生物化学 第八章 抗生素的发酵生产

生物化工基础BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY第八章抗生素的发酵生产化工学院制药工程系沈齐英BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY第八章抗生素的发酵生产第一节概述一、抗生素生产的发展过程1928年发现抗生素——青霉素（丝状真菌）1940年成功地研究出从点青霉培养液中提取青霉素的方法1941年抗生素人体实验取得成功1943年青霉素首次在美国工业生产1944年青霉素临床应用1944年发现链霉素（放线菌1952年获诺贝尔奖）1947年人们找到了第一个广谱抗生素——氯霉素1956年发现头孢菌素六十年代开始，半合成抗生素开始迅速发展BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY第八章抗生素的发酵生产六十多年来，全世界近180个国家中，约有40个国家开展抗生素筛选的科研工作。到目前为止，人们从自然界发现和分离的抗生素已有九千余种，并以其中一些主要抗生素(如青霉素、头孢菌素、四环类抗生素、氨基糖苷类抗生素等)为原料，进行化学结构改造，先后制备了近十万种半合成抗生素。目前世界各国实际生产和应用的抗生素约有百余种，连同各种半合成衍生物及盐类共四百种左右。BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY第八章抗生素的发酵生产我国抗生素的研究及生产均取得了很大成就，抗生素的总产量已居世界前列。五十年代是抗生素大发展时代，六十年代形成了抗生素工业和科研体系，七十年代抗生素科研及生产虽然继续发展，但由于“十年文革”，使基础理论科研工作基本处于停顿状态，八十年代是抗生素事业改革开放的时期，九十年代是抗生素事业调整、充实、提高、再发展的新阶段。就目前情况来说，我国抗生素在品种、质量、技术水平及生产设备等方面与国际先进水平比较，尚有一定的差距。BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY第八章抗生素的发酵生产二、抗生素1、概念：微生物在生命活动过程中产生的，在低浓度下就能抑制它种微生物的生长和活动，甚至杀死它种微生物的化学物质。2、抗生素的抗菌性能选择性作用——抗菌谱抗菌性能选择性毒力——毒副作用引起细菌耐药BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY第八章抗生素的发酵生产3、抗生素的抗菌作用机理干扰细胞壁的合成抑制蛋白质合成抗菌机理改变细胞膜的通透性抑制核酸合成作用于能量代谢系统BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY第八章抗生素的发酵生产4、新抗生素的寻找抗肿瘤目标、方向抗耐药金黄色葡萄球菌抗绿脓杆菌抗病毒第八章抗生素的发酵生产5、抗生素的剂量表示法生理活性物质抗生素的常用特定的定量单位——效价单位来表示，指每毫升或每毫克制剂中所含某种抗生素的有效成分的多少称之为抗生素的效价单位。效价单位是衡量抗生素有效成分的尺度，也是衡量其抗菌性能的标志。稀释单位：抗生素配成溶液，逐步进行稀释，以抑制一标准菌株生长发育的最高稀释度(即表示方法最小剂量)作为1个效价单位(U/mLU/mg)质量单位:抗生素有效成分(即生理活性部分)的质量作为效价单位，即1微克作为一个效价单位(1mg＝1000μg=1000U)。BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY第八章抗生素的发酵生产6、抗生素的分类β-内酰胺类——青霉素、头孢菌素大环内酯类——红霉素氨基糖苷类——链霉素四环类——土霉素分类多肽类——杆菌肽多烯类——制霉菌素苯烃基胺类——氯霉素蒽环类——阿霉素环桥类——利福霉素第八章抗生素的发酵生产青霉素BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY第八章抗生素的发酵生产BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY第八章抗生素的发酵生产7、抗生素的生产发酵法（生物合成）生产方法化学合成半化学合成菌体的生长与产物的形成不平行——次级代谢产物理论产量难以用物料平衡来计算生产稳定性差生产特点染菌问题突出抗生素稳定性和质量问题突出动力消耗大原料转化率低BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY第八章抗生素的发酵生产第二节青霉素的生产一、菌种：丝状产黄青霉BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY第八章抗生素的发酵生产产黄青霉菌生产过程可分为三个不同的代谢时期菌丝生长繁殖期:培养基中碳源和氮源被迅速利用，菌丝浓度增加很快，26-27℃代谢时期青霉素分泌期:菌丝生长趋势减弱,间隙添加碳源、氮源和前体,25℃青霉素分泌旺盛菌体自溶期:菌体衰老自溶,青霉素分泌停滞,pH上升。BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY第八章抗生素的发酵生产碳源：最适乳糖，主要使用淀粉水解糖氮源：最适玉米浆，主要使用花生饼粉、尿素等二、培养基前体：苯乙酰胺和苯乙酸无机盐：S、P、Ca、Mg、K、Fe培养基中各组分质量的稳定性是获得连续、高产的关键定品种、定产地、定加工方法、定贮存条件、定统一质量标准BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY第八章抗生素的发酵生产三、发酵工艺及过程BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY第八章抗生素的发酵生产目前青霉素发酵工艺控制（分批补料）主要有以下几个方面：①碳源控制（加糖）：依据残糖量、发酵过程的pH及菌丝形态。一般在28-30h，残糖在0.5％-0.8％,pH6.5以上,菌丝内产生空泡,按照0.05%-0.06%/h,1次/2h②氮源及添加前体：依据pH、菌丝形态及发酵单位。一般在30h后，45-50h是合成青霉素合成能力最旺盛的时期，pH6.2-6.4，1次/3h，其数量根据菌丝形态、pH和发酵单位的增长速度而定。③pH控制：主要通过添加碳源和氮源控制。④温度控制：青霉菌生长最适温度高于其分泌青霉素的最适温度，种子罐27℃，发酵罐27℃-26℃，分期变温培养。BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY第八章抗生素的发酵生产⑤通气与搅拌：青霉素深层发酵培养需通入一定量的空气，并不断搅拌以保证溶解氧的浓度，通气比为1：0.9v／v⑥泡沫与消泡:消泡剂、植物油、聚醚树脂类消泡剂染菌及异常情况处理。若发酵罐前期柒菌或种子带菌，一般可采用重新消毒;中后期发生染菌若是产气细菌则应及时放罐过滤、提取，事后彻底消毒处理。若遇发酵前期菌丝生长不良、发酵异常时可采取倒出部分发酵液，补入部分新鲜料液和良好的种子；遇发酵单位停滞不长可酌情提前放罐。BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY第八章抗生素的发酵生产四、青霉素的提取工艺及过程溶媒萃取青霉素的提取方法活性炭吸附（很少用）沉淀法或离子交换法（未应用）溶媒萃取法：利用抗生素在不问条件下以不同的化学状态(游离酸、碱或成盐状态)存在，以及它们在水及与水不互溶的溶媒中溶解度不同的特性，使抗生亲从一种液体转移到另一种液体之中，以达到浓缩和提纯的目的，这种提取方法称为溶媒萃取法。用一种溶媒将抗生素自另一种溶媒(如发酵液)中提取出来。BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY第八章抗生素的发酵生产溶媒应具备：不能混溶或部分混溶，以能形成两相而便于分离对抗生素应有较大的溶解性和选择性。发酵液预处理及过滤萃取脱水脱色反萃取结晶过滤洗涤干燥精制质量检验包装发酵液醋酸丁酯缓冲液pH影响青霉素提取的主要因素温度时间BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY第八章抗生素的发酵生产工业青霉素G钾盐提取工艺及过程第八章抗生素的发酵生产注射用青霉素G钾盐提取工艺及过程BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY第八章抗生素的发酵生产注射用普鲁卡因青霉素G提取工艺及过程BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY第八章抗生素的发酵生产五、抗生素精制除热源：在发酵过程中菌种所产生的代谢产物（毒素），是一种不挥发性的大分子有机物质。它能溶于水，120℃加热2h能破坏90％，250℃加热30min可以彻底破坏；能通过一般过滤器；注射后人体恶寒高热，严重的甚至引起休克。活性炭吸附除菌：过滤除菌BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY第八章抗生素的发酵生产六、抗生素成品质量检验外观形状酸碱性水分比旋光度杂质吸收度质量检验项目安全试验热源试验无菌试验效价测定BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY第八章抗生素的发酵生产本章要点：掌握抗生素的抗菌性能；掌握抗生素的剂量表示法；掌握抗生素的工业生产特点掌握青霉素发酵工艺过程控制；明确青霉素的提取方法作业：什么是抗生素、效价单位、热源？青霉素发酵工艺过程控制要点？