第十二章第5节 抗生素生产工艺

目前世界各国实际生产和应用于医疗的抗生素约120多
种，连同各种半合成抗生素衍生物及盐类约350余种。 其中以青霉素类、头孢菌素类、四环素类、氨基糖苷类 及大环内酯类为最常用。 目前国际上应用的主要抗生素，我国基本上都有生产， 并研制出国外没有的抗生素—创新霉素。
3、抗生素的分类 随着新抗生素的不断出现，需要将抗生素进行分类， 以便于研究。今简要将常见的分类方法列述如下： A、根据抗生素的生物来源分类 微生物是产生抗生素的主要来源。其中以放线菌 产生的为最多，真菌其次细菌的又次之，而来源于动、 植物的最少。
B、抗生素在农牧业中的应用
不少农用抗生素作用强、剂量小、且不易引起环境 污染，故受到欢迎。如春日霉素(Kasugamycin)对防治 稻瘟病很有效。
在畜牧业中可用以治疗和预防牲畜的疾病，以及作 为幼畜、幼禽的生长刺激剂。在兽医临床上已使用的 抗生素有四环类、杆菌肽等。
5、抗生素生产的工艺过程 现代抗生素工业生产过程如下： 菌种→孢子制各→种子制备→发酵→发酵液预处
(1)抗生素在临床治疗中占有重要地位 自发现抗生素 并将其应用于临床上以来，使很多感染性疾病的死亡率 大幅度下降。但抗生素如使用不当，会带来许多不良后 果，例如细菌耐药性逐渐普遍，产生过敏反应和由于体 内菌群失调而引起的二重感染等。因此，应严防滥用， 严格掌握抗生素的适应症和剂量，并注意用药时的配伍 禁忌。
接种量一般相当于0.1%—2%(接种量的%，系对种子罐 内的培养基而言) 。 从一级种子罐接入二级种子罐接种量一般为5%-20%， 培养温度一般在25-30℃。如菌种系细菌，则在32-37℃ 培养。 在罐内培养过程中，需要搅拌和通入无菌空气, 控制罐温、 罐压，并定时取样作无菌试验，观察菌丝形态，测定发 酵单位和进行生化分析等，并观察无杂菌情况。
(5)抑制生物能作用的抗生素 如抑制电子转移的抗霉素 (antimycinl)。
E、根据抗生素的生物合成途径分类 (1)氛基酸、肽类衍生物 素。 (2)糖类衍生物 如链霉素糖苷类抗生素。 (3)以乙酸、丙酸为单位的衍生物 如红霉素等丙酸衍生物。 如青霉素、头孢菌素等寡肽抗生
4、抗生素的应用
A、 抗生素在医疗上的应用
(1)放线菌产生的抗生素生的抗生素占一半以上，其中又以链霉菌属产 生的抗生素为最多。诺卡氏菌属、小单抱菌属次之。 这类抗生素中主要有氨基糖苷类，如链霉素；四环类， 如四环素；大环内酯类，如红霉素；多烯类，如制霉 菌素；放线菌素类，如放线菌素D等。 (2)真菌产生的抗生素 在真菌的四个纲中，不完全
19世纪70年代，法国的Pasteur发现某些微生物对炭疽杆
菌有抑制作用。他提出了利用一种微生物抑制另一种微 生物现象来治疗一些由于感染而产生的疾病。1928年英 国细菌学家 Flemling 发现污染在培养葡萄球菌的双碟上 的一株霉菌能杀死周围的葡萄球菌。他
此霉菌分离纯化后得到的菌株经鉴定为点青霉 (Penicillium notatum)，并将这菌所产生的抗生素命名为 青霉素。1940年英国Florey和Chain进一步研究此菌，并
E、发酵
发酵过程的目的是使微生物大量分泌抗生素。
接种量一般为10%或10%以上，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，在
罐的夹层或蛇管中需通冷却水以维持一定罐温。此外， 还要加入消沫剂以控制泡沫，必要时还加入酸、碱以调 节发酵液的PH。 有的品种在发酵过程中还需加入葡萄糖、铵盐或前 体，以促进抗生素的产生。
等。
B、根据抗生素的作用分类 按照抗生素的作用，可以分成以下类别： (1)广谱抗生素 如氨苄青霉素，它既能抑制革兰氏阳性菌， 又能抑制革兰氏阴性菌。 (2)抗革兰氏阳性菌的抗生素 如青霉素等。 (3)抗革兰氏阴性菌的抗生素 如链霉素等。 (4)抗真菌抗生素 如制霉菌素等。
(5)抗病毒抗生素 有一定作用。
此外，有时还需要加入某种促进剂或抑制剂，如 在四环素发酵中加入M-促进剂和抑制剂溴化钠，以抑 制金霉索的生物合成并增加四环素的产量。
(5)培养基的质量 培养基的质量应予严格控制，以保证发酵水平，可以通过 化学分析，并在必要时作摇瓶试验以控制其质量。 此外，如果在培养基灭菌过程中温度过高、受热时间过长 亦能引起培养基成分的降解或变质。
(2)抗生素的剂量单位 抗生素除了以重量作为剂量单 位外，更常用特定的效价单位。如一个青霉素效价单位 为能在50ml肉汤培养基中完全抑制金黄色葡萄球菌标准 菌株发育的最小青霉素剂量；一个链霉素效价单位为能 在1ml肉汤培养基基中完全抑制大肠杆菌标准菌株所需 的最小链霉素剂量。 在抗生素已能被制成纯净的化学物质时，就可用重 量来表示单位，例如1mg青霉素钠盐相当于1667个单位； 1mg链霉素碱相当于1000个单位等。
对医用抗生素的评价应包括以下要求： 1)它应有较大的差异毒力，即对宿主人体组织或正常细胞只是 轻微毒性而对某些致病菌或突变肿瘤细胞有强大的毒害。
2)它能在人体内发挥其抗生效能而不被人体中血液、脑脊液等 所破坏，同时它不应大量与体内血清蛋白产生不可逆的结合。
3)在给药后应较快地被吸收，并迅速分布至被感染的器官或组 织中。 4)致病菌在体内对该抗生素不易产生耐药性。 5)不易引起过敏反应 6)具备较好的理化性质和稳定性,以利于提取、制剂和贮藏。
F、发酵液的过滤和预处理
发酵液的过滤和预处理其目的不仅在于分离菌丝，还 需将一些杂质除去。 (1)发酵液的预处理 发酵液中的杂质如高价无机离子(Ca+2、Mg+2、Fe+3)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。 a 对高价离子的去除，可采用草酸或磷酸。如加草酸则它 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。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。
D、培养基的配制 在抗生素发酵生产中，
1) 各菌种的特性不一样，采用的工艺不同，所需的培
养基组成亦各异。
2) 同一菌种，在不同发酵时期，其营养要求也不完全
一样。
因此需根据其不同要求来选用培养基的成分与配比。
其主要成分包括碳源、氮源、无机盐类和前体等。
(1)碳源 主要用以供给菌种生命活动所需的能量，构
(4)四环类抗生素
为母核。 (5)多肽类抗生素
如四环素、土霉素等。它们以四并苯
如多粘菌素、杆菌肽等。它们多由细
菌、特别是由产雹子的杆菌产生，并含有多种氨基酸， 经肽键缩合成线状、环状或带侧链的环状多肽。
D、根据抗生素的作用机制分类． 根据抗生素对致病菌作用的机制，可分成五类： (1)抑制细胞壁合成的抗生素 如青霉素、头孢菌素。 (2)影响细胞膜功能的抗生素 如多烯类抗生素。 (3)抑制蛋白质合成的抗生素 如四环素。 (4)抑制核酸合成的抗生素 裂霉素C。 如影响DNA结构和功能的丝
抗生素生产工艺
1、抗生素概述
抗生素是青霉素、链霉素、红霉索等一类化学物质的
总称。它是生物，包括微生物、植物和动物，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质。 抗生素的生产目前主要用微生物发酵法进行生物合成。 很少数抗生素如氯霉素、磷霉素等亦可用化学合成法生产。
B、孢子制备
生产用的菌株须经纯化和生产能力的检验，若符 合规定，才能用来制备种子。
制备孢子时，将保藏的处于休眠状态的孢子，将 其接种到灭菌过的固体斜面培养基上，在一定温度下 培养5-7日或7日以上。 为获得更多数量的孢子以供生产需要，必要时可 在固体培养基上扩大培养。
C、种子制备 其目的是使孢子发芽、繁殖以获得足够数量的菌 丝，后再逐级扩大培养。 种子扩大培养级数的多少，决定于菌种的性质、 生产规模的大小和生产工艺的特点。扩大培养级数通 常为二级。 摇瓶培养是在锥形瓶内装入一定数量的液体培养 基，灭菌后以无菌操作接入孢子，放在摇床上恒温培 养。 种子罐中培养时，接种材料为孢子悬浮液或摇瓶 的菌丝，以微孔差压法或火焰接种法。
从培养液中制出了干燥的青霉素制品。经实验和临床试
验证明，它毒性很小，并对一些革兰氏阳性菌所引起的 好多疾病有卓越的疗效。在此基础上1943—1945年间发 展了新兴的抗生素工业。以通气搅拌的深层培养法大规 模发酵生产青霉素。随后链霉素、氯霉素、金霉索等品
种相继被发现并投产。
从50年代起许多国家还致力于农用抗生素的研究。 如杀稻瘟素(Blasticidin A),春日霉素(kasugamycin)， 灭瘟素S、井岗霉素等高效低毒的农用抗生素相继出 现。 70年代以来，抗生素品种飞跃发展。到目前为止， 从自然界发现和分离了4300多种抗生素，并通过化 学结构的改造，共制备了约三万余种半合成抗生素。
其活性部分的化学构造，现按习惯法分类如下： (1) β—内酰胺类抗生素 包括青霉素类、头孢菌素类等。 它们都包含一个四元内酰胺环。
(2)氨基糖苷类抗生素
包括链霉素、庆大霉素等。它们
既含有氨基糖苷，也含有氨基环醇的结构。 (3)大环内酯类抗生素 如红霉素、麦迪霉素 (medicamycin)。它们含有一个大环内酯作配糖体，以苷 健和1-3个分子的糖相连。
成菌体细胞及代谢产物。 常用碳源包括淀粉、葡萄糖和油脂类。 使用葡萄糖时，在必要时采用流加工艺，以有利于提 高产量。个别的抗生素发酵中也有用麦芽糖、乳糖或 有机酸等作碳源的。
(2)氮源 主要用以构成菌体细胞物质(包括氨基酸、 蛋白质、核酸)和含氮代谢物。 有机氮源中包括黄豆饼粉、花生饼粉、棉籽饼粉, 玉米 浆、蛋白胨、尿素、酵母粉、鱼粉、蚕蛹粉和菌丝体等。 无机氮源中包括氨水, 硫酸铵、硝酸盐和磷酸氢二氨等。 在含有机氮源的培养基中菌丝生长速度较快，菌丝量也 较多。
此外还可将生物合成法制得的抗生素用化学或生化方法进
行分子结构改造而制成各种衍生物，称半合成抗生素， 如氨苄青霉素(ampicillin)就是半合成青霉素的一种。 随着对抗生素合成机理和微生物遗传学理论等的深 入研究，了解到它是属于次级代谢产物(Secondary metabolite)。