生物制药工艺学-抗生素类药物

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三、抗生素的生产方法
——发酵液的预处理：蛋白
➢ 利用其在等电点时凝聚的特点而将其去除
➢ 对热稳定的抗生素发酵液可用加热法
➢ 加入絮凝剂
✓ 原理：它是一种能溶于水的高分子化合物。絮凝剂分子中电荷密 度很高，它的加入使胶体溶液电荷性质改变，异性相吸，从而使 溶液中蛋白质絮凝。
✓ 对絮凝剂的化学结构一般有下列几种要求：
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一、概 述
——医用抗生素应具备条件
(1)最小抑菌浓度要低；
致病菌 及肿瘤
(2)抗菌谱要广； (3)致病菌在体内对该抗生素不易产生耐药性；
正常组织 细胞 血液等
(4)较大的差异毒力； (5)不易引起过敏反应； (6)在体内易吸收、快分布、弱结合、不破坏等
(7)具备较好的理化性质和稳定性，以利于提取、 制剂和贮藏
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二、分类
G、获得途径等分类
➢天然抗生素（发酵工程抗生素） ➢半合成抗生素 ➢生物转化与酶工程抗生素 ➢基因工程抗生素
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三、抗生素的生产方法
A. 生物合成法（即微生物发酵法） B. 全化学合成法（即化学合成法） C. 半化学合成法（即半合成法）
Eg.生物合成法制得青霉素G钾盐，进行裂解反应得 到6-氨基青霉烷酸（6-APA），再用化学方法在母 核6-APA的6位碳原子位置上接上不同侧链，即可 得到一系列新型抗生素（即半合成青霉素）。
➢氨基酸、肽类衍生物
青霉素、头孢菌素等寡肽抗生素
➢糖类衍生物
链霉素糖苷类抗生素
➢以乙酸、丙酸为单位的衍生物
红霉素等丙酸衍生物
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二、分类
F、根据医疗作用对象、作用性质、应用 范围等分类
➢医疗作用对象
抗感染、抗肿瘤、降血脂等
➢作用性质
繁殖期杀菌、静止期杀菌、速效抑菌、慢效抑菌
➢应用范围
医用、农用、畜用、食品保藏
孢子制备 种子制备
发酵阶段
前体
发酵
发酵液预处理及过滤
提取及精制
成品检验
提取阶段
成品包装
三、抗生素的生产方法
——抗生素的提取
➢ 目的：从发酵液中制取高纯度的符合药典规定的抗生素成品
➢ 在发酵滤液中抗生素浓度很低，而杂质的浓度相对地较高。 杂质中有无机盐、残糖、脂肪、各种蛋白质及其降解物、色 素、热原质或有毒性物质等。此外，还可能有一些杂质其性 质和抗生素很相似，这就增加了提取和精制的困难。
1. 加强基础理论和新技术的应用 2. 选育抗性菌种和新型菌种 3. 大力发展农业抗生素
抗生素发酵 工业
青霉素 的分离
1940-
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第一节 抗生素类药物
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一、概 述
——定义
抗生素是生物，包括微生物、植物和动物在 内，在其生命活动过程中所产生的（或由其它 方法获得的），能在低微浓度下有选择地抑制 或影响它种生物功能的有机物质。
C、根据抗生素的化学结构分类
D、根据抗生素的作用机制分类
E、根据抗生素的生物合成途径分类
F、根据医疗作用对象、作用性质、应用 范围等分类
G、获得途径等分类
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二、分类
A、根据抗生素的生物来源分类
➢放线菌产生的抗生素 ➢真菌产生的抗生素 ➢细菌产生的抗生素 ➢其它生物（植物、动物、海洋生物等）产
生的抗生素
a. 其分子中必须有相当多的活性基团，能和悬浮颗粒表面相结合。 b. 必须具有长链线性结构，但其相对分子质量(分子量)不能超过一定限
度，以使其有较好的溶解度
✓ 在发酵滤液中多数胶体粒子带负电荷，因而用阳离子絮凝剂功效 较高
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三、抗生素的生产方法
——发酵液的过滤
发酵液为非牛顿型液体、很难过滤。过滤的难易与发酵培养基和工艺条 件，以及是否染菌等因素有关。
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一、概 述
——命名
(1) 凡是有动植物或菌类产生的抗生素，其命名根 据动物学、植物学或菌属类的名称而定。例如： 青霉素、链霉素、蒜素、黄连素、鱼素等。
(2) 抗生素的化学结构或性质已经明确可根据其族 命名，例如：四环素、氯霉素、重氮丝氨酸等。
(3) 对一些有纪念意义或按抗生素产生菌的出土地 方命名及习惯上已采用的俗名仍可继续使用。例 如：庐山霉素、平阳霉素、井冈霉素等。
OH
OH O OH
O O
R4
O
ORO2
HN OH ONH2
OH
R3 链霉素
OH
大环内酯类 OH
HO
N
四环素
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二、分类
——D根据作用机制分类
抑制蛋白质合成
➢抑制50S亚基 氯霉素 大环内酯类 林可霉素
➢抑制30S亚基 氨基苷类 四环素 链霉素
50
50
50
30
30
30
抑制核酸合成
➢干扰解旋酶 喹诺酮类
发酵液中的杂质如高价无机离子(Ca2+、 Mg2+、Fe3+)和蛋白质在离子交换的过程中 对提炼影响甚大，不利于树脂对抗生素的 吸附
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三、抗生素的生产方法
——发酵液的预处理：金属离子
➢ 如加磷酸(或磷酸盐)，则既能降低钙离子浓度，也易 于去处镁离子。
Na5P3O10+Mg2+→MgNa3P3O10+2Na+
✓ 或采用菌丝接种。
✓ 有的是从摇瓶培养开始，再接入到种子罐进行逐级扩大培养
➢ 在培养过程中对菌丝形态和生化指标进行分析，确保种子 质量之后方可移种。
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菌种
孢子
种子
三、抗生素的生产方法
——发酵
➢ 发酵过程的目的是使微生物大 量分泌抗生素。
➢ 在发酵开始前，有关设备和培 养基也必须先经过灭菌后再接 入种子。接种量一般为10%或 10%以上，发酵期视抗生素品 种和发酵工艺而定，在整个发 酵过程中，需不断通无菌空气 和搅拌，以维持一定罐压或溶 氧。
✓ 过滤如用板框压滤则劳动强度大，影响卫生，菌丝流入下水道时还影响污 水处理。
✓ 选用鼓式真空过滤机为宜，并在必要时在转鼓表层涂以助滤剂硅藻土。当 转鼓旋转时，以刮刀将助滤剂连同菌体薄薄刮去一层，以使过滤面不断更 新。
✓ 另一种设备是自动出渣离心机，但所排出的菌丝滤渣中尚含有较大量的发 酵液，因此如要提高过滤收率，可将此滤渣以水洗后再次用同样型号离心 机分离。第一次和第二次离心分离液体合并后进入下一工序。
——A真菌产生的抗生素
真菌的四个纲中，藻菌纲及子囊菌纲产生 的抗生素较少，担子菌纲稍多，而不完全 菌纲的曲菌属、青霉菌属和头孢菌属则产 生一些重要的抗生素。曲菌属产生的有桔 霉素（citrinin）等。青霉菌属产生的有青 霉素和灰黄霉素等。头孢菌属产生的有头 孢菌素等。
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二、分类
——A细菌产生的抗生素
细菌产生的抗生素的主要来源是多粘杆菌、 枯草杆菌（芽孢杆菌）、短芽孢杆菌等。 这一类抗生素如多粘菌素、杆菌肽、短杆 菌素(tyrothricin)等，具有复杂的化学结构， 是环状或链状多肽类物质，由肽链将多种 不同氨基酸结合而成，含有自由氨基，其 化学性质一般为碱性。
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二、分类
——A其它生物产生的抗生素
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一、概 述
——生物效价表示方法
1. 稀释单位（u/mg或u/mL）
将抗生素配成溶液，逐步进行稀释，以抑制 某一标准菌株生长发育的最高稀释度（即最小剂 量）作为效价单位。
Eg.链霉素以在1mL肉汤培养液中完全抑制大肠杆菌标准菌 株发育所需要的最小剂量作为链霉素效价的一个单位
2. 重量单位（多用）
以抗生素的有效成分的重量作为抗生素的单 位，称为重量单位。
产量的抗生素生产能力； ✓ 培养条件粗放，发酵过程易于控制； ✓ 合成的代谢副产物少，生产抗生素的质量好。
24 菌种
三、抗生素的生产方法
——孢子制备
➢ 制备孢子时，将保藏的处 于休眠状态的孢子，通过 严格的无菌手续，将其接 种到经灭菌过的固体斜面 培养基上。
➢ 为获得更多数量的孢子供 生产需要，必要时可进一 步用扁瓶在固体培养基 (如小米、大米、玉米粒 或麸皮)上扩大培养。
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一、概 述
——生物效价举例
1. 一个青霉素的效价单位：为能在50mL肉汤 培养基中完全抑制金黄色葡萄球菌标准菌株的 发育的最小青霉素剂量； 2. 一个青霉素G钠盐单位的重量为0.6μg
1mg青霉素G钠盐能抑83300mL的葡萄球菌，因 此它含有(83300÷50)=1667u 或 1u=0.6μg
抗生素类药物
Antibiotics
抗生素发展史
某些微生物 对炭疽杆菌 有抑制作用
19世纪 70s
19世纪 70s
细菌的培养 物喷于结核 病人喉头后， 痰中结核菌
消失
19世纪末 20世纪初
1928
乳酸杆菌抑
污染在培养
制人体肠道
葡萄糖双碟
内寄居的有
上的一株霉
害腐生菌
菌能杀死周
我国抗生素加强的几个方面：围葡萄球菌
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一、概 述
——抗菌谱的定义
把某种抗生素所能抑制或杀灭病原体的 范围称之为该种抗生素的抗菌谱。
➢ 抗革兰氏阳/阴性细菌 ➢ 抗真菌：放线菌素 ➢ 抗结核分枝杆菌：链霉素 ➢ 抗癌细胞：博来霉素 ➢ 抗病毒和噬菌体：艾霉素 ➢ 抗原虫等：四环类等
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二、分类
A、根据抗生素的生物来源分类
B、根据抗生素的作用对象分类
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A.生物合成法的一般流程图
菌种
孢子制备 种子制备
发酵阶段
பைடு நூலகம்
前体
发酵
发酵液预处理及过滤
提取及精制 成品检验
提取阶段
成品包装
三、抗生素的生产方法
——菌种选育
➢ 工业上常用的菌种都是经过人工选育， 具备工业生产要求。
➢ 性能优良的生产菌种应具备的条件
✓ 生长繁殖快，发酵单位高； ✓ 遗传性能稳定，在一定条件下保持持久的、高
➢干扰拓扑酶 蒽环酮类:阿霉素
➢抑制DNA依赖的RNA聚 合酶
利福平 ➢干扰叶酸代谢
TMP；磺胺；PABA
抑制生物能作用
✓抑制电子转移：抗霉素 ✓抑制氧化磷酸化作用
短杆菌肽S、寡霉素
破坏细胞膜
多粘菌素（多肽类）
破坏细胞壁合成
β-内酰胺类
万古霉素
环丝氨酸
杆菌肽
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二、分类
E、根据抗生素的生物合成途径分类
✓ 再一种设备称倾析器(De canter)。它既可用于固、液相的分离，也可用 于固相、有机溶媒相和水相三者的混合和分离，从而将过滤菌丝和溶媒萃 取这两步合并在这一设备中完成。这就简化了发酵液后处理工艺，提高了 收率，并缩短了生产周期，也节约了劳动力、厂房和成本。
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A.生物合成法的一般流程图
菌种
➢ 如加草酸与钙离子生成的草酸钙，还能促使蛋白质凝 固以提高发酵滤液的质量。
H2C2O4+Ca2+→CaC2O4↓+2H+
➢ 如加黄血盐及硫酸锌，则前者有利于去除铁离子，后 者有利于凝固蛋白质。此外，这二者还有协同作用。 它们所产生的复盐对蛋白质有吸附作用。
2K4Fe(CN)6+3ZnSO4→K2Zn3[Fe(CN)6]2↓+3K2SO4
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二、分类
——A放线菌产生的抗生素
放线菌中以链霉菌属产生的抗生素最多， 诺卡菌属较少。放线菌产生的抗生素主要 有氨基糖苷类（链霉素、新霉素、卡那霉 素等）、四环类（四环素、金霉素、土霉 素等）、放线菌素类(放线菌素D等)、大环 内酯类（红霉素、螺旋霉素、柱晶白霉素 等）和多烯大环内酯类等。
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二、分类
➢ 植物产生的抗生素，如地衣和藻类植物产生的地衣酸 （vulpinic acid）和绿藻酸(chlorellin)，从被子植物如蒜 和番茄等植物的组织或果实中制得的蒜素(allicin)和番茄 素(tomatin)，裸子植物如银杏、红杉等也能产生抗生物 质。
➢ 中药中已提纯的抗生物质有常山碱、黄连素、白果酸及白 果醇等。植物产生的抗生素主要是杂环及脂环类物质。
➢ 动物的多种组织能产生溶菌酶(lysozyme)或一些抗生素， 如从动物的心、肺、脾、肾、眼泪、涎水中可提取出色素 (ekmolin)，有抗菌及抗病毒等作用。
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二、分类
B、根据抗生素的作用对象分类
➢抗革兰氏阳/阴性细菌 ➢抗真菌：放线菌素 ➢抗结核分枝杆菌：链霉素 ➢抗癌细胞：博来霉素 ➢抗病毒和噬菌体：艾霉素 ➢抗原虫等：四环类等
➢ 发酵过程中主要控制罐温、通
气量及搅拌转速、补料、加酸
碱、消泡剂、某些专用前体、
促进剂或抑制剂的用量。
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菌种
孢子
种子
发酵
A.生物合成法的一般流程图
菌种
孢子制备 种子制备
发酵阶段
发酵
发酵液预处理及过滤
提取及精制 成品检验
提取阶段
成品包装
三、抗生素的生产方法
——发酵液的预处理和过滤
目的：不仅在于分离菌丝，除去杂质。
➢ 培养时，需控制适宜的湿
度、温度及通风量等条件。 25
菌种
孢子
三、抗生素的生产方法
——种子制备
➢ 种子培养的目的是使孢子发芽、繁殖以获得足够数量的菌 丝，以便接种到发酵罐中。
➢ 先制备孢子悬浮液，通过微孔差压法或打开接种口在火焰 保护下接种
✓ 将孢子悬浮液接入一级种子罐，扩大培养级数通常为二级。
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二、分类
C、根据抗生素的化学结构分类 R H
H
S
N
S
➢β-内酰胺类抗生素 R N
NHO
N
O
➢氨基糖苷类抗生素
O
O
N OH2N
ONH O
HO HO
HO
O
O
➢大环内酯类抗生素
青HR霉2N1 素类
H N
OH NH
OH
O OH
H头O孢菌N素类
O
O O
HO
➢四环类抗生素 ➢多肽类抗生素等
O OH O
O
OH