抗生素生产工艺

• 九十年代各国首次应用的抗细菌抗 生素共24种，其中有头孢菌素14种， 碳青霉烯2种，青霉烯1种，β-内酰 胺酶抑制剂与其制剂1种，氨基糖苷、 大环内酯与安莎类抗生索各2种。新 上市的合成抗菌药共10种，包括喹 诺酮类化合物9种和二氢叶酸还原酶 抑制剂1种。
STRUCTURE OF PENICILLIN
2、发酵工艺流程
1）丝状菌发酵工艺流程
[孢子培养] 25℃,6～7 天 [种子培养] 25℃,13～15h,1:1.5(v/v/min) [孢子培养] 25℃,6～7 天 [种子培养] 25℃,40～45h,1:2.0(v/v/min) [冷至 15℃]
砂土管—→斜面母瓶————→大米孢子————→种子罐—————————————→ 繁殖罐
• 生产米孢子 •
发酵罐培养 发酵罐
种子罐培养 种子罐 28度，50-60h，1.5v/(v*min)
种子液
发酵液
26度，PH6.7-7.0，6-7d• 1）丝状菌：种子：砂土孢子接入斜面上，25℃培 养6～7天，制成悬液，接入大米茄子瓶内，经25℃ 培养6～7天，制成大米孢子，真空干燥。 • 生产时按接种量移入种子罐（葡萄糖、玉米浆、尿 素），25℃培养40～45小时，菌丝浓度达40%以 上，按10%-15%接种量移入繁殖罐（花生饼粉、葡 萄糖）内。
5）酶与辅酶类药物
链激酶、L-天冬酰胺酶
6）酶抑制剂
克拉维酸、洛伐他汀
7）免疫调节剂
免疫抑制剂环抱菌素A-器官移植
8）甾体类激素
洛伐他汀结构图
其他还有受体拮抗剂、抗氧化剂、抗生素增效剂
• 3、抗生素的定义：是生物（包括微生物、 植物、动物）在其生命活动中产生的（或 在生物产物的基础上经化学、生物或生物 化学方法衍生的）、在低微浓度下能选择 性地抑制他种生物机能的相对低分子质量 （Mr）化学物质。如青、链、红霉素和四 环素等。 • 特点：1、生物体产生，多数是由微生物发 酵生产。2、生理活性高，低浓度即可起作 用。3、相对分子质量低。4、对生物的抑 制或杀灭作用有选择性。
四环素、金霉素、土霉素
（5）多肽类抗生素
多粘菌素、放线菌素、杆菌肽
（6）多烯类抗生素
两性霉素、曲古霉素、制霉菌素
（7）蒽环类抗生素
柔红霉素、阿霉素、正定霉素
（8）苯羟基胺类抗生素
氯霉素、甲砜氯霉素
（9）环桥类抗生素
利福霉素
（10）其他抗生素
磷霉素、创新霉素
根据抗生素的作用对象分类： ①抗革兰氏阳性细菌：青霉素、红霉素 ②抗革兰氏阴性细菌：主要有多粘菌素 ③抗真菌：制霉菌素、灰黄霉素、两性霉素 ④抗结核分枝杆菌：链霉素、新霉素、卡那霉素 ⑤抗癌: 放线菌素D、博来霉素、阿霉素 ⑥抗病毒： 四环类抗生素、艾霉素(ehrlichin) ⑦抗原虫的抗生素 巴龙霉素、抗滴虫霉素、蒜素
培养基
• 碳源： 提供能量 如乳糖、蔗糖、葡萄糖、淀粉、天然油脂等。乳 糖能被产生菌缓慢利用而维持青霉素分泌的有利 条件，故为最佳碳源，但价格高，普遍使用有困 难。天然油脂如玉米油、豆油也能被缓慢利用作 为有效的碳源，但不可能大规模使用。目前生产 上用的碳源是葡萄糖母液和工业用葡萄糖。 丝状菌补糖一般在残糖降至0.6%左右、PH上升后 开始加，0.07-0.15%/次，次/h;球状菌在PH高于 6.5时开始加糖。
根据抗生素的作用机制分类
三、抗生素的应用
• 1、在医疗上的应用： • 1）抗细菌感染 • 2）抗真菌感染：灰黄霉素-皮肤真菌；制霉 菌素-念珠菌、隐球菌等深部真菌。 • 3）抗病毒：主要是核苷酸类 • 4）抗肿瘤：丝裂霉素、博来霉素、柔红霉 素、阿霉素。 • 5）抗原虫
• 2、在农业方面： • 我国能生产的农业抗生素：井冈霉素；春 雷霉素；杀稻瘟霉素；多氧霉素；杀粉蝶 素；沙利霉素；庆丰霉素和赤霉素。 • 应用于抗真菌、抗细菌、杀虫除草和植物 生长调节。
2.微生物药物的分类
• • • • • • • • 抗生素类药物 维生素类药物 氨基酸类药物 核酸类药物 酶与辅酶类药物 酶抑制剂 免疫调节剂 甾体类激素
1）抗生素
2）维生素
维生素B2
维生素C
β-胡萝卜素
β-胡萝卜素
3）氨基酸
目前大部分氨基酸可用发酵法生产
4）核酸类药物
如肌苷酸，腺苷酸，肌苷，腺苷等
• 溶菌酶不属于抗生素；只能用化学方法合成，不 能由微生物产生的抗菌物质不属于抗生素。 • 半合成抗生素：将生物合成法制得的天然代谢产 物经过化学、生物或生物化学方法进行分子结构 改造，制成的各种衍生物称为半合成抗生素。如 ampicillin/cefotaxime(头孢噻肟） • 全合成抗生素：根据天然抗生素的结构，完全采 用化学合成方法制造的化合物。
4、抗生素的发展
抗生素(antibiotics）:
1942年，Waksman首先定义： 抗生素是微生物在其代谢过程中所产生的、具 有抑制它种微生物生长及活动甚至杀灭它种微 生物性能的化学物质。
1947年 1948年
1950年 1952年
1953年
1950至80，我国译为抗菌素
1980年后，抗肿瘤、 抗寄生虫等抗生素的 不断发现，超出对微 生物作用范围，又改 译为抗生素。
O
S C NH O CH C CH N CH3
C
CH CH3 COOH
Site of penicillinase action. Breakage of the β- lactam ring.
共性： 羧基有弱酸性： 影响溶解度 β-内酰胺环不稳定
（二）、青霉素的制备
（A）、理化性质： 1、溶解性：受pH影响 游离酸：易溶于有机溶剂，难溶于水 盐：易溶于水，几乎不溶于有机溶剂，当有 机溶剂中含少量水时，溶解度增大。
根据抗生素的化学结构分类： （1）β -内酰胺类抗生素
青霉素、头孢菌素、硫霉素、亚胺培南
O N
R O N
S
CH 3 CH 3
R1 O N
S R2 CO O H
CO O H
（2）氨基糖苷类抗生素
链霉素、新霉素、卡那霉素、庆大霉素
（3）大环内酯类抗生素
红霉素、螺旋霉素、麦迪霉素
（4）四环类抗生素
无机盐 • ①硫和磷:硫浓度降低时青霉素产量减少3倍， 磷浓度降低时青霉素产量减少1倍。 • ②钙、镁和钾： 青霉素的生物合成中合适的 阳离子比例以钾30%、钙20%、镁41%为宜。 如镁离子少，钾离子多时，菌丝细胞将培养 基中氮源转化成各种氨基酸的能力强。钙离 子影响细胞的生长和培养基的pH 。 • ③铁离子：铁易渗入菌丝内，它对青霉素发 酵有毒害作用。发酵液中铁含量6微克/毫升 时无影响；60微克/毫升时降低产量30%； 300微克/毫升时降低产量90%。要低于30微 克/ml
大米茄子瓶
[发 酵] 26℃,6～7 天,1:1.0(v/v/min)
—————————————→发酵罐—————————————→放 罐————→至提炼部门
• 2）球状菌培养工艺流程
• 球状菌菌种
冷冻管 （亲米孢子培养） 亲米锥形瓶 亲米孢子 25度，6-8d （生产米孢子培养） 大米茄子瓶 25度，8-10d
6、过敏反应
可能为青霉噻唑多肽和青霉噻唑蛋白
（B）、制备工艺
1、菌种 最 早 的 原 始 菌 种 是 点 青 霉 菌 (Penicillium notatum)； 现用产黄青霉菌(Pen.chrysogenum) 按菌丝的形态分为丝状菌（黄孢子和绿孢子） 和球状菌（绿孢子和白孢子）两种。
国内青霉素生产厂大都采用绿色丝状菌，有 的厂家用白孢子球状菌。
根据抗生素的作用机制分类 ①抑制细菌壁合成： 青霉素 ②影响细胞膜功能： 多烯类抗生素 ③抑制核酸合成： 如影响DNA结构的博来霉素、丝 裂霉素C及柔毛霉素等； ④抑制蛋白质合成： 四环素、氯霉素、链霉素 ⑤抑制生物能作用： 如抑制电子转移的抗霉素 (antimycin)、抑制氧化磷酸化作用的短杆菌肽 S(gramicidin S)和寡霉素(o1igomycin)等。
• 3、在畜牧业 • 绝大多数医用抗生素都可用于动物疾病防 治，但目前倡导医用和动物用药分开。 • 低剂量促幼畜生长。
• • • • • • • •
4、在食品保鲜：过去食品保鲜 5、工业应用： 谷氨酸发酵液中加入青霉素 工业制品防霉变。 6、科学研究： 微生物特定生长阶段的控制 药物筛选和评价模型建立 控制细胞、组织培养过程污染
• 抗菌谱：某种抗生素所能抑制或杀灭病原 微生物的范围，称为该微生物的抗菌谱。 • 窄谱抗生素：只对革兰氏阴性菌或革兰氏 阳性菌有抗菌活性的抗生素。 • 广谱抗生素：对革兰氏阴性和革兰氏阳性 菌都有活性，或对细菌及其他多种微生物 都有抑制活性的抗生素。
• • • • •
表征抗生素活性的参数： 最低抑菌浓度MIC 最低杀菌浓度MBC 抗生素的作用扩展： 博来霉素治疗鳞状上皮癌；巴龙霉素治疗 原虫引起的痢疾；多西环素镇咳；新霉素 降低胆固醇等。
第9章抗生素 Antibiotics
第一节
一.定义和发展
概述
1、微生物药物的定义（Microbial Medicines）： • 微生物在其生命活动过程中产生的生理活性 物质及其衍生物，包括抗生素，酶抑制剂， 免疫调节剂等一类化学物质的总称，是人类 控制感染等疾病，保障身体健康，以及用来 防治动、植物病害的重要化疗药物。
2、酸碱性：有机弱酸
3、稳定性：干燥纯净的盐固体稳定；纯有机溶剂
溶液稳定；遇酸碱易分解；в-内酰胺环易为亲核或亲 电试剂作用而打开失活；青霉素的水溶液不稳定。 温度、pH对其稳定性的影响
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4 降 解 反 应
5、聚合反应 氨苄青霉素在水溶液中易形成聚合 物，是氨苄青霉素过敏反应的主要 过敏原之一。
4、代谢调控与基因敲除
5.基因改组（DNA Suffling）
五
抗生素制造工艺
• β-内酰胺类抗生素 • 氨基糖苷类抗生素 • 大环内酯类抗生素
O
N
一般制备过程
• 培养发酵：
• 发酵液预处理
• 固液分离
胞内产物
细胞破碎
固液分离
胞外产物
初步纯化
精制
初步纯化方法： 沉淀、吸附、萃取、超滤
精制方法： 层析、电泳、结晶
选择方法依据
1、产品性质： 化学组成、分子量、稳定性、溶解 度、解离特性等 2、主要杂质属性 3、方法前后衔接要求 4、产品质量要求
第二节 β-内酰胺类抗生素
（一）结构与性质
a 青霉烷* b 青霉烯 c 头孢烷 d 头孢烯* e单环β-内酰胺 f 碳青霉烷* g 碳青霉烯* h 碳头孢烷 I 碳头孢烯 j 氧青霉烷* k 氧青霉烯 l 氧头孢烷 m 氧头孢烯 *天然产物
四、微生物药物研发进展
1.寻找新的微生物资源 稀有放线菌 极端微生物 海洋微生物
2.新的筛选模型及手段 新药物作用靶标 微生物产物库 高通量筛选 虚拟筛选
3.组合生物合成技术的应用
酮基合成酶(KS)、酰基转移酶（AT）、脱氢酶（DH）、 烯醇还原酶（ER）、酮基还原酶（KR）和酰基载体蛋白 （ACP）等功能域
微生物来源的其他活性物质 酶抑制剂: 亮肽素 bestatin 免疫抑制剂：环孢菌素A β 羟基-甲基戊二酰辅酶A还原酶抑制剂
二、抗生素类药物的分类
生物来源 化学结构 作用对象 作用机制
R O N
S
CH 3 CH 3
CO O H
根据抗生素的生物来源分类：
（1）放线菌产生：链霉素 （2）真菌产生：青霉素 （3）细菌产生：放线菌素 （4）植物及动物产生：蒜素、黄连素
• 经25℃培养13～15小时，菌丝体积40%以上，残糖 在1.0%左右，无菌检查合格便可作为种子，按 30%接种量移入发酵罐。
• 2）球状菌：首先由冷冻管孢子接入混合有 0.5-1.0%玉米浆的摇瓶培养原始亲米孢子， 再接入大米茄子瓶生产大米孢子，两者都 是在25度下静置培养10天可收获。保存在5 度冰箱。种子培养：冷藏10天以内的生产 米，接入种子罐（花生饼粉、玉米胚芽粉、 葡萄糖、饴糖）28度培养50-60h，当PH降 为5.5-5.0，菌丝呈菊花团状，平均直径在 100-130微米，每毫升球菌数6万-8万只， 沉降率在85%以上，可用。接入发酵罐。
• 氮源： 提供蛋白合成原料 玉米浆。现因国内玉米浆产量少， 经调整配方以花生饼粉代替，生产 水平也可达到技术指标。目前生产 上用的氮源是花生饼粉、麸质粉玉 米胚芽粉及尿素等。
• 前体 作为苄青霉素生物合成的前体有苯乙 酸、苯乙酰胺等。它们一部分能直接 结合到青霉素分子中。这些前体对青 霉菌都有一定的毒性，加入量不能大 于0.1%。加入硫代硫酸钠能减少它们 的毒性。