发酵设备及消毒灭菌

次级代谢
• 存在于某些生物中（如某些植物和微生物），并 在一定的生长期内出现的一类代谢。在抵御恶劣 环境、伪装躲避、清除自身毒素和排泄物时很重 要。
微生物初级代谢与次级代谢的关系
多糖、蛋白质、 脂肪、无机盐
分解 合成
初级代谢中间产 物（单糖、氨基 酸、核苷酸、脂
肪酸）
蛋白质、核酸、 粘多糖、脂多糖 等生物大分子
L/O/G/O
代谢调控
• 运用人为的方法对微生物的代谢调节系统进行遗 传改造和条件的控制，在保证微生物适当生长的 条件下，建立新的代谢方式，以期按照人们的意 志有目的地过量积累所需的代谢产物，提高生产 效率。
初级代谢
• 能使营养物质转变成机体的结构物质和对机体具 有生理活性作用的物质，或是为机体生长提供能 量的一类代谢。
分解代谢
生物合成
生长
抗生素、生物碱、色素、 毒素等次级代谢产物
代谢产物合成的调控
• 初级代谢对次级代谢的调节 • 碳代谢物的调节 • 氮代谢物的调节 • 磷酸盐的调节 • ATP的调节 • 诱导物调节 • 末端产物的反馈调节 • 细胞膜通透性调节 • 其他：金属离子、溶解氧等的调节
初级代谢对次级代谢的调节
根据抗生素的化学结构分
• β-内酰胺类：青霉素类、头孢菌素类 • 氨基糖苷类：链霉素、庆大霉素 • 大环内酯类：红霉素、麦迪加霉素 • 四环类：四环素、土霉素 • 多肽类：多粘菌素
• 20世纪80年代至今，根据作用机理理性筛选阶段， 包括耐药筛选模型等。
抗生素的分类
• 根据抗生素的生物来源分 • 根据抗生素的作用对象分 • 根据抗生素的作用机制分 • 根据抗生素的化学结构分
根据抗生素的生物来源分
• 放线菌产生的抗生素：链霉素、四环素、红霉素 • 真菌产生的抗生素：青霉素、头孢菌素 • 细菌菌产生的抗生素：多粘菌素、杆菌肽
根据抗生素的作用对象分
• 抗G+的抗生素：青霉素、红霉素 • 抗G-的抗生素：链霉素、多粘菌素 • 广谱抗生素：氨苄青霉素 • 抗真菌抗生素：两性霉素 • 抗病毒和噬菌体抗生素：氯霉素、艾霉素 • 抗原虫抗生素：灭滴虫素 • 抗癌抗生素：阿霉素、博莱霉素
根据抗生素的作用机制分
• 抑制细胞壁合成：青霉素、头孢菌素 • 抑制细胞膜功能：多粘菌素 • 干扰蛋白质合成：四环素 • 抑制核酸合成 ：博莱霉素、利福霉素 • 抑制生物能作用：抗霉素
• 发酵热
pH • 补加酸或碱和补料的方式
溶氧和CO2 • 溶氧异常下降 • 溶氧异常上升 ➢ 措施
泡沫 • 负面影响 • 措施
染菌 • 发酵前期染菌 • 发酵后期染菌
发酵终点的判断 • 提高产物的产量和经济效益 • 降低生产成本
➢ 主要指标与中间分析项目雷同
第五节 发酵工业中的 代谢调控
磷酸盐的调节
磷酸盐效应：类似于葡萄糖效应 机制： • 促进初级代谢、抑制次级代谢 • 抑制次级代谢产物前体的形成 • 阻遏某些关键酶的合成 • 抑制某些关键酶的活性 • 增加菌体能荷状态
Fra Baidu bibliotek
ATP的调节
• 直接影响次级代谢产物合成和糖代谢中某些酶的 活性。
• 如四环素的合成。
诱导物调节
• 某些参与次级代谢产物合成的酶为诱导酶。 • 需有诱导物存在，诱导酶才能形成。 • 如甲硫氨酸诱导头孢菌素C。
• 次级代谢产物以初级代谢产物为母体衍生而来。 • 次级代谢产物合成反应的酶由初级代谢途径的酶
演化而来。 • 因此，初级代谢终产物的过量往往会抑制次级代
谢产物的合成。
碳代谢物的调节
葡萄糖效应 解除方法 • 变更速效碳源和迟效碳源的配比； • 流加葡萄糖。
氮代谢物的调节
分解代谢物阻遏效应 解除方法 • 变更速效氮源和迟效氮源的配比； • 流加无机氮。
第四节 发酵工程制药的 过程与控制
L/O/G/O
种子的扩大培养
微生物发酵方式
• 分批发酵 • 补料分批发酵 • 半连续发酵 • 连续发酵
发酵过程中的中间分析项目
➢ 产物产量 ➢ pH ➢糖 ➢ 氨基氮 ➢ 菌丝形态
发酵过程的影响因素及控制
➢ 菌体浓度 ➢ 营养物质 ➢ 温度 ➢ pH ➢ 溶氧 ➢ 泡沫 ➢ 染菌 ➢ 发酵终点的判断
第三节 发酵设备及消毒灭菌
L/O/G/O
发酵的一般流程
培养基配制
种子扩大培养
空气除菌 发酵设备
培养基灭菌
发酵生产
下游处理
发酵设备——发酵罐
发酵罐的特点 ➢ 轴封严密，泄漏少 ➢ 能承受一定压力、温度 ➢ 搅拌通风装置保证气液充分混合 ➢ 具有足够的冷却面积 ➢ 死角少，灭菌彻底 ➢ 适宜的径高比（高与直径的比值为2.5—4）
末端产物的反馈调节
• 末端产物抑制合成途径中的第一个酶的活性，从而 降低产物合成代谢的能力。
• 原位产物分离偶联技术（in situ product removal， ISPR）
细胞膜通透性调节
• 利于代谢产物分泌到胞外，减少胞内浓度，从而 避免末端产物的反馈调节。
• 如：谷氨酸的生产，采取控制生物素浓度、添加 青霉素、添加吐温80等表面活性剂、选育油酸缺 陷型菌株等方法。
菌体浓度 • 在适合的生长速率下，发酵产物的产率与菌体浓
度成正比关系。特别是初级代谢产物。 • 菌体浓度过低，产物产率下降。 • 菌体浓度过高，产生其他影响。 • 措施：调节培养基中的营养物质的浓度。
营养物质 • 碳源 • 氮源 • 磷酸盐：生长亚适量浓度 • 补料：半饥饿状态
温度 • 考虑菌种及生长阶段 • 综合考虑其他培养条件 • 考虑菌种生长情况
发酵罐的类型 • 搅拌釜反应器 • 鼓泡式反应器 • 气升式反应器
发酵辅助设备
无菌空气系统 • 无菌空气的要求 灭菌系统、管道、阀门
培养基及其灭菌
培养基（medium） 培养基的成分 • 碳源、氮源、无机盐、前体物、促进剂、抑制剂
培养基的类型 • 按组成 • 按状态 • 按用途
培养基灭菌 • 空罐灭菌 • 实罐灭菌 • 连续灭菌：高温短时
抗生素的发酵生产
L/O/G/O
抗生素的定义
• 生物在其生产活动过程中所产生，并能在低微浓 度下有选择性地抑制或杀灭其他微生物或肿瘤细 胞的有机物。
发展历史
• 1929年，英国弗莱明发现青霉素。二战期间，大 规模发酵生产，世界上最早用于临床的抗生素 。
• 20世纪60-70年代，利用生物合成和半合成方法 研制抗生素衍生物。