抗生素發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué).ppt

1、1,抗 生 素 發(fā) 酵 生 產(chǎn) 技 術(shù) Antibiotics Fermentation Production,2,概述 生產(chǎn)前期研究 生產(chǎn)菌改良 生產(chǎn)工藝過程 發(fā)酵條件的控制 提取和精制,Introduction Research in Lab Strain improvement Production processing Fermentation control Isolation & purification,抗 生 素 發(fā) 酵 生 產(chǎn) 技 術(shù) Antibiotics Fermentation Production,3,抗生素 是生物在其生產(chǎn)活動(dòng)過程中所產(chǎn)生，并能在低微濃度下有選擇性地

2、抑制或殺滅其他微生物或腫瘤細(xì)胞的有機(jī)物,Antibiotics Any organic substances produced by various organisms that have the power of arresting the growth of other microorganisms or of destroying them,1. 概述 Introduction,4,歷史 1929年，英國弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素 二戰(zhàn)期間，大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn) 世界上最早用于臨床的抗菌素,History Penicillin was discovered by Fleming in 1929. Wor

3、ld War II, fermented in large-scale The first major antibiotic to be commercialized,1. 概述 Introduction,5,根據(jù)抗生素的作用機(jī)制分類 (Modes of Action of Antibiotics) 抑制細(xì)胞壁合成 (Cell Wall Synthesis) ： 青霉素 抑制細(xì)胞膜功能 (Cell Membrane Damage) ： 多烯類抗生素 抑制蛋白質(zhì)合成 (Protein Synthesis) ： 四環(huán)素 抑制核酸合成 (Nucleic Acid Synthesis) ： 絲裂霉素,

4、分類 Classification,1. 概述 Introduction,6,復(fù)制,翻譯,轉(zhuǎn)錄,7,根據(jù)抗生素的化學(xué)結(jié)構(gòu)分類 -內(nèi)酰胺類 (-lactam)： 青霉素類 (penicillins) 頭孢菌素類 (cephalosporins) 氨基糖苷類 (aminoglycosides) ： 鏈霉素、慶大霉素 大環(huán)內(nèi)酯類 (macrolides) ： 紅霉素、麥迪加霉素 四 環(huán) 類 (tetracyclines) ： 四環(huán)素、土霉素 多 肽 類 (polymyxin) ： 多粘菌素,分類 Classification,1. 概述Introduction,8,natural penicilli

5、n R,CH2-CO,9,內(nèi)酰胺 環(huán),10,兩性霉素,Antibiotics are so complex they can only be synthesized in a living system,11,產(chǎn)生菌的篩選 抗菌性試驗(yàn) 提取、精制、鑒定 毒性試驗(yàn) 藥理和臨床試驗(yàn),Screening of a strain Antimicrobial trial Isolation, purification and identification Toxicological trial Medicinal & clinical trial,2生產(chǎn)前期研究 Research in Lab,12,A

6、gar diffusion assay,agar plate 瓊脂培養(yǎng)基,13,分 析 儀 器 Analytical instruments,現(xiàn)代分析儀器： 核磁共振 毛細(xì)管電泳 氣相色譜 高效液相色譜 質(zhì)譜,Modern analytical instruments: Nuclear magnetic resonance (NMR) Capillary electrophoresis(CE) Gas chromatography (GC) High performance liquid chromatography (HPLC) Mass spectroscopy (MS) Automati

7、onSensitivityAccuracy 自動(dòng)靈敏準(zhǔn)確,14,人工誘變法： 紫外線、X-線、r-線照射 亞硝基胍、亞硝酸、秋水仙素、氮芥等誘變劑處理,Conventional strain selection Physical mutagen eg. Ultraviolet Radiation Chemical mutagen eg. Nitrosoguanidine (NTG) Improved strain can be selected empirically,3. 抗生素生產(chǎn)菌改良 Strain Improvement,15,基因工程 Genetic Engineering,3. 抗

8、生素生產(chǎn)菌改良 Strain Improvement,Recombinant DNA Technology （DNA重組技術(shù),克隆,16,Strain Improvement Scale-up,Strain 出發(fā)菌株,Agar plate 平板技術(shù),Primary shake flask Evaluation 搖瓶培養(yǎng),Secondary shake flask evaluation different media 二級搖瓶培養(yǎng) 各種培養(yǎng)基,Lab fermentor evaluation Production Condition 小型發(fā)酵罐 模擬生產(chǎn)條件,Master cell bank,W

9、orking cell bank,Inoculum Development 菌種擴(kuò)大培養(yǎng),Pilot plant Evaluation 中試生產(chǎn),Production Evaluation 生產(chǎn),6000,300,30,3,1,Possible recycle,17,18,Scale-up（比擬放大,models,EL Gadden Jr,模 擬,19,搖瓶發(fā)酵 Shake-flask fermentation,10-50 ml in 125-500 ml flask Batch only Limited control: temperature Slow metabolizing carbo

10、hydrate Ambient pressure Buffers needed to control pH In-process sampling difficult Volume decrease by evaporation Solid growth on side walls Antifoam not needed Agitation limited: shaker speed No control of dissolved oxygen,裝液量：10% (250ml) 間歇培養(yǎng) 溫控受限制 代謝碳水化合物慢 常壓 緩沖液控制pH 在線取樣難 容量減少 瓶壁上結(jié)垢 無需消泡 攪拌受限制

11、無法控制溶解氧,20,攪 拌 罐 發(fā) 酵 Stirred tank fermentation,10-100,000升容量 間歇和補(bǔ)料培養(yǎng) 連續(xù)控制：pH，溫度 需要銨鹽或氨氣 2 大氣壓 無需緩沖液 在線取樣易 補(bǔ)料,容量增加 生長均勻一致 需消泡 多種攪拌 控制溶解氧:通氣,加壓,10-100,000 liter vessels Batch and feed possible Continuous control: pH, temperature Ammonium salts or ammonia needed Pressure at two atmospheres possible No

12、buffers necessary In-process sampling easy Volume increase by sugar feed Very uniform growth Antifoam often required Wide variety of impellers and baffles Dissolved oxygen controlled by aeration, pressure,21,搖 瓶 發(fā) 酵 Shake-flask,裝液量：10% (250ml) 間歇培養(yǎng) 溫控受限制 代謝碳水化合物慢 常壓 緩沖液控制pH 在線取樣難 容量減少 瓶壁上結(jié)垢 無需消泡 攪拌受

13、限制 無法控制溶解氧,10-100,000升容量 間歇和補(bǔ)料培養(yǎng) 連續(xù)控制：pH，溫度 需要銨鹽或氨氣 2 大氣壓 無需緩沖液 在線取樣易 補(bǔ)料,容量增加 生長均勻一致 需消泡 多種攪拌 控制溶解氧:通氣,加壓,攪 拌 罐 發(fā) 酵 Stirred tank,22,菌種 種子制備 發(fā)酵 發(fā)酵液預(yù)處理 提取及精制 成品包裝,Strain Preparation of seed Fermentation Treatment of broth Isolation & purification Package of product,4. 抗生素生產(chǎn)工藝過程 Antibiotics Production

14、Processing,23,A scheme of the material flow in an antibiotic production,24,A scheme of the material flow in an antibiotic production,連消,發(fā)酵罐,緩沖罐,種子罐,25,發(fā)酵生產(chǎn)原料 Materials for Fermentation,Carbon source: Beet & cane molasses Glucose, lactose, starch Ethanol, methanol Glycerol Maltose syrup, corn syrup C

15、ottonseed oil, peanut oil, soy oil Lard oil Methyl oleate Tallow,碳源: 甜菜和甘蔗糖蜜 葡萄糖，乳糖，淀粉 乙醇，甲醇 甘油 麥芽糖漿，玉米糖漿 綿籽油，花生油，豆油 豬油 油酸甲酯 油脂,26,氮源: 綿籽粉 玉米粉和玉米浸出液 大豆粉和大豆面 花生粉 菜籽粉 牛血，酪蛋白水解液 乳清 魚粉 酵母 酵母膏 肉粉和骨粉,Nitrogen source: Cotton seed meal Corn meal & steep liquor Soybean meal & flour Peanut meal Rapeseed meal

16、Beef blood, Casein hydrolysate Whey Fish meal Whole yeast Yeast extract Meat & bone meal,發(fā)酵生產(chǎn)原料 Materials for Fermentation,27,培 養(yǎng) 基Media for Cell Growth & Final production,Components Range % 組 成 Glucose/ sucrose 3.0-5.0 葡萄糖/ 蔗糖 Starch 淀粉 3.0-5.0 Corn steep liquor 3.0-5.0 Calcium carbonate 0.5-1.0 碳酸

17、鈣 Phosphate 磷酸鹽 0.1-0.5 Ammonium sulphate 0.1-1.0 硫酸胺 Urea 尿素 0.1-0.5 Oil 油 0.1-0.5,Fermentation 發(fā)酵培養(yǎng)基,Components Range % 組 成 Glucose 0.5-1.0 Starch 0.5-5.0 Corn steep liquor 5.0-8.0 玉米浸提液 Soy flour 1.0-5.0 Phosphate 0.1-1.0 Ammonium sulphate 0.5-1.0 and fed periodically Oil 1.0 and fed continuously

18、 Corn syrup fed continuously 玉米糖漿 連續(xù)加料,Tank seed 種子培養(yǎng)基,28,Stirred tank Fermentation 攪拌發(fā)酵,29,5. 發(fā) 酵 控 制Fermentation Control,Sample Analysis pH DO Sugar Ammonia Phosphate Sulphate Products Precursors Contamination,Pressure probe,Level probe,pH probe,Temp. probe,DO probe,Antifoam,Acid/Base,Cooling,Air/agitation,Sugar/Oil f