第八章抗生素的發(fā)酵生產(chǎn)

1、第八章第八章 抗生素的發(fā)酵生產(chǎn)抗生素的發(fā)酵生產(chǎn)化工學(xué)院化工學(xué)院 制藥工程系制藥工程系沈齊英沈齊英 抗生素一般概況抗生素一般概況 內(nèi)容內(nèi)容 青霉素發(fā)酵生產(chǎn)青霉素發(fā)酵生產(chǎn) 1928 1928年發(fā)現(xiàn)抗生素年發(fā)現(xiàn)抗生素青霉素（絲狀真菌）青霉素（絲狀真菌） 19401940年成功地研究出從點(diǎn)青霉培養(yǎng)液中提取青霉素的方法年成功地研究出從點(diǎn)青霉培養(yǎng)液中提取青霉素的方法 19411941年抗生素人體實(shí)驗(yàn)取得成功年抗生素人體實(shí)驗(yàn)取得成功 19431943年青霉素首次在美國(guó)工業(yè)生產(chǎn)年青霉素首次在美國(guó)工業(yè)生產(chǎn) 19441944年青霉素臨床應(yīng)用年青霉素臨床應(yīng)用 19441944年發(fā)現(xiàn)鏈霉素（放線菌年發(fā)現(xiàn)鏈霉素（放線菌

2、 19521952年獲諾貝爾獎(jiǎng)）年獲諾貝爾獎(jiǎng)） 19471947年人們找到了第一個(gè)廣譜抗生素年人們找到了第一個(gè)廣譜抗生素氯霉素氯霉素 19561956年發(fā)現(xiàn)頭孢菌素年發(fā)現(xiàn)頭孢菌素 六十年代開(kāi)始，半合成抗生素開(kāi)始迅速發(fā)展六十年代開(kāi)始，半合成抗生素開(kāi)始迅速發(fā)展第一節(jié)第一節(jié) 抗生素發(fā)酵生產(chǎn)一般概況抗生素發(fā)酵生產(chǎn)一般概況一、抗生素生產(chǎn)的發(fā)展過(guò)程一、抗生素生產(chǎn)的發(fā)展過(guò)程 六十多年來(lái)，全世界近六十多年來(lái)，全世界近180180個(gè)國(guó)家中，約有個(gè)國(guó)家中，約有4040個(gè)國(guó)家開(kāi)展抗個(gè)國(guó)家開(kāi)展抗生素篩選的科研工作。到目前為止，人們從自然界發(fā)現(xiàn)和分離生素篩選的科研工作。到目前為止，人們從自然界發(fā)現(xiàn)和分離的抗生素已有九千

3、余種，并以其中一些主要抗生素的抗生素已有九千余種，并以其中一些主要抗生素( (如青霉素、如青霉素、頭孢菌素、四環(huán)類(lèi)抗生素、氨基糖苷類(lèi)抗生素等頭孢菌素、四環(huán)類(lèi)抗生素、氨基糖苷類(lèi)抗生素等) )為原料，進(jìn)行為原料，進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)改造，先后制備了近十萬(wàn)種半合成抗生素。目前世界化學(xué)結(jié)構(gòu)改造，先后制備了近十萬(wàn)種半合成抗生素。目前世界各國(guó)實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用的抗生素約有百余種，連同各種半合成衍各國(guó)實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用的抗生素約有百余種，連同各種半合成衍生物及鹽類(lèi)共四百種左右。生物及鹽類(lèi)共四百種左右。 我國(guó)抗生素的研究及生產(chǎn)均取得了很大成就，抗生素的總我國(guó)抗生素的研究及生產(chǎn)均取得了很大成就，抗生素的總產(chǎn)量已居世界前列。五十

4、年代是抗生素大發(fā)展時(shí)代，六十年代產(chǎn)量已居世界前列。五十年代是抗生素大發(fā)展時(shí)代，六十年代形成了抗生素工業(yè)和科研體系，七十年代抗生素科研及生產(chǎn)雖形成了抗生素工業(yè)和科研體系，七十年代抗生素科研及生產(chǎn)雖然繼續(xù)發(fā)展，但由于然繼續(xù)發(fā)展，但由于“十年文革十年文革”，使基礎(chǔ)理論科研工作基本，使基礎(chǔ)理論科研工作基本處于停頓狀態(tài)，八十年代是抗生素事業(yè)改革開(kāi)放的時(shí)期，九十處于停頓狀態(tài)，八十年代是抗生素事業(yè)改革開(kāi)放的時(shí)期，九十年代是抗生素事業(yè)調(diào)整、充實(shí)、提高、再發(fā)展的新階段。年代是抗生素事業(yè)調(diào)整、充實(shí)、提高、再發(fā)展的新階段。 就目前情況來(lái)說(shuō)，我國(guó)抗生素在品種、質(zhì)量、技術(shù)水平及就目前情況來(lái)說(shuō)，我國(guó)抗生素在品種、質(zhì)量、技

5、術(shù)水平及生產(chǎn)設(shè)備等方面與國(guó)際先進(jìn)水平比較，尚有一定的差距。生產(chǎn)設(shè)備等方面與國(guó)際先進(jìn)水平比較，尚有一定的差距。選擇性作用選擇性作用抗菌譜抗菌譜選擇性毒力選擇性毒力毒副作用毒副作用引起細(xì)菌耐藥引起細(xì)菌耐藥微生物在生命活動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的，在低濃微生物在生命活動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的，在低濃度下就能抑制它種微生物的生長(zhǎng)和活動(dòng)，度下就能抑制它種微生物的生長(zhǎng)和活動(dòng)，甚至殺死它種微生物的化學(xué)物質(zhì)。甚至殺死它種微生物的化學(xué)物質(zhì)。 （抑（抑菌為主）菌為主）二、抗生素二、抗生素1 1、概念、概念2 2、抗生素的抗菌性能、抗生素的抗菌性能3 3、抗生素的抗菌作用機(jī)理、抗生素的抗菌作用機(jī)理第八章第八章 抗生素的發(fā)酵生產(chǎn)抗生素的發(fā)

6、酵生產(chǎn)4 4、新抗生素的尋找、新抗生素的尋找 目標(biāo)、方向目標(biāo)、方向抗腫瘤抗腫瘤抗耐藥金黃色葡萄球菌抗耐藥金黃色葡萄球菌抗綠膿桿菌抗綠膿桿菌 抗病毒抗病毒第八章第八章 抗生素的發(fā)酵生產(chǎn)抗生素的發(fā)酵生產(chǎn): :抗生素有效成分抗生素有效成分( (即生理活性部分即生理活性部分) )的質(zhì)量作的質(zhì)量作 為效價(jià)單位，即為效價(jià)單位，即1 1微克作為一個(gè)效價(jià)單位微克作為一個(gè)效價(jià)單位 (1mg(1mg10001000g=1000U)g=1000U)。單位體積（單位體積（mL)mL)或單位質(zhì)量（或單位質(zhì)量（mg)mg)制劑中所含某種抗生制劑中所含某種抗生素的有效成分的多少稱(chēng)之為抗生素的效價(jià)單位。效價(jià)素的有效成分的多少

7、稱(chēng)之為抗生素的效價(jià)單位。效價(jià)單位是衡量抗生素有效成分的尺度，也是衡量其抗菌單位是衡量抗生素有效成分的尺度，也是衡量其抗菌性能的標(biāo)志。性能的標(biāo)志。5 5、抗生素的劑量表示法、抗生素的劑量表示法 效價(jià)單位（效價(jià)單位（IUIU、U)U)表示方法表示方法稀釋單位稀釋單位質(zhì)量單位質(zhì)量單位: :抗生素配成溶液，逐步進(jìn)行稀釋?zhuān)砸种埔豢股嘏涑扇芤海鸩竭M(jìn)行稀釋?zhuān)砸种埔?標(biāo)準(zhǔn)菌株生長(zhǎng)發(fā)育的最高稀釋度標(biāo)準(zhǔn)菌株生長(zhǎng)發(fā)育的最高稀釋度( (即最小劑即最小劑量量) )作為作為1 1個(gè)效價(jià)單位。個(gè)效價(jià)單位。第八章第八章 抗生素的發(fā)酵生產(chǎn)抗生素的發(fā)酵生產(chǎn) - -內(nèi)酰胺類(lèi)內(nèi)酰胺類(lèi)青霉素、頭孢菌素青霉素、頭孢菌素 大環(huán)內(nèi)酯

8、類(lèi)大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)紅霉素紅霉素 氨基糖苷類(lèi)氨基糖苷類(lèi)鏈霉素鏈霉素 四環(huán)類(lèi)四環(huán)類(lèi)土霉素土霉素 分類(lèi)分類(lèi) 多肽類(lèi)多肽類(lèi)桿菌肽桿菌肽 多烯類(lèi)多烯類(lèi)制霉菌素制霉菌素 苯烴基胺類(lèi)苯烴基胺類(lèi)氯霉素氯霉素 蒽環(huán)類(lèi)蒽環(huán)類(lèi)阿霉素阿霉素 環(huán)橋類(lèi)環(huán)橋類(lèi)利福霉素利福霉素 干擾細(xì)胞壁的合成干擾細(xì)胞壁的合成 抑制蛋白質(zhì)合成抑制蛋白質(zhì)合成抗菌機(jī)理抗菌機(jī)理 改變細(xì)胞膜的通透性改變細(xì)胞膜的通透性 抑制核酸合成抑制核酸合成 作用于能量代謝系統(tǒng)作用于能量代謝系統(tǒng)6 6、抗生素的分類(lèi)、抗生素的分類(lèi)青霉素青霉素天然存在的天然存在的8種抗生素種抗生素不穩(wěn)定不穩(wěn)定, ,半衰期半衰期18min18min菌體的生長(zhǎng)與產(chǎn)物的形成不平行菌體的生長(zhǎng)與產(chǎn)物

9、的形成不平行次級(jí)代謝產(chǎn)物次級(jí)代謝產(chǎn)物理論產(chǎn)量難以用物料平衡來(lái)計(jì)算理論產(chǎn)量難以用物料平衡來(lái)計(jì)算 生產(chǎn)穩(wěn)定性差生產(chǎn)穩(wěn)定性差染菌問(wèn)題突出染菌問(wèn)題突出抗生素穩(wěn)定性和質(zhì)量問(wèn)題突出抗生素穩(wěn)定性和質(zhì)量問(wèn)題突出動(dòng)力消耗大動(dòng)力消耗大原料轉(zhuǎn)化率低原料轉(zhuǎn)化率低7 7、抗生素的生產(chǎn)、抗生素的生產(chǎn)生產(chǎn)方法生產(chǎn)方法發(fā)酵法（生物合成）發(fā)酵法（生物合成）半化學(xué)合成半化學(xué)合成化學(xué)合成化學(xué)合成生產(chǎn)特點(diǎn)生產(chǎn)特點(diǎn)一、種子制備一、種子制備青霉素發(fā)酵生產(chǎn)菌種（絲狀真菌）青霉素發(fā)酵生產(chǎn)菌種（絲狀真菌）第二節(jié)第二節(jié) 青霉素的發(fā)酵生產(chǎn)青霉素的發(fā)酵生產(chǎn)產(chǎn)黃青霉菌生產(chǎn)過(guò)程可分為三個(gè)不同的代謝時(shí)期產(chǎn)黃青霉菌生產(chǎn)過(guò)程可分為三個(gè)不同的代謝時(shí)期 菌絲生長(zhǎng)

10、繁殖期菌絲生長(zhǎng)繁殖期: :培養(yǎng)基中碳源和氮源被迅速利用，培養(yǎng)基中碳源和氮源被迅速利用， 菌絲濃度增加很快，菌絲濃度增加很快，26-2726-27代謝時(shí)期代謝時(shí)期 青霉素分泌期青霉素分泌期: :菌絲生長(zhǎng)停止菌絲生長(zhǎng)停止, ,間隙添加碳源、間隙添加碳源、 氮源和前體氮源和前體, 25, 25青霉素分泌旺盛青霉素分泌旺盛 菌體自溶期菌體自溶期: :菌體衰老自溶菌體衰老自溶, ,青霉素分泌停滯青霉素分泌停滯,pH,pH上升。上升。青霉素青霉素次級(jí)代謝產(chǎn)物（代謝途徑不清）次級(jí)代謝產(chǎn)物（代謝途徑不清）碳源：最適乳糖，主要使用淀粉水解糖碳源：最適乳糖，主要使用淀粉水解糖氮源：最適玉米漿，主要使用花生餅粉、尿

11、素等氮源：最適玉米漿，主要使用花生餅粉、尿素等前體：苯乙酰胺和苯乙酸前體：苯乙酰胺和苯乙酸無(wú)機(jī)鹽：無(wú)機(jī)鹽：S S、P P、CaCa、MgMg、K K、FeFe二、培養(yǎng)基二、培養(yǎng)基培養(yǎng)基中各組分質(zhì)量的穩(wěn)定性是獲得連續(xù)、高產(chǎn)的關(guān)鍵；培養(yǎng)基中各組分質(zhì)量的穩(wěn)定性是獲得連續(xù)、高產(chǎn)的關(guān)鍵；青霉素的生產(chǎn)應(yīng)定品種、定產(chǎn)地、定加工方法、定貯存條件、青霉素的生產(chǎn)應(yīng)定品種、定產(chǎn)地、定加工方法、定貯存條件、定統(tǒng)一質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)定統(tǒng)一質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)三、發(fā)酵工藝及過(guò)程三、發(fā)酵工藝及過(guò)程目前青霉素發(fā)酵工藝控制（分批補(bǔ)料）主要有以下幾個(gè)方面：目前青霉素發(fā)酵工藝控制（分批補(bǔ)料）主要有以下幾個(gè)方面：碳源控制（加糖）：依據(jù)殘?zhí)橇?、發(fā)酵過(guò)程的碳

12、源控制（加糖）：依據(jù)殘?zhí)橇?、發(fā)酵過(guò)程的pHpH及菌絲形及菌絲形 態(tài)。一般在態(tài)。一般在28-30h28-30h，殘?zhí)窃冢瑲執(zhí)窃?.50.5-0.8-0.8,pH6.5,pH6.5以上以上, ,菌絲內(nèi)菌絲內(nèi) 產(chǎn)生空泡產(chǎn)生空泡, ,按照按照0.05%-0.06%/h,10.05%-0.06%/h,1次次/2h/2h。氮源及添加前體：依據(jù)氮源及添加前體：依據(jù)pHpH、菌絲形態(tài)及發(fā)酵單位。一般在、菌絲形態(tài)及發(fā)酵單位。一般在30h30h 后，后，45-50h45-50h是合成青霉素合成能力最旺盛的時(shí)期，是合成青霉素合成能力最旺盛的時(shí)期， pH6.2-pH6.2- 6.4 6.4，1 1次次/3h/3h，其

13、數(shù)量根據(jù)菌絲形態(tài)、，其數(shù)量根據(jù)菌絲形態(tài)、pH pH 和發(fā)酵單位的增長(zhǎng)和發(fā)酵單位的增長(zhǎng) 速度而定。速度而定。pHpH控制：主要通過(guò)添加碳源和氮源控制。控制：主要通過(guò)添加碳源和氮源控制。溫度控制：青霉菌生長(zhǎng)最適溫度高于其分泌青霉素的最適溫溫度控制：青霉菌生長(zhǎng)最適溫度高于其分泌青霉素的最適溫 度，種子罐度，種子罐2727，發(fā)酵罐發(fā)酵罐27-2627-26，分期變溫培養(yǎng)。，分期變溫培養(yǎng)。通氣與攪拌：青霉素深層發(fā)酵培養(yǎng)需通入一定量的空氣，并通氣與攪拌：青霉素深層發(fā)酵培養(yǎng)需通入一定量的空氣，并 不斷攪拌以保證溶解氧的濃度。不斷攪拌以保證溶解氧的濃度。泡沫與消泡泡沫與消泡: :消泡劑、植物油、聚醚樹(shù)脂類(lèi)消泡

14、劑。消泡劑、植物油、聚醚樹(shù)脂類(lèi)消泡劑。 染菌及異常情況處理。若發(fā)酵罐前期柒菌或種子帶菌，一染菌及異常情況處理。若發(fā)酵罐前期柒菌或種子帶菌，一 般可采用重新消毒般可采用重新消毒; ;中后期發(fā)生染菌若是產(chǎn)氣細(xì)菌則應(yīng)及時(shí)放罐中后期發(fā)生染菌若是產(chǎn)氣細(xì)菌則應(yīng)及時(shí)放罐過(guò)濾、提取，事后徹底消毒處理。若遇發(fā)酵前期菌絲生長(zhǎng)不良、過(guò)濾、提取，事后徹底消毒處理。若遇發(fā)酵前期菌絲生長(zhǎng)不良、發(fā)酵異常時(shí)可采取倒出部分發(fā)酵液，補(bǔ)入部分新鮮料液發(fā)酵異常時(shí)可采取倒出部分發(fā)酵液，補(bǔ)入部分新鮮料液和良好的種子；遇發(fā)酵單位停滯不長(zhǎng)可酌情提前放罐。和良好的種子；遇發(fā)酵單位停滯不長(zhǎng)可酌情提前放罐。溶媒萃取溶媒萃取活性炭吸附（很少用）活性

15、炭吸附（很少用）沉淀法或離子交換法（未應(yīng)用）沉淀法或離子交換法（未應(yīng)用） 第三節(jié)第三節(jié) 青霉素的分離提取青霉素的分離提取用一種溶媒將抗生素自用一種溶媒將抗生素自另一種溶媒另一種溶媒( (發(fā)酵液發(fā)酵液) )中中提取出來(lái)。提取出來(lái)。一、青霉素的提取方法一、青霉素的提取方法 利用抗生素在不同條件下以不同的化學(xué)狀態(tài)利用抗生素在不同條件下以不同的化學(xué)狀態(tài)( (游離酸、堿或游離酸、堿或成鹽狀態(tài)成鹽狀態(tài)) )存在，以及它們?cè)谒芭c水不互溶的溶媒中溶解度不存在，以及它們?cè)谒芭c水不互溶的溶媒中溶解度不同的特性，使抗生素從一種液體轉(zhuǎn)移到另一種液體之中，以達(dá)同的特性，使抗生素從一種液體轉(zhuǎn)移到另一種液體之中，以達(dá)到

16、濃縮和提純的目的，這種提取方法稱(chēng)為溶媒萃取法。到濃縮和提純的目的，這種提取方法稱(chēng)為溶媒萃取法。( (緩沖液緩沖液 青霉素青霉素G G鉀鉀) ) 水相水相油相油相水相水相( (發(fā)酵液發(fā)酵液 青霉素青霉素G)G)( (醋酸丁酯醋酸丁酯 青霉素青霉素G)G)溶媒應(yīng)具備：不能混溶或部分混溶，以能形成兩相而便于分離，溶媒應(yīng)具備：不能混溶或部分混溶，以能形成兩相而便于分離， 對(duì)抗生素應(yīng)有較大的溶解性和選擇性。對(duì)抗生素應(yīng)有較大的溶解性和選擇性。pH 5pH 5以下以下溫度溫度 1010以下以下時(shí)間時(shí)間影響青霉素提取的主要因素影響青霉素提取的主要因素工業(yè)青霉素工業(yè)青霉素G G鉀鹽提取工藝及過(guò)程鉀鹽提取工藝及過(guò)

17、程 注射用青霉素注射用青霉素G G鉀鹽提取工藝及過(guò)程鉀鹽提取工藝及過(guò)程注射用普魯卡因青霉素注射用普魯卡因青霉素G G提取工藝及過(guò)程提取工藝及過(guò)程發(fā)酵液預(yù)處理及過(guò)濾發(fā)酵液預(yù)處理及過(guò)濾 萃取萃取 脫水脫色脫水脫色 反萃取反萃取 結(jié)結(jié)晶晶 過(guò)濾洗滌過(guò)濾洗滌 干燥干燥 精制精制 質(zhì)量檢驗(yàn)質(zhì)量檢驗(yàn) 包裝包裝二、青霉素（抗生素）精制二、青霉素（抗生素）精制除熱源、除菌除熱源、除菌 熱源：在發(fā)酵過(guò)程中菌種所產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物（毒素），是一熱源：在發(fā)酵過(guò)程中菌種所產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物（毒素），是一 種不揮發(fā)性的大分子有機(jī)物質(zhì)。它能溶于水，種不揮發(fā)性的大分子有機(jī)物質(zhì)。它能溶于水，120120加加 熱熱2h2h能破壞能破壞9090，250250加熱加熱30min30min可以徹底破壞；能可以徹底破壞；能 通過(guò)一般過(guò)濾器；注射后人體惡寒高熱，嚴(yán)重的甚至通過(guò)一般過(guò)濾器；注射后人體惡寒高熱，嚴(yán)重的甚至 引起休克。引起休克。輸液反應(yīng)輸液反應(yīng)除菌：除菌：過(guò)濾除菌過(guò)濾除菌第八章第八章 抗生素的發(fā)酵生產(chǎn)抗生素的發(fā)酵生產(chǎn)外觀形狀外觀形狀酸堿性酸堿性水分水分比旋光度比旋光度雜質(zhì)吸收度雜質(zhì)吸收度安全試驗(yàn)安全試驗(yàn)熱源試驗(yàn)熱源試驗(yàn)無(wú)菌試驗(yàn)無(wú)菌試驗(yàn) 效價(jià)測(cè)定效價(jià)測(cè)定三、青霉素（