发酵工程制药工艺技术基础

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生物制药工艺学—— 概 述
发酵过程的控制
➢ 发酵过程的主要控制参数与检测
物理参数：温度、压力、搅拌转速、搅拌功率、通气量、黏度、料液流量 等。
温度：保证酶活性的重要条件，不同的微生物菌种的最适生长温度和产物形 成的最适温度都是不同的。
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生物制药工艺学—— 概 述
自然选育简单易行，可达到纯化菌种、防止退化、稳定生产水平和 提高产量的目的。但效率低，增产幅度不会很大 。
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生物制药工艺学—— 概 述
微生物菌种的选育与保藏
➢ 新药生产菌的选育
诱变育种 :诱变育种是人为创造条件，使菌种发生变异，从中筛选优良个 体，淘汰劣质个体，是当前菌种选育的一种主要方法。其特点是速度快、收效
基因工程技术育种：采用基因工程技术即基因克隆与表达技术，过量表 达或抑制表达某一个或一组基因，调控代谢过程，实现目标产物的高效 表达。
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生物制药工艺学—— 概 述
微生物菌种的选育与保藏
➢ 新药生产菌的保藏
目的：保持长期存活、不退化、不丧失生产能力。 保存原理：使其代谢处于不活跃状态，即生长繁殖受抑制的 休眠状态，可保持原有特性，延长生命时限。 保存方法：斜面低温保存、液体石蜡密封保藏、砂土管保藏、 冷冻干燥保藏、液氮低温保藏。
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生物制药工艺学—— 概 述
微生物发酵制药
➢ 发酵制药种类
微生物菌体发酵、微生物酶发酵、微生物代谢产
物、发酵微生物转化发酵。
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生物制药工艺学—— 概 述
微生物发酵制药
➢ 制药微生物的种类
生产药物的天然微生物主要包括细菌、放线菌和丝状真菌三大类。 细菌主要生产环状或链状多肽类抗生素，如芽孢杆菌(Bacillus)产生杆 菌肽（bacitracin），细菌还可以产生氨基酸和维生素，如黄色短杆 菌（Brevibacterium flarum）产生谷氨酸，大小菌生产维生素C。
大、方法相对简单。但缺乏定向性，要配合大规模的筛选工作。 诱发突变的因素有物理、化学和生物三类。 诱变育种方案的设计 诱变育种整个过程涉及诱变和筛选两个阶段，甚至是不断多轮重复。
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生物制药工艺学—— 概 述
微生物菌种的选育与保藏
➢ 新药生产菌的选育
杂交育种 :是两个不同基因型的菌株通过接合或原生质体融合使遗传物 质重新组合，再从中分离和筛选具有新性状的菌株。带有定向育种的性 质。 接合、原生质体融合两种方法 。
放线菌主要产生各类抗生素，以链霉菌属最多。生产的抗生素主 要有氨基糖苷类、四环类、放线菌素类、大环内酯类和多烯大环内酯 类。
真菌的曲菌属产生桔霉素，青霉素菌属产生青霉素和灰黄霉素等， 头孢菌属产生头孢霉素等。
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生物制药工艺学—— 概 述微生物发酵制药
➢ 发酵制药的基本过程
发酵制药就是利用制药微生物，通过发酵培养，在一定条件下，生长繁殖，同 时在代谢过程中产生药物，然后，从发酵液中提取分离、纯化精制，获得药品。 菌株选育（mutation and selection breeding）、发酵(fermentation)和提炼 (isolation and purification)是发酵制药的三个主要工段。 工艺过程包括发酵和 分离纯化两个阶段。
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生物制药工艺学—— 概 述
灭菌工艺
➢ 常用灭菌方法与原理
加热灭菌分为蒸汽湿热法和干热法。对于干热灭菌，是实验室常用的器皿 的方法。工业采用160℃、2h，或170℃、1h干热空气，用于需保持干燥的器 械、容器的灭菌。温度越高，时间相应缩短。湿热灭菌效果优于干热灭菌，常 用条件为115℃～121℃，压力1×105Pa，维持15～30分钟。芽孢是一种休眠 体，外面有厚膜包裹，耐热性很强，不易杀灭。因此在设计灭菌操作时，经常 以杀死芽孢的温度和时间为指标。为了确保彻底灭菌，实际操作中往往增加50 ％的保险系数。
配制一般原则
（1）生物学原则：根据不同微生物的营养和反应需求，设计培养基。 各种成分之间比例恰当，特别是有机氮和无机氮源，C/N比。一定条件 下，各种原材料之间不能产生化学反应。具有适宜的pH和渗透压。 （2）工艺原则：不影响通气和搅拌，又不影响产物的分离精制和废物 处理，过程容易控制。
（3）低成本原则：原材料要因地制宜，来源方便，丰富，质量稳定， 质优价廉，成本低。
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生物制药工艺学—— 概 述
发酵过程的控制
➢ 发酵过程的主要控制参数与检测
生物参数：菌丝形态、菌丝浓度。
➢ 发酵终点与控制
经济因素、下游工序、其他因素。
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思考题
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素、核苷酸、脂肪酸等。
无机盐和 微量元素
水和能源
生理活性物质的组成成分或具有生理调节作用，磷、硫、铁、 镁、钙、锰、铜、锌、钴、钾、钠、氯。一般低浓度起促进作 用，高浓度起抑制作用。
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生物制药工艺学—— 概 述
微生物的培养
➢ 微生物培养基
培养基（medium）是人工配制的供微生物生长繁殖和产生各种代谢产 物所需要的多种营养基质。
化学灭菌是指用化学物质杀灭生物细胞的灭菌操作。其原理是使蛋白质 变性，酶失活，破坏细胞膜透性，细胞死亡。常用化学灭菌剂如高锰酸钾、 漂白粉、氯气，有机化合物如70％～75％乙醇、甲醛、戊二醛、环氧乙烷、 2％新洁尔灭、3%～5％石炭酸等。主要适合用于皮肤表面、器具、实验室 和工厂的无菌区域的台面、地面、墙壁及局部空间或某些器械的消毒。
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生物制药工艺学—— 概 述
微生物菌种的选育与保藏
➢ 新药生产菌的保藏
保存机构： 中国典型培养物保藏中心（武汉大学） 中国科学院典型培养物保藏委员会：中国普通微生物菌种保藏管
理中心、中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC,北京)、抗生素菌种保藏 管理中心、中国医学微生物菌种保藏中心。 美国典型菌种保藏中心 （American Type Culture Collection） 日本技术评价研究所生物资源中心 (NITE Biological Resource Center) 英国国家菌种保藏中心 (The United Kingdom National Culture Collection )
发酵阶段包括生产菌、孢子制备、种子制备、发酵培养，是生物加工工程过程。 分离纯化阶段包括发酵液处理与过滤、分离提取、精制、成品检验、包装、出 厂检验，是化学分离工程过程。 成品检验：包括性状及鉴别试验、安全试验、降压试验、热源试验、无菌试验、 酸碱度试验、效价测定、水分测定等。 成品包装：合格成品进行包装，为原料药。制剂由制剂车间或厂再分装。
种类：按其组成的来源分为合成培养基和天然培养基；
按其状态可分为固体培养基、半固体培养基和液体培养基； 按其用途可分为孢子培养基、种子培养基和发酵培养基。
影响培养基质量的因素：原料质量、水质、灭菌的影响
以及培养基的黏度。
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生物制药工艺学—— 概 述
微生物的培养
➢ 微生物培养基——发酵培养基
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生物制药工艺学—— 概 述
灭菌工艺
➢ 基本概念
杂菌（contaminated microbe）：对于发酵生产过程，除生产菌以外的 任何生物微生物。
污染（contamination）：感染杂菌的发酵体系。
消毒(disinfection)：指用物理或化学方法杀灭或清除病原微生物 （pathogen），达到无害化程度的过程，只能杀死营养体，而不能杀 灭芽孢体，杀灭率99.9%以上。
杀菌：杀灭或清除病所有微生物的过程，杀灭率99.9999%以上。
灭菌（sterilization）：是指用物理或化学方法杀灭或清除物料或设备中 所有生命物质的技术或工艺过程，达到无活微生物存在的过程，微生 物杀灭率99.999999%以上。
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生物制药工艺学—— 概 述
灭菌工艺
➢ 常用灭菌方法与原理
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生物制药工艺学—— 概 述
微生物菌种的选育与保藏
➢ 新药生产菌的选育
自然选育 :在生产过程中，不经过人工诱变处理，根据菌种的自发突 变而进行菌种筛选的过程，叫自然选育或自然分离。
基本过程如下： 菌种→单孢子或单细胞悬液→适当稀释→琼脂平板分离→挑单个菌落进 行生产能力测定→选出优良菌株。
生物制药工艺学
主 讲 胡国勤
郑州大学化工学院
生物制药工艺学—— 概 述
第六章微生物制药工艺技术基础
概述 微生物菌种的
选育与保藏
微生物的培养
L-异亮氨酸生产工艺 维生素C生3/2
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生物制药工艺学—— 概 述
概述
微生物发酵制药 发酵工程制药的基本过程
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生物制药工艺学—— 概 述
微生物的培养
➢ 微生物生长的六大营养要素
碳源 凡是构成微生物细胞和代谢产物中碳素的营养物质均称为碳源。
包括糖类、醇类、脂肪、有机酸等。
氮源 凡是构成微生物细胞和代谢产物中氮素的营养物质均称为氮源。
可分为有机氮源和无机氮源两类。
生长因子 指微生物生长不可缺少的微量有机物，包括氨基酸、维生
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生物制药工艺学—— 概 述
微生物发酵制药
➢ 抗生素的发现
1928年，英国细菌学家Fleming B发现抗菌物质青霉素。在 20世纪40年代，一共发现了14种抗生素，50年代发现了20余 种，年代开始了化学结构改造的合成和半合成抗生素阶段。目 前发现并分离到约9000种抗生素，半合成抗生素约1000种， 共万种以上。但实际生产和应用的只有100余种。