发酵工程制药

1第三章发酵工程制药第一节概述发酵工程FermentationEngineering2微生物发酵技术1857年法国化学家、微生物家巴斯德提出了著名的发酵理论：“一切发酵过程都是微生物作用的结果。”巴斯德认为，酿酒是发酵，是微生物在起作用；酒变质也是发酵，是另一类微生物在作祟；随着科学技术的发展，可以用加热处理等方法来杀死有害的微生物，防止酒发生质变。同时，也可以把发酵的微生物分离出来，通过人工培养，根据不同的要求去诱发各种类型的发酵，获得所需的发酵产品。3一、发酵的定义1、传统发酵2、生化和生理学意义的发酵3、工业上的发酵41、传统发酵最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。52、生化和生理学意义的发酵指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量的一种方式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出CO2。63、工业上的发酵泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程包括：1.厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。2.通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等。产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。7发酵工程定义发酵工程是渗透有工程学的微生物学。它是一门将微生物学、生物化学和化学工程学的基本原理有机的结合起来，利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术。由于它以培养微生物为主，所以又称微生物工程。是将传统发酵技术与DNA重组、细胞融合、分子修饰和改造等新技术结合并发展起来的现代发酵技术。8发酵工程制药的研究范畴1、抗生素2、维生素3、氨基酸4、核苷或核苷酸5、药用酶和辅酶6、其它药理活性物质9维生素发酵生产的维生素，1982年世界产量为6万吨左右，六种维生累的总销额为6.7亿美元。在1969—1980年间，每年销售量递增10×，1981—1991年间仍以7一8％的速率递增。目前，全球范围内使用最为普遍的是VA、VC和VE，三都每年市场销售额近20亿美元，其中VE超过10亿美元，其余为VB族，每个品种都有0.5-1.5亿美元的市值。在各种用途中，维生素作为动物饲料的市场正以每年2-3％速度增长，在药用和食品领域都以4-5％的速度增长。10发酵工程的生产流程发酵工业的生产过程：①原料预处理②培养基配置③发酵设备和培养基的灭菌④无菌空气的制备⑤菌种的制备和扩大培养⑥发酵（微生物培养）⑦发酵产品的分离和纯化11菌种制备1213工艺特点与要求A.菌种制备品系纯正、生产能力高、遗传稳定无污染、生命力强、保存期短严格消毒灭菌定期分离复壮冷冻干燥管或液氮管保存菌种14菌种筛选摇瓶试验发酵罐试验纯种培养15微生物菌种保藏技术在生产发酵中，具有高产有重要经济价值的某一期待代谢产物主能力的微生物菌种的保存和长期保藏，对于一成功的工业发酵过程极为重要。16一、理想的菌种保藏方法应具备的条件(1)经长期保藏后菌种存活健在；(2)保证高产突变株不改变表型和基因型，特别是不改变初级代谢产物和次级代谢产物生产的高产能力。(3)菌种保藏的基本措施是低温、干燥、真空。17一、微生物菌种保藏在一定时间内使菌种不死、不变、不乱基本要求：基本方法：生活态休眠态培养基传代培养寄主传代培养冷冻干燥斜面、平板液氮、低温冰箱沙土管、冷冻真空干燥18由于微生物的多样性，不同的微生物往往对不同的保藏方法有不同的适应性，因此，在具体选择保藏方法时必须对被保藏菌株的特性、保藏物的使用特点及现有条件等进行综合考虑。对于一些比较重要的微生物菌株，则要尽可能多的采用各种不同的手段进行保藏，以免因某种方法的失败而导致菌种的丧失。19国际重要菌种保藏机构缩写名称ATCC美国标准菌种保藏所，美国马里兰州，罗克维尔市CBS真菌中心收藏所，荷兰，巴尔恩市NCTC国立标准菌种保藏所，英国，伦敦20中国菌种保藏单位缩写名称缩写名称ACCC中国农业微生物菌种保藏管理中心ISF中国农业科学院土壤肥料研究所SH上海市农业科学院食用菌研究所CACC抗菌素菌种保藏管理中心IA中国医学科学院抗菌素研究所SIA四川抗菌素工业研究所CCGMC普通微生物菌种保藏管理中心AS中国科学院微生物研究所AS-IV中国科学院武汉病毒研究所CFCC林业微生物菌种保藏管理中心CAF中国林业科学院菌种保藏管理中心CICC工业微生物菌种保藏管理中心IFFI轻工业部食品发酵工业科学研究所CMCC医学微生物菌种保藏管理中心ID中国医学科学院皮肤病研究所NICPB卫生部药品生物制品监察所IV中国医学科学院病毒研究所CVCC兽医微生物菌种保藏管理中心CIVBP中国兽医药品监察所YM云南省微生物研究所21中国微生物菌种保藏管理委员会组织机构中国微生物菌种保藏管理委员会办事处(CCCCM):中国科学院微生物研究所内,北京(AS),1000801.普通微生物菌种保藏管理中心(CCGMC)中国科学院微生物研究所,北京(AS),100080:真菌、细菌中国科学院武汉病毒研究所,武汉(AS-IV),430071:病毒2.农业微生物菌种保藏管理中心(ACCC)中国农业科学院土壤肥料研究所,北京(ISF),1000813.工业微生物菌种保藏管理中心(CICC)轻工业部食品发酵工业科学研究所,北京(IFFI),1000274.医学微生物菌种保藏管理中心(CMCC)中国医学科学院皮肤病研究所,南京(ID),210042:真菌中国药品生物制品检定所,北京(NICPBP),100050:细菌中国医学科学院病毒研究所,北京(IV),100052:病毒5.抗菌素菌种保藏管理中心(CACC)中国医学科学院抗菌素研究所,北京(IA),100050四川抗菌素工业研究所,成都(SIA),610051:新抗菌素菌种华北制药厂抗菌素研究所,石家庄(IANP),050015:生产用抗菌素菌种6.兽医微生物菌种保藏管理中心(CVCC)农业部兽医药品监察所,北京(CIVBP),1000817.林业微生物菌种保藏管理中心(CFCC)中国林业科学院,北京(CAF),10009122二、工业微生物菌种保藏技术(1)超低温或在液氮中冷冻保藏；(2)冷冻干燥或真空干燥保藏；(3)转接培养或斜面传代保藏；(4)土壤或陶瓷珠等载体于燥保藏23菌种保藏方法暂时保藏法斜面传代法穿刺法长期保藏法液体石蜡法甘油管法砂管保藏法砂土管保藏法滤纸片保藏法冷冻干燥保藏法液氮冷冻法242.1冷冻保藏冷冻保藏为保藏微生物菌种的最简单而有效的方法。通过冷冻，使微生物代谢活动停止。一般而言，冷冻温度愈低，效果愈好。为了获得满意的冷冻结果，通常应在培养物中加入一定的冷冻保护剂。冷冻保藏时温度要求在-20℃以下，同时应认真掌握好冷冻速度和解冻速变。冷冻深藏的缺点之一是培养物运输较困难。25冷冻保藏种类一、普通冷冻保藏技术(-20℃)二、超低温冷冻保藏技术(-60-80℃)三、液氮冷冻保藏技术26普通冷冻保藏技术(-20℃)将液体培养物或从琼脂斜面培养物收获的细胞分接到试管，然后贮藏于一冰箱的冷藏室中，或于温度范围在-5～-20℃的普通冰箱(-20℃)中。或者，将菌种培养在小的试管或培养瓶斜面上，待生长适度后，将试管或瓶口用橡胶塞严格封好，同上置于冰箱中保存。用此方法可以维持若干微生物的活力1—2年27应注意的是经过一次解冻的菌株培养物不宜再用来保藏。保藏过程中应注意控制保藏温度，培养瓶或试管应严格密封。这一方法虽简便易行，但不适宜多数微生物的长期保藏。28二、超低温冷冻保藏技术(-60--80℃)要求长期保藏的微生物菌种，一般都要求在-60℃以下进行保藏。在超低温冷藏柜中保藏菌种的一般方法是：1．离心收获对数生长中期至后期的微生物细胞；2．用新鲜培养基重新悬浮所收获的细胞；3．加入等体积的20％甘油或10％二甲亚砜；4．混匀后分装入冷冻指管或安瓿中，于-70℃超低温冰箱中保藏。29如果待保藏菌种生长在斜面上，则可用含10％甘油的新配制液体培养基洗涤收获。超低温冰箱的冷冻速度一般控制在1-2℃／min。若干细菌和真菌菌种可通过此保藏方法保藏5年而活力不受影响。30三、液氮冷冻保藏技术(一)冷冻保护剂在液氮冷冻保藏中，最常用的冷冻保护剂是二甲亚砜和甘油，最终使用浓度一般为甘油10％、二甲亚砜5％。所使用的甘油—般用高压蒸汽灭菌，而二甲亚砜最好为过滤灭菌。31(二)液氮冷冻保藏微生物菌种的步骤1．待冷冻保藏菌种悬液的制备(1)从生长斜面制备菌悬液：每一斜面加入5ml含10％甘油的营养液体培养；用巴氏吸管吹吸斜面制成孢子及菌体细胞悬液；0.5～lml分装玻璃安瓿或液氮冷藏专用塑料瓶。32(2)从浸没培养物制备菌悬液：在浸没培养液中加入等体积20%无菌甘油；轻轻振荡混匀培养液，如果菌体絮凝较紧，则需先用玻璃珠打散；0.5-lml分装玻璃安瓿或液氮冷藏专用塑料瓶，玻璃安瓿用酒精喷灯封口；将所有封好的安瓿置于5℃冰箱中3min，以使细胞和悬浮培养基之间达到平衡。332．控速冷冻．(1)将安瓿或液氮瓶置于铝盒或布袋中，然后置于一较大的金属容器中；(2)将此金属容器置于控速冷冻机的冷冻室中；(3)以1-2℃/min的致冷速度降温，直到温度达到相对温度之上几度的细胞冻结点(通常为-30℃)；(4)补加一定量的液氮至系统中，使细胞在冻结点时尽可能快地发生相变；34(5)细胞冻结后，将致冷速度降为1℃/min，直到温度达-50℃；(6)将安瓿迅速移入液氮罐中于液相(-196℃)或气相(-156℃)中保存。如果无控速冷冻机，则一般可将安瓿或液氮瓶置于一70℃冰箱中冷冻4h，然后迅速移入液氮罐中保存。35(三)复苏1．从液氮罐中取出所需的安瓿，立即置于冰浴中；2．迅速将安瓿置于37-40℃水浴中，并轻轻摇动以加速解；3．用巴氏吸管将安瓿中贮存培养物移接入含有2m1无菌液体培养基的试管中，用同一支吸管反复抽吸数次，然后取0.1-0.2ml(约4、8滴)转接入琼脂斜面上。362.2冻干保藏冷冻干燥的基本方法：是通过在减压条件下使冻结的细胞悬液中的水分升华，使培养物干燥。此法是微生物菌种长期保藏的最为有效的方法之一。冷冻干燥过程中必须使用冷冻保护剂，目前国内常用脱脂乳和蔗糖，国外尚有运用动物血清等的。大部分微生物菌种可以在冻干状态下保藏10年之久而不丧失活力。而且经冻干后的菌株无需进行冷冻保藏，便于运输。37培养物的冻干过程38冷冻真空干燥操作流程安培瓶配制保护剂灭菌菌种培养制备菌悬液分装安培瓶洗净烘干装标签加棉塞预冻真空干燥测定水分熔封管口检查真空度包藏39(三)冻干菌种的保藏与再生1．保藏：冷冻干燥后的培养物在低于5℃下保藏。较低的保藏温度(-20～-70℃)对于培养物的长期稳定更好。2．复苏：(1)在超净工作台中用70％酒精棉球擦洗安瓿，然后用砂轮在安瓿中锉一道沟。(2)用无菌纱布或无菌毛巾包好安瓿，然后用手掰开安瓿。40(3)在安瓿中加入0.5～1ml营养液体培养基，慢慢旋转安瓿，使冻干菌种复水。然后将此转接到一含有再生培养基的无菌试管中，或直接接种琼脂斜面或涂布平板。(4)在指管中冻干的菌种通常为絮粉状，可以将此直接振落入盛有l～2ml液体培养基的试管中，轻轻振荡5～l0min，然后用此悬液接种适宜的再生培养基。412.3传代保藏将菌种定期在新鲜琼脂培养基上传代，然后在一定的生长温度下生长和保存的传代保藏方法。可用于实验室中若干菌种的保藏。此法最为简单和经济，且不要求任何特殊的设备。但此方法易发生培养基干枯、菌体自溶、基因突变。422.3传代培养法实验原理：保藏的菌种通过斜面、穿刺或疱肉培养基（用于厌氧细菌）培养好后，置4C˚冰箱中存放，定期进行传代培养、再存放。可用胶塞代替棉塞或在斜面上覆盖一层无菌液体石蜡来进一步延长保存期。操作方法1、斜面保藏法将菌种转接在适宜固体斜面培养基上，待其充分生长后，用牛皮纸将棉塞部分包扎好（棉塞换成胶塞效果更好），置4C˚冰箱中包藏。保藏时间依微生物的种类而定。霉菌、放线菌及芽孢菌保存2－