微生物工程的論文(抗生素).doc

抗生素的生產(chǎn)工藝和應(yīng)用進(jìn)展 摘要：抗生素是由生物（包括某些微生物植物和動(dòng)物）產(chǎn)生的次級(jí)代謝產(chǎn)物，如青霉素頭孢霉素鏈霉素四環(huán)素紅霉素等一類(lèi)化學(xué)物質(zhì)的總稱(chēng)。大多數(shù)抗生素是絲狀真菌和細(xì)菌（特別是放線菌）產(chǎn)生的?，F(xiàn)在已經(jīng)從不同的生物體中分離出4000余種抗生素。工業(yè)生產(chǎn)主要采用微生物發(fā)酵法，屬于次級(jí)代謝產(chǎn)物，少數(shù)如氯霉素、磷霉素亦可用化學(xué)合成法生產(chǎn) 。關(guān)鍵詞：抗生素 青霉素 生產(chǎn)工藝 應(yīng)用進(jìn)展用途簡(jiǎn)介抗生素以前被稱(chēng)為抗菌素，事實(shí)上它不僅能殺滅細(xì)菌而且對(duì)霉菌、支原體、衣原體等其它致病微生物也 有良好的抑制和殺滅作用，近年來(lái)通常將抗菌素改稱(chēng)為抗生素?？股乜梢允悄承┪⑸锷L(zhǎng)繁殖過(guò)程中產(chǎn)生的一種物質(zhì)，用于治病的抗生素除由此直接提取外；還 有完全用人工合成或部分人工合成的。通俗地講，抗生素就是用于治療各種細(xì)菌感染或抑制致病微生物感染的藥物。 但是過(guò)量使用會(huì)抑制體內(nèi)的有益菌，使腸道菌群失衡。導(dǎo)致疾病的引起。重復(fù)使用一種抗生素可能會(huì)使致病菌產(chǎn)生抗藥性。之所以現(xiàn)在提出杜絕濫用抗生素此乃是原因之一?？茖W(xué)地使用抗生素是有的放矢。通常建議做細(xì)菌培養(yǎng)并作藥敏試驗(yàn)，根據(jù)藥敏試驗(yàn)的結(jié)果選用極度敏感藥物，這樣就避免了盲目性，而且也能收到良好的治療效果。簡(jiǎn)單分類(lèi)隨著新的抗生素的不斷出現(xiàn)，為了便于研究，有必要對(duì)抗生素進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸?lèi)?？梢詮母鞣N不同的角度對(duì)抗生素進(jìn)行分類(lèi)，如生物來(lái)源作用化學(xué)結(jié)構(gòu)作用機(jī)制生物合成途徑等方面。如下表：分類(lèi)辦法抗生素種類(lèi)產(chǎn)物舉例根據(jù)抗生素的生物來(lái)源分類(lèi)1. 放線菌產(chǎn)生的抗生素2. 真菌產(chǎn)生的抗生素3. 細(xì)菌產(chǎn)生的抗生素4. 植物或動(dòng)物產(chǎn)生的抗生素鏈霉素 四環(huán)素等青霉素 頭孢霉素D等多粘菌素等蒜素 魚(yú)素等根據(jù)抗生素的作用分類(lèi)1. 廣譜抗生素2. 抗革蘭氏陽(yáng)性菌的抗生素3. 抗革蘭氏陰性菌的抗生素4. 抗真菌抗生素5. 抗病毒抗生素6. 抗腫瘤抗生素氨芐青霉素等青霉素等鏈霉素等制霉菌素等四環(huán)類(lèi)抗生素等阿霉素等根據(jù)抗生素的化學(xué)結(jié)構(gòu)分類(lèi)1. -內(nèi)酰胺類(lèi)抗生素2. 氨基糖苷類(lèi)抗生素3. 大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)抗生素4. 四環(huán)類(lèi)抗生素5. 多肽類(lèi)抗生素青霉素類(lèi) 頭孢霉素類(lèi)等鏈霉素 慶大霉素等紅霉素 麥迪霉素等四環(huán)素 土霉素等多粘菌素 桿菌肽等根據(jù)抗生素的作用機(jī)制分類(lèi)1. 抑制細(xì)胞壁合成的抗生素2. 影響細(xì)胞膜功能的抗生素3. 抑制病原菌蛋白質(zhì)合成的抗生素4. 抑制核酸合成的抗生素5. 抑制生物能作用的抗生素青霉素類(lèi) 頭孢霉素類(lèi)等多烯類(lèi)抗生素等四環(huán)素等絲裂霉素C等抗霉素等根據(jù)抗生素的合成途徑分類(lèi)1. 氨基酸 肽類(lèi)衍生物抗生素2. 糖類(lèi)衍生物抗生素3. 乙酸 丙酸衍生物抗生素青霉素類(lèi) 頭孢霉素類(lèi)等鏈霉素糖苷類(lèi)抗生素等紅霉素等丙酸衍生物等、抗生素的生產(chǎn)工藝： 抗生素一般主要是利用微生物發(fā)酵法進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，極少數(shù)抗生素圖氯霉素、磷霉素等可用化學(xué)法生產(chǎn)。此外，還可以用天然抗生素進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)改造，制成各種衍生物。發(fā)酵法生產(chǎn)抗生素的主要工藝步驟包括菌種的制備、種子的擴(kuò)大培養(yǎng)、發(fā)酵、發(fā)酵液的處理、代謝產(chǎn)物的分離純化干燥，最后制的產(chǎn)品。下面以青霉素的生產(chǎn)為例介紹抗生素的生產(chǎn)工藝。、青霉素生產(chǎn)菌株一般為產(chǎn)黃青酶，根據(jù)深層培養(yǎng)中的菌絲體的形態(tài)，分為球狀菌和絲狀菌。在發(fā)酵過(guò)程中，產(chǎn)黃青霉的生長(zhǎng)發(fā)育可分成6個(gè)階段。 分生孢子的期； 菌絲繁殖，原生質(zhì)嗜堿性很強(qiáng)，有類(lèi)脂肪小顆粒產(chǎn)生為期； 原生質(zhì)嗜堿性仍很強(qiáng)，形成脂肪粒，積累貯藏物為期； 原生質(zhì)嗜堿性很弱，脂肪粒減少，形成中、小空泡為期； 脂肪粒消失，形成大空泡為期； 細(xì)胞內(nèi)看不到顆粒，并有個(gè)別自溶細(xì)胞出現(xiàn)為期。鏡檢：規(guī)定時(shí)間取樣，顯微鏡觀察7個(gè)時(shí)期的形態(tài)變化，控制發(fā)酵。-期為菌絲生長(zhǎng)期，期的菌體適宜為種子。-期為生產(chǎn)期，生產(chǎn)能力最強(qiáng)，通過(guò)工程措施，延長(zhǎng)此期，獲得高產(chǎn)。在第期到來(lái)之前結(jié)束發(fā)酵。、青霉素的生產(chǎn)流程：冷凍孢子瓊脂斜面米孢子種子罐發(fā)酵罐過(guò)濾醋酸丁酯提取脫水脫色結(jié)晶洗滌晶體工業(yè)鹽菌絲體綜合利用。在發(fā)酵過(guò)程中補(bǔ)料（碳源、氮源、前體），加消沫劑。、培養(yǎng)基生產(chǎn)的培養(yǎng)基包括碳源、氮源、前體、無(wú)機(jī)鹽等。碳源的選擇：生產(chǎn)菌能利用多種碳源，乳糖，蔗糖，葡萄糖，阿拉伯糖，甘露糖，淀粉和天然油脂。其中大約百分之六十五的碳源用于維持細(xì)胞的代謝，百分之二十五的用于生長(zhǎng)，百分之十的用于產(chǎn)生青霉素。過(guò)去用葡萄糖和乳糖的混合物，葡萄糖可以獲得良好的細(xì)胞生長(zhǎng)，但只有很低的青霉素的收率，而乳糖則有相反的效果。碳源的流加方式極其重要，因?yàn)樗鼤?huì)影響這種次級(jí)代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量。氮源：玉米漿是最好的，是玉米淀粉生產(chǎn)時(shí)的副產(chǎn)品，含有多種氨基酸及其前體苯乙酸和衍生物。玉米漿除作為氮源外，還提供附加營(yíng)養(yǎng)和側(cè)鏈前體。補(bǔ)加無(wú)機(jī)氮源。無(wú)機(jī)鹽：硫、磷、鎂、鉀等。由于鐵離子對(duì)青霉菌有毒害作用，所以必須嚴(yán)格控制鐵離子濃度，控制在30g/ml以下。 流加控制：補(bǔ)糖，根據(jù)殘?zhí)?、pH、尾氣中CO2和O2含量。殘?zhí)窃?.6左右，pH開(kāi)始升高時(shí)加糖。補(bǔ)氮：流加酸酸銨、氨水、尿素，控制氨基氮0.05%。 添加前體：合成階段，苯乙酸及其衍生物，苯乙酰胺、苯乙胺、苯乙酰甘氨酸等均可為青霉素側(cè)鏈的前體，直接摻入青霉素分子中。也具有刺激青霉素合成作用。但濃度大于0.19時(shí)對(duì)細(xì)胞和合成有毒性。還能被細(xì)胞氧化。策略是流加低濃度前體，一次加入量低于0.1%，保持供應(yīng)速率略大于生物合成的需要。、發(fā)酵條件的控制（1）溫度一生長(zhǎng)適宜溫度30，分泌青霉素溫度20。但20青霉素破壞少，周期很長(zhǎng)。生產(chǎn)中采用變溫控制，不同階段不同溫度。前期控制2526左右，后期降溫控制23。過(guò)高則會(huì)降低發(fā)酵產(chǎn)率，增加葡萄糖的維持消耗，降低葡萄糖至青霉素的轉(zhuǎn)化得率。有的發(fā)酵過(guò)程在菌絲生長(zhǎng)階段采用較高的溫度，以縮短生長(zhǎng)時(shí)間，生產(chǎn)階段適當(dāng)降低溫度，以利于青霉素合成。 （2）pH合成的適宜pH6.46.6左右，避免超過(guò)7.0，青霉素在堿性條件下不穩(wěn)定，易水解。緩沖能力弱的培養(yǎng)基，pH降低，意味著加糖率過(guò)高造成酸性中間產(chǎn)物積累。pH上升，加糖率過(guò)低不足以中和蛋白產(chǎn)生的氨或其他生理堿性物質(zhì)。前期pH控制在5.76.3，中后期pH控制6.36.6，通過(guò)補(bǔ)加氨水進(jìn)行調(diào)節(jié)。pH較低時(shí)，加入CaCO3、通氨調(diào)節(jié)或提高通氣量。pH上升時(shí)，加糖或天然油脂。一般直接加酸或堿自動(dòng)控制，流加葡萄糖控制。（3）溶氧溶氧30飽和度，產(chǎn)率急劇下降，低于10，則造成不可逆的損害。所以不能低于30飽和溶氧濃度。通氣比一般為1：0.8VVM。溶氧過(guò)高，菌絲生長(zhǎng)不良或加糖率過(guò)低，呼吸強(qiáng)度下降，影響生產(chǎn)能力的發(fā)揮。適宜的攪拌速度，保證氣液混合，提高溶氧，根據(jù)各階段的生長(zhǎng)和耗氧量不同，對(duì)攪拌轉(zhuǎn)速調(diào)整。（4）菌絲生長(zhǎng)速度與形態(tài)、濃度對(duì)于每個(gè)有固定通氣和攪拌條件的發(fā)酵罐內(nèi)進(jìn)行的特定好氧過(guò)程，都有一個(gè)使氧傳遞速率（OTR）和氧消耗率（OUR）在某一溶氧水平上達(dá)到平衡的臨界菌絲濃，超過(guò)此濃度，OUROTR，溶氧水平下降，發(fā)酵產(chǎn)率下降。在發(fā)酵穩(wěn)定期，濕菌濃可達(dá)1520%，絲狀菌干重約3%，球狀菌干重在5%左右。另外，因補(bǔ)入物料較多，在發(fā)酵中后期一般每天帶放一次，每次放掉總發(fā)酵液的10%左右。有絲狀生長(zhǎng)和球狀生長(zhǎng)兩種。前者由于所有菌絲體都能充分和發(fā)酵液中的基質(zhì)及氧接觸，比生產(chǎn)率高，發(fā)酵粘度低，氣/液兩相中氧的傳遞率提高，允許更多菌絲生長(zhǎng)。球狀菌絲形態(tài)的控制，與碳、氮源的流加狀況，攪拌的剪切強(qiáng)度及稀釋度相關(guān)。（5）消沫發(fā)酵過(guò)程泡沫較多，需補(bǔ)入消沫劑。天然油脂：玉米油；化學(xué)消沫劑：泡敵。少量多次。不適在前期多加入，影響呼吸代謝。青霉素的發(fā)酵過(guò)程控制十分精細(xì)，一般2 h取樣一次，測(cè)定發(fā)酵液的pH、菌濃、殘?zhí)?、殘氮、苯乙酸濃度青霉素效價(jià)等指標(biāo)，同時(shí)取樣做無(wú)菌檢查，發(fā)現(xiàn)染菌即結(jié)束發(fā)酵，視情況放過(guò)濾提取。、青霉素的分離純化在發(fā)酵結(jié)束時(shí)，青霉素分泌到培養(yǎng)基中，然后進(jìn)行回收。青霉素發(fā)酵液可以通過(guò)各種過(guò)濾器如板框過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾；過(guò)濾效率受培養(yǎng)基組分，特別是蛋白質(zhì)類(lèi)物質(zhì)的影響?；厥站z在作為動(dòng)物飼料或肥料之前，要再進(jìn)行洗滌，以除去殘余的青霉素。 一般采用溶劑抽提無(wú)細(xì)胞發(fā)酵液，回收抗生素，收率在百分之九十以上，其程序是首先加入硫酸或磷酸，將濾液的PH降至2.0-2.5，然后用乙酸戊脂 乙酸乙酯或甲基異丁酮在0-3進(jìn)行快速兩步連續(xù)逆流抽提。由于是在低PH抽提，所以低溫對(duì)于降低對(duì)青霉素的損害是必要的。或者在PH5-7條件下進(jìn)行離子對(duì)抽提，在這個(gè)PH范圍，青霉素是穩(wěn)定的，隨后，通過(guò)活性炭處理除去所有的色素和痕量的雜質(zhì)。醋酸丁酯萃取液按照150-200g/10億單位的量加入活性炭，然后過(guò)濾除去活性炭，再用錯(cuò)酸鈉或醋酸鉀從溶劑中回收青霉素，這可以降低青霉素的可溶性，使其以鉀鹽或鈉鹽形式沉淀，產(chǎn)生的青霉素晶體再用轉(zhuǎn)鼓式真空過(guò)濾器分離，從分離的液體和使用的其他材料中回收溶劑，這對(duì)降低生產(chǎn)成本是非常重要的。青霉素晶體與揮發(fā)性溶劑混合，以進(jìn)一步除去雜質(zhì)。采用過(guò)濾和空氣干燥等方法收集晶體。在這個(gè)階段，青霉素達(dá)到99.5%的純度，這種產(chǎn)品可以進(jìn)一步加工，生產(chǎn)醫(yī)藥產(chǎn)品或用于生產(chǎn)半合成青霉素。、總結(jié)展望現(xiàn)在濫用抗生素非常嚴(yán)重，在最近的十年里，由于對(duì)廣泛的抗生素有多重抗性的病原菌不斷出現(xiàn)，這種狀況令人擔(dān)憂。為了扭轉(zhuǎn)濫用抗菌素的現(xiàn)狀，世衛(wèi)組織今年推出了6項(xiàng)政策一攬子計(jì)劃，包括與社會(huì)多方合作并制定國(guó)家計(jì)劃、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室能力、確保有質(zhì)量保證的基本藥物的連續(xù)可及、減少抗菌素在食用動(dòng)物中的使用、強(qiáng)化感染預(yù)