚、酯类。青霉素在水中溶解度很小，而且很快失去活性。青霉素G的pK值为2.76，能与无机或有机碱成盐。青霉素盐极易溶于水，几乎不溶于乙醚、氯仿、乙酸戊酯等，易溶于低级醇，略溶于乙醇、丁醇、乙酸乙酯等，而水的存在会加速溶解。青霉素盐的稳定性与含水量和纯度相关，干燥纯品很稳定，对热也很稳定，可进行干热灭菌。但在水中很不稳定，随温度和PH影响很大，低温下稳定，而高温下易失活。一般在PH5~7时较稳定，PH在6~6.5最稳定。青霉素遇酸、碱和金属离子都很不稳定，发生开环、重排和降解等反应，内酯胺环破坏后，青霉素失去活性。青霉素G类盐的理化性质交表（书P172）1青霉素的研究2青霉素生产菌的特性3青霉素发酵工艺过程4青霉菌分离纯化工艺过程青霉素生产菌的特性生物学特性：产黄青霉按孢子形态分为：绿色孢子和黄色孢子深层培养菌丝形态：球状和丝状两种生产上采用绿色丝状菌株菌落：平坦或皱褶，圆形青霉穗:分生孢子，排列呈链状，似毛笔发酵条件下的生长过程第1期：分生孢子萌发，具有小泡。第2期：菌丝繁殖，嗜碱性，类脂肪小颗粒。第3期：脂肪包涵体，储藏物，嗜碱性很强。第4期：空泡，嗜碱性减弱，开始产生抗生素。第5期：大空泡，中性染色大颗粒，脂肪体消失，青霉素产量最高。第6期：个别细胞自溶，胞内无颗粒，释放氨，pH上升。第7期：菌丝完全自溶，仅有空细胞壁。在规定时间取样，显微镜观察7个时期的形态变化，控制发酵。1－4期为菌丝生长期，3期的菌体为适宜种子。4－5期为生产期，生产能力最强，通过工艺措施，延长此期，获得高产。第6期到来之前结束发酵。发酵条件下的生长过程1青霉素的研究2青霉素生产菌的特性3青霉素发酵工艺过程4青霉菌分离纯化工艺过程琼脂斜面米孢子种子罐发酵罐过滤萃取脱色结晶干燥冷冻干燥孢子工业盐成品青霉素生产工艺流程发酵工艺过程1、生产孢子制备斜面孢子：将砂土保藏的孢子用甘油、葡萄糖、蛋白胨组成的斜面固体培养基活化再传斜面进行培养米孢子：接入到优质小米或大米固体培养基上，生长7天（25℃，相对湿度50%）注意：每批孢子必需进行严格摇瓶试验，测定效价及杂菌情况。2、种子罐培养工艺一级种子发酵：发芽罐，孢子萌发，形成菌丝。培养基：葡萄糖，玉米浆，碳酸钙，玉米油，消沫剂等。pH自然，空气流量1：3（体积比）；300-350r/min；温度（27±1）℃,40-50h,菌丝浓度达40%以上。二级种子罐：繁殖罐，大量繁殖。培养基：葡萄糖、玉米浆等。pH自然，空气流量：1:（1-1.5）；250-280r/min；（25±1）℃。14h，菌丝浓度40%以上，残糖1.0%左右，无杂菌，为合格种子。3、生产罐培养工艺三级罐：生产罐；接种量12%-15％培养基：花生饼粉（高温），麸质粉，玉米浆，葡萄糖，尿素，硝酸铵，硫酸钠，硫代硫酸钠，磷酸二氢钠，苯乙酰胺及消沫剂，CaCO3等参数条件：通气量：0.7-1.8；150-200r/min；前60小时:pH5.7-6.3，26℃；60小时后:pH6.3-6.6,24℃。•操作方式：反复分批式发酵•发酵罐：100M3，装料80M3.•带放:6-10次，间隔24h，带放量10％。•发酵时间：204h•前40小时：培养基中的主要营养物•40小时后：低速连续流加葡萄糖、氮源等，使菌半饥饿，延长合成期，提高产量。发酵过程控制碳源的选择碳源占成本12％以上，采用糖化液流加,降低成本。糖与6APA(6-氨基青霉烷)结合形成糖基-6APA，影响青霉素产量。根据残糖、pH、尾气中CO2和O2含量控制糖的流加。葡萄糖的流加，波动范围较窄，浓度过低使抗生素合成速度减慢或停止，过高则导致呼吸活性下降，甚至引起自溶。残糖在0.6％左右，pH开始升高时流加糖。（一）培养基氮源的选择玉米浆:最好，含有多种氨基酸及其前体苯乙酸和衍生物。补加无机氮源：硫酸铵、氨水、尿素补氮。无机盐无机盐：硫、磷、镁、钾等。铁有毒，控制在30ug/ml以下。添加前体时期：合成阶段种类：苯乙酸及其衍生物，苯乙酰胺、苯乙胺、苯乙酰甘氨酸等毒性：抑制细胞生长和青霉素合成。策略：低浓度流加控制：保持供应速率略大于生物合成需要。青霉菌生长适宜温度30℃，合成适宜温度25℃20℃，青霉素破坏少，但周期很长变温控制，不同阶段不同温度生长阶段：较高温度，缩短生长时间生产阶段：适当降低温度，以利于青霉素合成前期控制在25-26℃左右，后期降温控制24℃（二）温度•合成适宜pH6.4－6.6左右，避免超过7.0•在碱性条件下不稳定，易水解•pH下降：流加CaCO3、通氨水调节或提高通气量•pH上升：流加糖或天然油脂（三）PH＜30％饱和氧浓度，产率急剧下降＜10％饱和氧浓度，造成不可逆的损害临界溶氧浓度：30％通气比：1：0.8VVM适宜的搅拌速度，保证气液混合，提高溶氧根据各阶段的生长和耗氧量不同，调整搅拌转速:（四）溶解氧临界菌体浓度：溶解氧速率和氧消耗速率达到平衡时的菌体浓度。此浓度，则供氧不足，溶解氧下降，发酵产率下降。发酵稳定期，湿菌浓15%-20%,菌干重3%-5%左右（五）菌体浓度天然油脂：玉米油化学消沫剂：泡敌策略：少量多次注意：前期不宜多加入，影响呼吸代谢。（六）消沫1青霉素的研究2青霉素生产菌的特性3青霉素发酵工艺过程4青霉菌分离纯化工艺过程分离纯化工艺过程青霉素不稳定，遇酸、碱、热分解失活水溶液中不稳定，非极性溶剂中稳定易溶于有机溶剂，水中溶解度很小青霉素盐很稳定；降解产物具有致敏性在发酵液预处理、提取和精制过程条件温和、快速，防止降解。青霉素分离纯化工艺过程预处理过滤萃取脱色结晶青霉素的存在部位：发酵液浓度较低：仅含百分之几含有大量杂质：菌体细胞、核酸、杂蛋白质、细胞壁多糖等、残留的培养基、色素、金属离子、代谢产物等目的：浓缩青霉素，去除大部分杂质，改变发酵液的流变学特征，便于后续的分离纯化过程预处理:发酵液加少量絮凝剂沉淀蛋白（1）预处理（2）过滤鼓式真空过滤机过滤一次滤液：pH6.2-7.2蛋白质含量0.05%-0.2%板框式过滤机过滤10%硫酸调节pH4.5-5.0，加入0.07%溴代十五烷吡啶（PPB），0.07%硅藻土为助虑剂二次滤液：澄清透明，用于提取（收率90％）原理：青霉素游离酸易溶于有机溶剂，而青霉素盐易溶于水萃取剂：青霉素分配系数高的有机溶剂工业上通常用：醋酸丁酯和醋酸戊酯除去蛋白质：加0.05-0.1%乳化剂PPB萃取：2－3次整个过程在低温下进行（10度以下），萃取罐用冷冻盐水冷却（3）萃取（4）脱色萃取液中添加活性炭，除去色素、热原；过滤，除去活性炭。直接结晶加醋酸钠－乙醇溶液反应：得到结晶钠盐加醋酸钾－乙醇溶液：得到青霉素钾盐共沸蒸馏结晶钾盐溶于0.5MKOH,调pH至中性加2.5倍体积丁醇，16-26℃，真空（0.67-1.3KPa）下蒸馏水和丁醇形成共沸物而蒸出。钾盐结晶析出结晶经过洗涤、干燥，磨粉，装桶，得到青霉钾盐素产品（5）结晶@WPS官方微博@kingsoftwps