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1、生产实例抗生素第1 页，本讲稿共46 页抗生素的定义 由 生 物（包 括 微 生 物、植 物 和 动 物）在 其生 命 过 程 中 所 产 生 的 一 类 在 微 量 浓 度 下 就能 选 择 性 地 抑 制 它 种 生 物 或 细 胞 生 长 的 次级代谢产物。第2 页，本讲稿共46 页抗生素的发展l1928 年英国细菌学家Fleming 发现并命名青霉素。l1940 年英国的Florey 和Chain 制出了干燥的青霉素制品，经实验和临床试验证明,对革兰氏阳性菌所引起的疾病有卓越的疗效。第3 页，本讲稿共46 页抗生素的发展l 1943 年1945 年,以通气搅拌的深层培养法大规模发酵生产
2、青霉素，链霉素、氯霉素、金霉素等相继被发现并投产，新兴抗生素工业建立。l 70 年代，抗生素品种飞跃发展，从自然界发现和分离了近5000 多种抗生素，通过化学结构的改造共制备了三万多种半合成抗生素。目前世界实际生产和应用的抗生素有一百多种，连同各种半合成抗生素衍生物及其盐类约400 多种，其中以-内酰胺类、四环类、氨基糖苷类及大环内酯类为最常用。第4 页，本讲稿共46 页抗生素的分类（一）根据抗生素的生物来源分类l 1.放线菌 由它产生的抗生素数量最多。如链霉菌属产生的链霉素，小单孢菌产生的庆大霉素、小诺霉素。l 2.真菌 青霉菌属产生的青霉素,头孢菌属产生的头孢菌素。l 3.细菌 多粘杆菌产
3、生的多粘菌素。l 4.动、植物 被子植物大蒜中得到的蒜素。鱼类（动物）脏器中制得的鱼素。第5 页，本讲稿共46 页抗生素的分类（二）根据抗生素的作用分类l 1 广谱抗生素 如氨苄青霉素（半合成青霉素），既能抑制菌又能抑制菌。l 2 抗革兰氏阳性细菌 如青霉素G。l 3 抗革兰氏阴性细菌 如链霉素。l 4 抗真菌 如制霉菌素、灰黄霉素。l 5 抗肿瘤 如阿霉素。l 6 抗病毒、抗原虫 如鱼素。第6 页，本讲稿共46 页抗生素的分类（三）根据化学结构分类l 1.-内酰胺类 它们都包含一个四元内酰胺环。如青霉素类、头孢菌素类（先锋霉素类）。第7 页，本讲稿共46 页抗生素的分类（三）根据化学结构分类
4、l 2 氨基糖苷类（氨基环醇类）以 糖 苷 键 与 氨 基 糖（或 戊 糖）连 接 的 抗 生 素，如链霉素、庆大霉素等。第8 页，本讲稿共46 页抗生素的分类 3.大环内酯类 含 有 一 个 大 环 内酯 作 配 糖 体，以 苷键 和1-3 个 分 子 的 糖相 连，如 红 霉 素、麦迪（加）霉素。第9 页，本讲稿共46 页抗生素的分类 4 四环类 以 四 并 苯 为 母 核。如四 环 素、土 霉 素、金霉素。第10 页，本讲稿共46 页抗生素的分类5 多肽类 由 氨 基 酸 组 成 的 抗 生素，如 多 粘 菌 素、杆菌肽。第1 1 页，本讲稿共46 页抗生素的分类l6.其他抗生素 凡不属
5、于上述5 类的抗生素，如林肯霉素、氯霉素、阿霉素等第12 页，本讲稿共46 页抗生素的应用l（一）医疗上的应用 抗生素在医疗临床上的应用已有六十年的历史。抗生素在医疗药物方面的应用是20 世纪医药上最伟大的成就，它的出现和应用使过去许多不能治疗或很难治疗的传染病（如细菌性心内膜炎，流行性脑膜炎等）得到了治疗。第13 页，本讲稿共46 页抗生素的应用l（一）医疗上的应用 但是抗生素的广泛使用，也带来许多不良后果，例如细菌耐药性逐渐普遍，有的抗生素会产生过敏反应，或由于抗生素的使用不当造成体内菌群失调而引起二重感染等。因此，应严防滥用，应严格掌握抗生素的适应症和剂量，并注意用药时的配伍禁忌第14
6、页，本讲稿共46 页抗生素的应用对医用抗生素的评价应包括以下要求：l（1）它应有较大的差异毒力，即对宿主人体组织和或正常细胞只是轻微毒性而对某些致病菌或突变肿瘤细胞有强大的毒害。l（2）它能在人体内发挥其抗生效能、而不被人体中血液、脑脊液等所破坏，同时它不应大量与体内血清蛋白产生不可逆的结合。l（3）在给药后应较快地被吸收，并迅速分布至被感染的器官或组织中。第15 页，本讲稿共46 页抗生素的应用对医用抗生素的评价应包括以下要求：l（4）致病菌在体内对该抗生素不易产生耐药性。l（5）不易引起过敏反应。l（6）具备较好的理化性质和稳定性，以利于提取、制剂和贮藏。第16 页，本讲稿共46 页抗生素
7、的应用（二）在农牧业中的应用 抗生素在农牧业上的应用，主要用以防治农作物、禽畜、蚕蜂的病害，有些还有利于动植物的生长第17 页，本讲稿共46 页抗生素的应用l（三）在食品保藏等方面的应用 在食品工业中，抗生素可以用作防腐剂。用抗生素作食品防腐剂，比冰冻、干燥、盐渍、酸渍等方法手续简便，抑菌面广，抑制能力强。在发酵工业上也有广泛的应用，如在谷氨酸发酵工业中应用青霉素提高谷氨酸的产酸率，国内外均用于生产。第18 页，本讲稿共46 页抗生素的生产方法l（一）生物合成法（微生物发酵法）工艺过程：第19 页，本讲稿共46 页抗生素的生产方法l（二）全化学合成法 氯霉素：第一个应用全化学合成法生产的抗生素
8、。特点：不耗费粮食，但易引起三废。第20 页，本讲稿共46 页抗生素的生产方法l（三）半化学合成法 在天然抗生素基础上进行结构修饰。第21 页，本讲稿共46 页抗生素发酵生产的特点l 1 菌体的生长和产物的形成不平行把抗生素发酵划分为二个不同的代谢期：生长期和生产期。l 抗生素发酵的目标是缩短生长期，延长生产期第22 页，本讲稿共46 页抗生素发酵生产的特点l2 产量很难用物料平衡来计算 这是由生产的复杂机制所决定的。第23 页，本讲稿共46 页抗生素发酵生产的特点l3 生产稳定性差 一般波动幅度在10%左右，主要受菌种的生产能力、培养基成分、原材料质量、中间代谢的控制、设备条件、操作条件及抗
9、生素本身的稳定性等因素影响。第24 页，本讲稿共46 页青霉素的生产工艺青霉素的概述生产菌的生物学特性发酵工艺过程提炼工艺过程第25 页，本讲稿共46 页概述发现（1）l 1929:Fleming在葡萄球菌培养皿中，污染的霉菌周围出现透明的抑菌圈l杀菌物质，断言太不稳定，无法分离并用作药物。l1939：牛津病理家Howard Florey化 学 家 Ernst Chain,Norman Heatley。发酵瓶培养霉菌，培养里提取，测活性，青霉素结晶。第26 页，本讲稿共46 页1940:8只鼠注射链球菌，提取物对4只治疗。未经治疗鼠在24小时内死亡，治疗鼠存活数天至数周。1941年2月开始治疗
10、第一批人类病人。1943：威斯康辛大学小组，取得突破生产菌表面培养：几十个单位。深层培养产黄青霉：100U/ml。X、UV诱变育种：10001500U/ml。不产色素变种：6600070000U/ml目前：85000U/ml。第27 页，本讲稿共46 页2.8.1 概述作用机理（2）细胞壁合成中的肽多糖合成的第三阶段肽多糖的D-丙氨酰-D-丙氨酸二肽类似物竞争性与转肽酶结合，使转肽酶不能催化多肽链之间的交联。生长中的细胞有效，静止细胞无效高效、安全的抗细菌感染药物第28 页，本讲稿共46 页2.8.1 概述应用（3）（1）临床抗感染治疗：大多数革兰氏阳性菌和某些革兰氏阴性细菌及螺旋体等。毒性小
11、，但需要皮试。（2）各种半合成抗生素的原料：氨苄青霉素，磺苄青霉素，乙氧萘青霉素头孢菌素母核。第29 页，本讲稿共46 页概述分子结构及衍生物（4）6-氨基青霉烷酸（6-aminopenicillanic6APA）苯乙酰衍生物。侧链基团不同，形成不同的青霉素G：苄基青霉素，C6H5CH2-CO-，为主双氢霉素F：戊青霉素X：对羟苄基青霉素F：2-戊烯基青霉素K：庚青霉素V：苯氧甲基青霉素产品：钠、钾、普鲁卡因、二苄基乙二胺NSCH3CH3COOHR CO NHO第30 页，本讲稿共46 页青霉素生产菌的生物学特性产黄青霉：Penicillium chrosogenum孢子:绿色和黄色菌落：平坦
12、或皱褶，圆形。青霉穗:分生孢子链状深层培养菌丝：球状和丝状两种。第31 页，本讲稿共46 页青霉素的发酵工艺及过程l（一）青霉素的发酵工艺及过程第32 页，本讲稿共46 页青霉素的发酵工艺及过程工艺要点：l1 菌种 产黄青霉，是1943 年从美国一位农妇的发霉甜瓜上分离得到的菌种，经改良形成。而Fleninmg 分离的点青霉，发酵单位低。目前全世界用于生产青霉素G 的菌种，发酵单位可达8500u/ml。第33 页，本讲稿共46 页青霉素的发酵工艺及过程工艺要点：l2 种子制备 以产生丰富的孢子（母斜和米孢子培养）和大量的菌丝体（种子罐制备）为目的，为达这一目的，在培养基中加入比较丰富的、容易代
13、谢的C 源（如葡萄糖或蔗糖），N 源（如玉米浆）、缓冲pH 的以及生长必需的无机盐，并保持最适生长温度（25 26%）和充分的通气、搅拌。第34 页，本讲稿共46 页青霉素的发酵工艺及过程工艺要点：l 3 发酵阶段l 生长期：菌丝快速生长l 生产期：菌丝生长速度降低，大量分泌青霉素。（1）通过加糖控制来促使青霉素的持续合成（补加葡萄糖）.第35 页，本讲稿共46 页青霉素的发酵工艺及过程工艺要点：l 3 发酵阶段l（2）补氮及加前体，补加硫酸铵、氨水、尿素，使发酵液氨氮控制在0.01%0.05%。补前体，在培养基加入一定的苯乙酸，但由于它们对青霉菌有一定的毒性，故一次加入量不能大于0.1%。要
14、采用中间多次补加方式。第36 页，本讲稿共46 页青霉素的发酵工艺及过程工艺要点：l 3 发酵阶段l（3）pH 控制：6.4 6.6，pH 不能超过7.0，因为青霉素G 在碱性条件下不稳定。用加葡萄糖来控制或加酸、碱自动控制。l（4）温度控制：一般前期25 26，后期23。以减少后期发酵液中青霉素的降解破坏。l（5）通气和搅拌l 溶氧浓度大于30%饱和度，通气比1:1-0.8VVM。l（VVM系每分钟内每单位体积发酵液通入空气的体积。）第37 页，本讲稿共46 页青霉素的提取与精制l 从发酵液中提取青霉素，目前工业上主要采用溶剂萃取法。青霉素与碱金属所生成的盐类在水中溶解度很大，而青霉素游离酸
15、易溶解于有机溶剂中。利用这一性质，将青霉素在酸性溶液中转入有机溶剂（醋酸乙酯、氯仿等）中，然后再转入中性水相中。经过这样反复几次萃取，就能达到提纯和浓缩的目的。第38 页，本讲稿共46 页提炼工艺过程青霉素不稳定，遇酸、碱、热分解失活水溶液中不稳定，非极性溶剂中稳定易溶于有机溶剂，水中溶解度很小青霉素盐很稳定；降解产物具有致敏性防止降解，条件温和、快速。第39 页，本讲稿共46 页1、预处理青霉素的存在部位：发酵液浓度较低：1030Kg/M3含有大量杂质：菌体细胞、核酸、杂蛋白质、细胞壁多糖等、残留的培养基、色素、盐离子、代谢产物等目的：浓缩目的产物，去除大部分杂质，改变发酵液的流变学特征，利
16、于后续的分离纯化过程。预处理:发酵液加少量絮凝剂沉淀蛋白第40 页，本讲稿共46 页2、过滤鼓式真空过滤机过滤：一次滤液：pH6.2-7.2，略浑，棕黄或绿色，蛋白质含量0.5-2.0%。板框式过滤机过滤：硫酸调节pH4.5-5.0，加入0.07%溴代十五烷吡啶，0.07%硅藻土为助虑剂。二次滤液：澄清透明，用于提取（收率90）第41 页，本讲稿共46 页3、溶剂萃取原理：青霉素游离酸易溶于有机溶剂，而霉素盐易溶于水。萃取剂：青霉素分配系数高的有机溶剂。工业上通常用：醋酸丁酯和醋酸戊酯。除去蛋白质：加0.05-0.1%乳化剂PPB。萃取：23次。第42 页，本讲稿共46 页逆流萃取过程正相萃取
17、：酸化pH1.8-2.0，滤液：醋酸丁酯1：0.3，碟片式离心机分离（浓缩1.5-2.1）反相萃取：pH6.8-7.4（磷酸盐、碳酸盐缓冲液）。把青霉素从丁酯中提取到缓冲液中。反复萃取23次，达到结晶要求。萃取条件：10下。萃取罐冷冻盐水冷却。第43 页，本讲稿共46 页4、脱色萃取液中添加活性炭，除去色素过滤，除去活性炭。第44 页，本讲稿共46 页5、结晶直接结晶加醋酸钠乙醇溶液反应：得到结晶钠盐。加醋酸钾乙醇溶液：得到青霉素钾盐。第45 页，本讲稿共46 页5、结晶共沸蒸馏结晶萃取液，再用0.5 M NaOH萃取pH6.4-6.8下得到钠盐水浓缩液。加 3-4 倍 体 积 丁 醇，16-26，真 空 0.67-1.3KPa）下蒸馏。水和丁醇形成共沸物而蒸出。钠盐结晶析出。结晶经过洗涤、干燥（60真空16h），磨粉，装桶，得到青霉素产品。第46 页，本讲稿共46 页