生物制药发酵工程
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发酵工程制药
一 发酵工程的概念 二 发酵工程制药 三 发酵工艺流程 四 发酵下游加工
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发酵工程的概念
微生物学角度：指细胞将有机物氧化释放的电子交给中间产 物、释放能量并产生各种不同的代谢产物。发酵底物有糖类、 有机酸、氨基酸等。
生物化学角度：无氧条件下的低效产能反应，底物在酶催化 下脱氢，不经过呼吸传递而直接交给中间代谢产物。
灰黄霉菌
灰黄霉素
医药
黄曲霉菌
淀粉酶
医药、化工
各类放线菌 放线 菌 小单孢菌
链霉素、金霉素、氯霉素、新生霉素 、卡那霉素、土霉素、红霉素
医药
庆大霉素
医药
球孢放线菌 甾体激素
医药
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培养基制备
培养基是人工配制的供微生物细胞生长、繁殖、代谢和合成 各种产物的营养物质和原料，提供生长所必需的环境条件。
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发酵工程的类型
①微生物菌体发酵 以获得微生物菌体为目的。通过发酵生 产，可以获得与天然药用真菌具有同等疗效的药用产物。
②微生物酶发酵 例如如淀粉酶、糖化酶用于葡萄糖的生产， 青霉素酰化酶用来生产半合成青霉素的中间体6-氨基青霉素等。
③微生物代谢产物发酵 已知的微生物代谢产物中，大部分 都属于药物，如氨基酸、核苷酸、蛋白质、糖类等称为初级代 谢产物；抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子等称为次 级代谢产物。
第二次世界大战期间，青霉素的发现与大量生产，建立了 微生物液态深层发酵技术，带动了发酵工程技术的两个显著进 步：微生物转化甾体化合物，以谷氨酸发酵为代表的代谢控制 发酵技术。
20世纪70年代实现了基因的重组和转移。重组DNA技术给发 酵工程带来了划时代的变革。
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发酵工程制药
发酵工程制药指利用发酵工程技术来获取药物成分，其实质 是利用生物催化剂生产生物产品的过程的过程。
任何菌种，在生产和保藏的传代过程中，总会有不断的变异、 衰退现象。因此，生产过程中应不断改造菌种性能、培养优良 菌株的育种，必须做好菌种的保藏与复壮，恢复菌种优良性能。
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发酵工程制药的常用菌种
类别
菌种
产物
用途
枯草杆菌
淀粉酶、蛋白酶
制葡萄糖、糊精、糖浆
细菌
大肠杆菌 短杆菌
酰胺酶 谷氨酸、肌苷酸
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发酵工程制药的工艺流程
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发酵菌种
发酵菌种必须满足以下条件：菌种不能产生有害成分、有较 大的生产能力、产物有利于分离纯化、具有良好的繁殖能力、 原料来源广泛、具有较好的抗性和遗传稳定性。
发酵工程菌种的选育，常使用自然选育、诱变育种、杂交育 种、转导和转化、原生质体融合等方法，通过四个步骤完成： 样品采集、增殖培养、纯种分离和生产性能测定。
工业化角度：利用微生物的生命活动来大量生产或积累各种 代谢产物的过程，可以在无氧或有氧的条件下进行。如酒精发 酵、乳酸发酵和丙酮、丁醇发酵、抗生素发酵、醋酸发酵、氨 基酸发酵和维生素发酵等。
发酵工程技术，即利用微生物的发酵现象（包括细胞培养过 程），通过现代工程技术手段进行规模化生产，获得各种特定 的有用物质。
培养基和发酵设备的灭菌多数使用湿热灭菌法。 湿热灭菌有分批法和连续法两种方式。分批灭菌也称为实罐 灭菌、间歇灭菌或者实消。连续灭菌也称连消，空罐灭菌称为 空消。 过滤灭菌法常用于发酵过程中空气的灭菌。发酵用空气除菌 的方法很多，常用的流程为：空压机→冷却→分油水→总过滤 器→分过滤器。
化学工程的许多单元操作在发酵工程中都有广泛应用，两者 之间有很多的共性。
发酵工程制药工艺通常分为两个阶段：发酵和提取。 发酵是指菌种在一定培养条件下生长繁殖，合成产物的过程， 包括发酵原料的选择及预处理、微生物菌种的选育及扩大培养、 发酵设备选择及工艺条件控制等； 提取是指利用物理、化学方法，对发酵液中的产物进行提取 和精制的过程，包括发酵产物的分离提取、废弃物的处理等。
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基本营养源
类型
基本成分
原料来源
备注
大分子碳 源
（半）纤维素、 淀粉、脂肪、脂 肪酸
碳源
秸秆、棉籽壳、土豆粉、 玉米粉、糖蜜、各种动物 油
一般需要降解成单 糖或低聚糖后再被 利用
小分子碳 源
低聚糖（葡萄糖、蔗糖等）、有机酸（乙醇、 柠檬酸等）、醇类（乙醇、甘油）等
可直接利用
大分子碳 源
可直接被吸收利用 可直接被吸收利用
主要是相应的盐
可直接被吸收利用
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种子扩大培养
菌种扩大培养又称为种子制备或种子的扩大培养，目的是 使菌株数量增加，能够供发酵生产使用，其过程一般包括孢子 制备和种子制备。
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灭菌
灭菌是指利用物理或化学的方法杀死或除去物料及设备中所 有的微生物，包括营养细胞、细菌芽孢和孢子。常用的灭菌方 法有：干热灭菌法、湿热灭菌法、射线灭菌法、化学药品灭菌 法和过滤灭菌法。
蛋白质、多肽
氮源
小分子碳 源
氨基酸、氨、无 机氮盐类（硝酸 盐、铵盐等）
无机 常用无机 镁、磷、钾、硫
盐及 盐
、钙等
微量 元素
微量元素
钴、铜、铁、锰 、锌等
玉米粉、牛肉膏、酵母膏 等
一般需要降解成氨 基酸或短肽后再被 利用
游离氨基酸、氨水、硝酸 铵等
硫酸镁、磷酸二氢钾、磷 酸氢二钠、碳酸钙、氯化 钾等
制新型青霉素 医药、食用
蜡状芽孢杆菌 青霉素酶
青霉素检定
酵母
酵母 菌
假丝酵母
啤酒酵母
黑曲霉
甘油、酒精
医药、食用等
石油蛋白
医药、酵母菌体蛋白等
细胞色素C、辅酶A、酵母片、凝血素 医药
柠檬酸、单宁酶、糖化酶
医药、化工、食用
根霉
糖化酶、甾体激素
医药
霉菌
青霉菌 犁头霉
青霉素、葡萄糖、糖化酶 甾体激素
医药、食品 医药
培养基的种类很多，按照组成可分为天然培养基、半合成培 养基和合成培养基；依据在生产中的用途，又可分为孢子培养 基（供制备孢子培养用）、种子培养基（供孢子发芽和菌体生 长繁殖用）和发酵培养基（供菌体生长繁殖和合成大量代谢产 物用）。
培养基中含有提供微生物生长所必须的基本营养条件，包括 碳源、氮源、无机盐及微量元素等。
④微生物转化发酵 即利用微生物细胞的一种或多种酶把一 种化合物转化成结构相关的更有经济价值的产物，又称为酶工 程技术。
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发酵工程的发展
19世纪中叶Hale Waihona Puke Baidu法国人巴斯德通过实验证明了发酵原理。此 后，微生物的纯种分离、培养技术逐步建立，发酵技术从天然 发酵转变为纯粹培养发酵，开始乙醇、甘油、丙酮、丁醇、乳 酸、柠檬酸、淀粉成和蛋白质等的微生物纯种发酵生产。
一 发酵工程的概念 二 发酵工程制药 三 发酵工艺流程 四 发酵下游加工
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发酵工程的概念
微生物学角度：指细胞将有机物氧化释放的电子交给中间产 物、释放能量并产生各种不同的代谢产物。发酵底物有糖类、 有机酸、氨基酸等。
生物化学角度：无氧条件下的低效产能反应，底物在酶催化 下脱氢，不经过呼吸传递而直接交给中间代谢产物。
灰黄霉菌
灰黄霉素
医药
黄曲霉菌
淀粉酶
医药、化工
各类放线菌 放线 菌 小单孢菌
链霉素、金霉素、氯霉素、新生霉素 、卡那霉素、土霉素、红霉素
医药
庆大霉素
医药
球孢放线菌 甾体激素
医药
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培养基制备
培养基是人工配制的供微生物细胞生长、繁殖、代谢和合成 各种产物的营养物质和原料，提供生长所必需的环境条件。
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发酵工程的类型
①微生物菌体发酵 以获得微生物菌体为目的。通过发酵生 产，可以获得与天然药用真菌具有同等疗效的药用产物。
②微生物酶发酵 例如如淀粉酶、糖化酶用于葡萄糖的生产， 青霉素酰化酶用来生产半合成青霉素的中间体6-氨基青霉素等。
③微生物代谢产物发酵 已知的微生物代谢产物中，大部分 都属于药物，如氨基酸、核苷酸、蛋白质、糖类等称为初级代 谢产物；抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子等称为次 级代谢产物。
第二次世界大战期间，青霉素的发现与大量生产，建立了 微生物液态深层发酵技术，带动了发酵工程技术的两个显著进 步：微生物转化甾体化合物，以谷氨酸发酵为代表的代谢控制 发酵技术。
20世纪70年代实现了基因的重组和转移。重组DNA技术给发 酵工程带来了划时代的变革。
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发酵工程制药
发酵工程制药指利用发酵工程技术来获取药物成分，其实质 是利用生物催化剂生产生物产品的过程的过程。
任何菌种，在生产和保藏的传代过程中，总会有不断的变异、 衰退现象。因此，生产过程中应不断改造菌种性能、培养优良 菌株的育种，必须做好菌种的保藏与复壮，恢复菌种优良性能。
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发酵工程制药的常用菌种
类别
菌种
产物
用途
枯草杆菌
淀粉酶、蛋白酶
制葡萄糖、糊精、糖浆
细菌
大肠杆菌 短杆菌
酰胺酶 谷氨酸、肌苷酸
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发酵工程制药的工艺流程
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发酵菌种
发酵菌种必须满足以下条件：菌种不能产生有害成分、有较 大的生产能力、产物有利于分离纯化、具有良好的繁殖能力、 原料来源广泛、具有较好的抗性和遗传稳定性。
发酵工程菌种的选育，常使用自然选育、诱变育种、杂交育 种、转导和转化、原生质体融合等方法，通过四个步骤完成： 样品采集、增殖培养、纯种分离和生产性能测定。
工业化角度：利用微生物的生命活动来大量生产或积累各种 代谢产物的过程，可以在无氧或有氧的条件下进行。如酒精发 酵、乳酸发酵和丙酮、丁醇发酵、抗生素发酵、醋酸发酵、氨 基酸发酵和维生素发酵等。
发酵工程技术，即利用微生物的发酵现象（包括细胞培养过 程），通过现代工程技术手段进行规模化生产，获得各种特定 的有用物质。
培养基和发酵设备的灭菌多数使用湿热灭菌法。 湿热灭菌有分批法和连续法两种方式。分批灭菌也称为实罐 灭菌、间歇灭菌或者实消。连续灭菌也称连消，空罐灭菌称为 空消。 过滤灭菌法常用于发酵过程中空气的灭菌。发酵用空气除菌 的方法很多，常用的流程为：空压机→冷却→分油水→总过滤 器→分过滤器。
化学工程的许多单元操作在发酵工程中都有广泛应用，两者 之间有很多的共性。
发酵工程制药工艺通常分为两个阶段：发酵和提取。 发酵是指菌种在一定培养条件下生长繁殖，合成产物的过程， 包括发酵原料的选择及预处理、微生物菌种的选育及扩大培养、 发酵设备选择及工艺条件控制等； 提取是指利用物理、化学方法，对发酵液中的产物进行提取 和精制的过程，包括发酵产物的分离提取、废弃物的处理等。
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基本营养源
类型
基本成分
原料来源
备注
大分子碳 源
（半）纤维素、 淀粉、脂肪、脂 肪酸
碳源
秸秆、棉籽壳、土豆粉、 玉米粉、糖蜜、各种动物 油
一般需要降解成单 糖或低聚糖后再被 利用
小分子碳 源
低聚糖（葡萄糖、蔗糖等）、有机酸（乙醇、 柠檬酸等）、醇类（乙醇、甘油）等
可直接利用
大分子碳 源
可直接被吸收利用 可直接被吸收利用
主要是相应的盐
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种子扩大培养
菌种扩大培养又称为种子制备或种子的扩大培养，目的是 使菌株数量增加，能够供发酵生产使用，其过程一般包括孢子 制备和种子制备。
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灭菌
灭菌是指利用物理或化学的方法杀死或除去物料及设备中所 有的微生物，包括营养细胞、细菌芽孢和孢子。常用的灭菌方 法有：干热灭菌法、湿热灭菌法、射线灭菌法、化学药品灭菌 法和过滤灭菌法。
蛋白质、多肽
氮源
小分子碳 源
氨基酸、氨、无 机氮盐类（硝酸 盐、铵盐等）
无机 常用无机 镁、磷、钾、硫
盐及 盐
、钙等
微量 元素
微量元素
钴、铜、铁、锰 、锌等
玉米粉、牛肉膏、酵母膏 等
一般需要降解成氨 基酸或短肽后再被 利用
游离氨基酸、氨水、硝酸 铵等
硫酸镁、磷酸二氢钾、磷 酸氢二钠、碳酸钙、氯化 钾等
制新型青霉素 医药、食用
蜡状芽孢杆菌 青霉素酶
青霉素检定
酵母
酵母 菌
假丝酵母
啤酒酵母
黑曲霉
甘油、酒精
医药、食用等
石油蛋白
医药、酵母菌体蛋白等
细胞色素C、辅酶A、酵母片、凝血素 医药
柠檬酸、单宁酶、糖化酶
医药、化工、食用
根霉
糖化酶、甾体激素
医药
霉菌
青霉菌 犁头霉
青霉素、葡萄糖、糖化酶 甾体激素
医药、食品 医药
培养基的种类很多，按照组成可分为天然培养基、半合成培 养基和合成培养基；依据在生产中的用途，又可分为孢子培养 基（供制备孢子培养用）、种子培养基（供孢子发芽和菌体生 长繁殖用）和发酵培养基（供菌体生长繁殖和合成大量代谢产 物用）。
培养基中含有提供微生物生长所必须的基本营养条件，包括 碳源、氮源、无机盐及微量元素等。
④微生物转化发酵 即利用微生物细胞的一种或多种酶把一 种化合物转化成结构相关的更有经济价值的产物，又称为酶工 程技术。
后退 前进 目录 返回
发酵工程的发展
19世纪中叶Hale Waihona Puke Baidu法国人巴斯德通过实验证明了发酵原理。此 后，微生物的纯种分离、培养技术逐步建立，发酵技术从天然 发酵转变为纯粹培养发酵，开始乙醇、甘油、丙酮、丁醇、乳 酸、柠檬酸、淀粉成和蛋白质等的微生物纯种发酵生产。