第八章 抗生素的发酵生产

1、第八章第八章 抗生素的发酵生产抗生素的发酵生产化工学院化工学院 制药工程系制药工程系沈齐英沈齐英 抗生素一般概况抗生素一般概况 内容内容 青霉素发酵生产青霉素发酵生产 1928 1928年发现抗生素年发现抗生素青霉素（丝状真菌）青霉素（丝状真菌） 19401940年成功地研究出从点青霉培养液中提取青霉素的方法年成功地研究出从点青霉培养液中提取青霉素的方法 19411941年抗生素人体实验取得成功年抗生素人体实验取得成功 19431943年青霉素首次在美国工业生产年青霉素首次在美国工业生产 19441944年青霉素临床应用年青霉素临床应用 19441944年发现链霉素（放线菌年发现链霉素（放线菌

2、 19521952年获诺贝尔奖）年获诺贝尔奖） 19471947年人们找到了第一个广谱抗生素年人们找到了第一个广谱抗生素氯霉素氯霉素 19561956年发现头孢菌素年发现头孢菌素 六十年代开始，半合成抗生素开始迅速发展六十年代开始，半合成抗生素开始迅速发展第一节第一节 抗生素发酵生产一般概况抗生素发酵生产一般概况一、抗生素生产的发展过程一、抗生素生产的发展过程 六十多年来，全世界近六十多年来，全世界近180180个国家中，约有个国家中，约有4040个国家开展抗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

3、余种，并以其中一些主要抗生素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、如青霉素、头孢菌素、四环类抗生素、氨基糖苷类抗生素等头孢菌素、四环类抗生素、氨基糖苷类抗生素等) )为原料，进行为原料，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。生物及盐类共四百种左右。 我国抗生素的研究及生产均取得了很大成就，抗生素的总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

4、年代是抗生素大发展时代，六十年代产量已居世界前列。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，但由于然继续发展，但由于“十年文革十年文革”，使基础理论科研工作基本，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。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、技术水平及就目前情况来说，我国抗生素在品种、质量、技

5、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。生产设备等方面与国际先进水平比较，尚有一定的差距。选择性作用选择性作用抗菌谱抗菌谱选择性毒力选择性毒力毒副作用毒副作用引起细菌耐药引起细菌耐药微生物在生命活动过程中产生的，在低浓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，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。甚至杀死它种微生物的化学物质。 （抑（抑菌为主）菌为主）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、抗生素的抗菌作用机理、抗生素的抗菌作用机理第八章第八章 抗生素的发酵生产抗生素的发

6、酵生产4 4、新抗生素的寻找、新抗生素的寻找 目标、方向目标、方向抗肿瘤抗肿瘤抗耐药金黄色葡萄球菌抗耐药金黄色葡萄球菌抗绿脓杆菌抗绿脓杆菌 抗病毒抗病毒第八章第八章 抗生素的发酵生产抗生素的发酵生产: :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) )的质量作的质量作 为效价单位，即为效价单位，即1 1微克作为一个效价单位微克作为一个效价单位 (1mg (1mg1000g=1000U)1000g=1000U)。单位体积（单位体积（mL)mL)或单位质量（或单位质量（mg)mg)制剂中所含某种抗生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。效价素的有效成分的多

7、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。性能的标志。5 5、抗生素的剂量表示法、抗生素的剂量表示法 效价单位（效价单位（IUIU、U)U)表示方法表示方法稀释单位稀释单位质量单位质量单位: :抗生素配成溶液，逐步进行稀释，以抑制一抗生素配成溶液，逐步进行稀释，以抑制一 标准菌株生长发育的最高稀释度标准菌株生长发育的最高稀释度( (即最小剂即最小剂量量) )作为作为1 1个效价单位。个效价单位。第八章第八章 抗生素的发酵生产抗生素的发酵生产 - -内酰胺类内酰胺类青霉素、头孢菌素青霉素、头孢菌素 大环内

8、酯类大环内酯类红霉素红霉素 氨基糖苷类氨基糖苷类链霉素链霉素 四环类四环类土霉素土霉素 分类分类 多肽类多肽类杆菌肽杆菌肽 多烯类多烯类制霉菌素制霉菌素 苯烃基胺类苯烃基胺类氯霉素氯霉素 蒽环类蒽环类阿霉素阿霉素 环桥类环桥类利福霉素利福霉素 干扰细胞壁的合成干扰细胞壁的合成 抑制蛋白质合成抑制蛋白质合成抗菌机理抗菌机理 改变细胞膜的通透性改变细胞膜的通透性 抑制核酸合成抑制核酸合成 作用于能量代谢系统作用于能量代谢系统6 6、抗生素的分类、抗生素的分类青霉素青霉素天然存在的天然存在的8种抗生素种抗生素不稳定不稳定, ,半衰期半衰期18min18min菌体的生长与产物的形成不平行菌体的生长与产

9、物的形成不平行次级代谢产物次级代谢产物理论产量难以用物料平衡来计算理论产量难以用物料平衡来计算 生产稳定性差生产稳定性差染菌问题突出染菌问题突出抗生素稳定性和质量问题突出抗生素稳定性和质量问题突出动力消耗大动力消耗大原料转化率低原料转化率低7 7、抗生素的生产、抗生素的生产生产方法生产方法发酵法（生物合成）发酵法（生物合成）半化学合成半化学合成化学合成化学合成生产特点生产特点一、种子制备一、种子制备青霉素发酵生产菌种（丝状真菌）青霉素发酵生产菌种（丝状真菌）第二节第二节 青霉素的发酵生产青霉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产黄青霉菌生产过程可分为三个不同的代谢时期 菌丝生

10、长繁殖期菌丝生长繁殖期: :培养基中碳源和氮源被迅速利用，培养基中碳源和氮源被迅速利用， 菌丝浓度增加很快，菌丝浓度增加很快，26-2726-27代谢时期代谢时期 青霉素分泌期青霉素分泌期: :菌丝生长停止菌丝生长停止, ,间隙添加碳源、间隙添加碳源、 氮源和前体氮源和前体, 25, 25青霉素分泌旺盛青霉素分泌旺盛 菌体自溶期菌体自溶期: :菌体衰老自溶菌体衰老自溶, ,青霉素分泌停滞青霉素分泌停滞,pH,pH上升。上升。青霉素青霉素次级代谢产物（代谢途径不清）次级代谢产物（代谢途径不清）碳源：最适乳糖，主要使用淀粉水解糖碳源：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、

11、尿素等氮源：最适玉米浆，主要使用花生饼粉、尿素等前体：苯乙酰胺和苯乙酸前体：苯乙酰胺和苯乙酸无机盐：无机盐：S S、P P、CaCa、MgMg、K K、FeFe二、培养基二、培养基培养基中各组分质量的稳定性是获得连续、高产的关键；培养基中各组分质量的稳定性是获得连续、高产的关键；青霉素的生产应定品种、定产地、定加工方法、定贮存条件、青霉素的生产应定品种、定产地、定加工方法、定贮存条件、定统一质量标准定统一质量标准三、发酵工艺及过程三、发酵工艺及过程目前青霉素发酵工艺控制（分批补料）主要有以下几个方面：目前青霉素发酵工艺控制（分批补料）主要有以下几个方面：碳源控制（加糖）：依据残糖量、发酵过程的

12、碳源控制（加糖）：依据残糖量、发酵过程的pHpH及菌丝形及菌丝形 态。一般在态。一般在28-30h28-30h，残糖在，残糖在0.50.5-0.8-0.8,pH6.5,pH6.5以上以上, ,菌丝内菌丝内 产生空泡产生空泡, ,按照按照0.05%-0.06%/h,10.05%-0.06%/h,1次次/2h/2h。氮源及添加前体：依据氮源及添加前体：依据pHpH、菌丝形态及发酵单位。一般在、菌丝形态及发酵单位。一般在30h30h 后，后，45-50h45-50h是合成青霉素合成能力最旺盛的时期，是合成青霉素合成能力最旺盛的时期， pH6.2-pH6.2- 6.4 6.4，1 1次次/3h/3h，

13、其数量根据菌丝形态、，其数量根据菌丝形态、pH pH 和发酵单位的增长和发酵单位的增长 速度而定。速度而定。pHpH控制：主要通过添加碳源和氮源控制。控制：主要通过添加碳源和氮源控制。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，种子罐度，种子罐2727，发酵罐发酵罐27-2627-26，分期变温培养。，分期变温培养。通气与搅拌：青霉素深层发酵培养需通入一定量的空气，并通气与搅拌：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。不断搅拌以保证溶解氧的浓度。泡沫与消泡泡沫与消泡: :消泡剂、植物油、聚醚树脂类消

14、泡剂。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、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。和良好的种子；遇发酵单位停滞不长可酌情提前放罐。溶媒萃取溶媒萃取活性炭吸附（很少用）活

15、性炭吸附（很少用）沉淀法或离子交换法（未应用）沉淀法或离子交换法（未应用） 第三节第三节 青霉素的分离提取青霉素的分离提取用一种溶媒将抗生素自用一种溶媒将抗生素自另一种溶媒另一种溶媒( (发酵液发酵液) )中中提取出来。提取出来。一、青霉素的提取方法一、青霉素的提取方法 利用抗生素在不同条件下以不同的化学状态利用抗生素在不同条件下以不同的化学状态( (游离酸、碱或游离酸、碱或成盐状态成盐状态) )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，使抗生素从一种液体转移到另一种液体之中，以达同的特性，使抗生素从一种液体转移到另一种液体之中，以达

16、到浓缩和提纯的目的，这种提取方法称为溶媒萃取法。到浓缩和提纯的目的，这种提取方法称为溶媒萃取法。( (缓冲液缓冲液 青霉素青霉素G G钾钾) ) 水相水相油相油相水相水相( (发酵液发酵液 青霉素青霉素G)G)( (醋酸丁酯醋酸丁酯 青霉素青霉素G)G)溶媒应具备：不能混溶或部分混溶，以能形成两相而便于分离，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。对抗生素应有较大的溶解性和选择性。pH 5pH 5以下以下温度温度 1010以下以下时间时间影响青霉素提取的主要因素影响青霉素提取的主要因素工业青霉素工业青霉素G G钾盐提取工艺及过程钾盐提取工艺及

17、过程 注射用青霉素注射用青霉素G G钾盐提取工艺及过程钾盐提取工艺及过程注射用普鲁卡因青霉素注射用普鲁卡因青霉素G G提取工艺及过程提取工艺及过程发酵液预处理及过滤发酵液预处理及过滤 萃取萃取 脱水脱色脱水脱色 反萃取反萃取 结结晶晶 过滤洗涤过滤洗涤 干燥干燥 精制精制 质量检验质量检验 包装包装二、青霉素（抗生素）精制二、青霉素（抗生素）精制除热源、除菌除热源、除菌 热源：在发酵过程中菌种所产生的代谢产物（毒素），是一热源：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，种不挥发性的大分子有机物质。它能溶于水，120120加加 热热2h2h能破坏能破坏9090，250250加热加热30min30min可以彻底破坏；能可以彻底破坏；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。引起休克。输液反应输液反应除菌：除菌：过滤除菌过滤除菌第八章第八章 抗生素的发酵生产抗生素的发酵生产外观形状外观形状酸碱性酸碱性水分水分比旋光度比旋光度杂质吸收度杂质吸收度安全试验安全试验热源试验热源试验无菌试验无菌试