第十章 生产实例-抗生素

抗生素发酵生产的特点
2．产量很难用物料平衡来计算
这是由生产的复杂机制所决定的。
抗生素发酵生产的特点
3．生产稳定性差
一般波动幅度在10%左右，主要受菌种
的生产能力、培养基成分、原材料质量、
中间代谢的控制、设备条件、操作条件及 抗生素本身的稳定性等因素影响。
青霉素的生产工艺
青霉素的概述
生产菌的生物学特性 发酵工艺过程 提炼工艺过程
第十章 生产实例
抗生素
抗生素的定义
• 由生物（包括微生物、植物和动物）在其
生命过程中所产生的一类在微量浓度下就
能选择性地抑制它种生物或细胞生长的次
级代谢产物。
抗生素的发展
1928年英国细菌学家Fleming发现并命名青
霉素。
1940年英国的Florey和Chain制出了干燥的青
霉素制品，经实验和临床试验证明,对革兰氏
抗生素的分类
（二）根据抗生素的作用分类 1．广谱抗生素 如氨苄青霉素（半合成青霉素），既能抑制菌又能抑 制菌。 2．抗革兰氏阳性细菌 如青霉素G。 3．抗革兰氏阴性细菌 如链霉素。 4．抗真菌 如制霉菌素、灰黄霉素。 5．抗肿瘤 如阿霉素。 6．抗病毒、抗原虫 如鱼素。
抗生素的分类
☺ 无机盐：包括硫、磷、钙、镁、钾等盐类。铁离子对
青霉菌有毒害作用，应严格控制发酵液中铁含量在 30ug/mL以下。
培养基
☺ 典型的生长或种子培养基都含有有机氮源（如
玉米浆），可发酵糖（如2%（w/v）的蔗糖或 葡萄糖），0.5—1.0%（w/v）的碳酸钙用作缓 冲剂；而其它无机盐类可能是满足生长所需要 的。标准的接种液浓度为每升含20g干细胞，接 种量为发酵液的10%（v/v）。
键和 1-3 个分子的糖
相连，如红霉素、 麦迪（加）霉素。
抗生素的分类
• 4．四环类 以四并苯为母核。如 四环素、土霉素、金 霉素。
抗生素的分类
5．多肽类
由氨基酸组成的抗生
素，如多粘菌素、杆
菌肽。
抗生素的分类
6. 其他抗生素
凡不属于上述5类的抗生素，如林肯霉素、
氯霉素、阿霉素等
抗生素的应用
（pH5. 5 ）下毒性较大；中性条件下，苯乙酰胺 毒性大于苯乙酸。
☺ 有些前体物质能被菌体氧化，为减少氧化从用间
歇或连续添加低浓度前体物质的方法加前体。
青霉素的发酵工艺及过程
工艺要点： 2．种子制备
青霉素的发酵工艺及过程
工艺要点：
3．发酵阶段
生长期：菌wenku.baidu.com快速生长
生产期：菌丝生长速度降低，大量分泌青霉素。
某厂青霉素钾的培养基配方（四）
☺ 4、添加前体：苯乙酰胺、苯乙酸和苯氧乙酸常用
做前体。苯乙酸钠的理论需要量是每克青霉素需 0.47g，而苯氧乙酸钠为每克青霉素v需0.5g。通 常，发酵液中苯乙酸浓度控制在0.1%，苯乙酰胺 控制在0.05-0.08%为宜。
☺ 苯乙酰胺碱性下抑制菌体生长；苯乙酸在酸性
（一）医疗上的应用
抗生素在医疗临床上的应用已有六十 年的历史。抗生素在医疗药物方面的应用 是20世纪医药上最伟大的成就，它的出现 和应用使过去许多不能治疗或很难治疗的 传染病（如细菌性心内膜炎，流行性脑膜 炎等）得到了治疗。
抗生素的应用
（一）医疗上的应用
但是抗生素的广泛使用，也带来许多不良后 果，例如细菌耐药性逐渐普遍，有的抗生素会产 生过敏反应，或由于抗生素的使用不当造成体内 菌群失调而引起二重感染等。因此，应严防滥用， 应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
☺ 3、无机盐及金属离子：碳酸钙用来中和发酵过程
中产生的杂酸，并控制发酵液的pH值。磷一般采 用磷酸二氢钾。加入硫代硫酸钠或硫酸钠以提供青 霉素分子中所需要的硫。由于现在还有一些工厂采 用铁罐发酵，在发酵过程中铁离子很多，已经证实 铁离子在50ug/ml以上便会影响青霉素的合成，有 人建议采用铁络合剂以抑制铁离子的影响，但实际 并无改进。所以青霉素的发酵罐还是以采用不锈钢 制为宜，其他金属如：铜、汞、锌等能催化青霉素 的分解反应。
抗生素的生产方法
（二）全化学合成法
氯霉素：第一个应用全化学合成法生产的
抗生素。
特点：不耗费粮食，但易引起三废。
抗生素的生产方法
（三）半化学合成法
在天然抗生素基础上进行结构修饰。
抗生素发酵生产的特点
1．菌体的生长和产物的形成不平行 把抗生素发酵划分 为二个不同的代谢 期： 生长期和生产期。 •抗生素发酵的 目标是缩短生长 期，延长生产期
CH3 COOH
青霉素生产菌的生物学特性
产黄青霉：Penicillium chrosogenum 孢子:绿色和黄色 菌落：平坦或皱褶，圆形。 青霉穗:分生孢子链状 深层培养菌丝： 球状和丝状两种。
青霉素的发酵工艺及过程
（一）青霉素的发酵工艺及过程
青霉素的发酵工艺及过程
工艺要点： 1．菌种
1940:8只鼠注射链球菌，提取物对4只 治疗。未经治疗鼠在24小时内死亡，治 疗鼠存活数天至数周。 1941年2月开始治疗第一批人类病人。 1943：威斯康辛大学小组，取得突破 生产菌表面培养：几十个单位。 深层培养产黄青霉：100U/ml。 X、UV诱变育种：1000－1500U/ml。 不产色素变种：66000－70000U/ml 目前：85000U/ml。
生长中的细胞有效，静止细胞无效 高效、安全的抗细菌感染药物
2.8.1 概述－应用（3）
（1）临床抗感染治疗：大多数革兰氏阳性 菌和某些革兰氏阴性细菌及螺旋体等。 毒性小，但需要皮试。 （2）各种半合成抗生素的原料： 氨苄青霉素，磺苄青霉素，乙氧萘青霉素 头孢菌素母核。
概述－分子结构及衍生物（4）
类为最常用。
抗生素的分类
（一）根据抗生素的生物来源分类 1.放线菌 由它产生的抗生素数量最多。 如链霉菌属产生的链霉素，小单孢菌产生的庆 大霉素、小诺霉素。 2.真菌 青霉菌属产生的青霉素,头孢菌属产生的头孢菌 素。 3.细菌 多粘杆菌产生的多粘菌素。 4.动、植物 被子植物大蒜中得到的蒜素。 鱼类（动物）脏器中制得的鱼素。
少，而菌丝浓度增加很多。III期适用于作发酵 用种子。Ⅴ—Ⅵ期称青霉素分泌期，此时菌丝 生长趋势渐减弱，大量产生青霉素。Ⅵ期即菌 丝自溶期，菌体开始自溶。
菌种保藏
☺ 生产菌种一般保藏在沙土管或冷冻干燥管内。由
沙土孢子接入母瓶斜面上，经过25℃培养6-7 天，长成绿色孢子，制成孢子悬浮液，接入装有 大米的茄子瓶内，经25℃相对湿度45-50%，培 养6-7天制成大米孢子真空干燥，保存备用。生 产时按一定接种量移入种子罐内，25℃培养4045h，菌丝浓度达40%（体积/体积）以上，无杂 菌即可以30%接种量移入发酵罐发酵生产青霉素。
☺
☺ III期：形成脂肪粒，积累贮藏物。原生质嗜碱性仍很
强。
☺ Ⅳ期：脂肪粒减少，形成中小空孢。原生质嗜碱性弱.
☺ Ⅴ期：形成大空孢，其中含有一个或数个中性红染色
的大颗粒，脂肪粒消失。
☺ Ⅵ期：细胞内看不到颗粒，并出现个别自溶的细胞。
青霉素产生菌生长发育的六个阶段
☺ 其中I—Ⅳ期初称菌丝生长期。产生青霉素较
培养基
☺ 碳源：葡萄糖，乳糖，蔗糖，果糖，麦芽糖等。目前
普遍采用淀粉经酶水解的葡萄糖糖化液进行流加。
☺ 氮源：可选用玉米浆，精制棉籽饼粉或麸粉，并补加
机无氮源。
☺ 前体：苯乙酸、苯乙酰胺，和苯氧乙酸常作前体，在
发酵中加入。由于它们对青霉菌有一定毒性，故一次 加入量不能大于0.1%，采用多次加入方式。
抗生素的应用
对医用抗生素的评价应包括以下要求：
（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。
抗生素的应用
• （二）在农牧业中的应用
抗生素在农牧业上的应用，主要用以防
治农作物、禽畜、蚕蜂的病害，有些还有
利于动植物的生长
某厂青霉素钾的培养基配方（一）
☺ 1、碳源：乳酸或葡萄糖，也可采用葡萄糖母液，
糖蜜等，碳源的作用是维持菌体生长所需的能 量，同时又是平衡发酵液pH值的基础物质。在碳 源中以乳糖最适宜，但因为货源较少，很多国家 采用葡萄糖代替。但当葡萄糖浓度超过一定限度 时，它会阻止氨酸V进入青霉素分子。因此发酵时 要严格控制加糖，可以采用陆续加糖的办法；另 一方面，糖浓度超过一定量时则菌体量相应增 加，溶解氧转换受到影响。
6-氨基青霉烷酸（6-aminopenicillanic 6APA）苯乙酰衍生物。 侧链基团不同，形成不同的青霉素 G：苄基青霉素，C6H5CH2-CO-，为主 双氢霉素F：戊青霉素
S X：对羟苄基青霉素 R CO NH F：2-戊烯基青霉素 N K：庚青霉素 O V：苯氧甲基青霉素 产品：钠、钾、普鲁卡因、二苄基乙二胺 CH3
阳性菌所引起的疾病有卓越的疗效。
抗生素的发展
1943年～1945年, 以通气搅拌的深层培养法大规模发酵生 产青霉素，链霉素、氯霉素、金霉素等相继被发现并投产， 新兴抗生素工业建立。
70年代，抗生素品种飞跃发展，从自然界发现和分离了近
5000多种抗生素，通过化学结构的改造共制备了三万多 种半合成抗生素。目前世界实际生产和应用的抗生素有一 百多种，连同各种半合成抗生素衍生物及其盐类约400多 种，其中以β-内酰胺类、四环类、氨基糖苷类及大环内酯
（三）根据化学结构分类 1.β-内酰胺类 它们都包含一个四元内酰胺环。 如青霉素类、头孢菌素类（先锋霉素类）。
抗生素的分类
（三）根据化学结构分类
• 2．氨基糖苷类（氨基环醇类）
以糖苷键与氨基糖（或戊糖）连接的抗生素， 如链霉素、庆大霉素等。
抗生素的分类
• 3. 大环内酯类
含有一个大环内
酯作配糖体，以苷
2.8.1 概述－作用机理（2）
干扰细菌细胞壁的合成
青霉素的结构与细胞壁的成分粘肽结构中的 D-丙氨酰-D-丙氨酸近似，可与后者竞争转肽酶， 阻碍粘肽的形成，造成细胞壁的缺损，使细菌失 去细胞壁的渗透屏障，对细菌起到杀灭作用。 其对革兰阳性菌有效，由于革兰阴性菌缺乏五肽 交连桥而青霉素对其作用不大。
（1）通过加糖控制来促使青霉素的持续合成（补
加葡萄糖）.
青霉素的发酵工艺及过程
工艺要点：
3．发酵阶段 （2）补氮及加前体，补加硫酸铵、氨水、尿素， 使发酵液氨氮控制在0.01%～0.05% 。
抗生素的应用
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 和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。
抗生素的应用
（三）在食品保藏等方面的应用
在食品工业中，抗生素可以用作防腐 剂。用抗生素作食品防腐剂，比冰冻、干 燥、盐渍、酸渍等方法手续简便，抑菌面 广，抑制能力强。
在发酵工业上也有广泛的应用，如在 谷氨酸发酵工业中应用青霉素提高谷氨酸 的产酸率，国内外均用于生产。
抗生素的生产方法
（一）生物合成法（微生物发酵法） 工艺过程：
产黄青霉，是1943年从美国一位农妇的 发霉甜瓜上分离得到的菌种，经改良形成。 而Fleninmg分离的点青霉，发酵单位低。 目前全世界用于生产青霉素G的菌种，发酵 单位可达8500u/ml。
青霉素产生菌生长发育的六个阶段
I期：分生孢子发芽。孢子先膨胀，再形成小的芽管， 此时原生质未分化，具有小空孢。 ☺ II期：菌丝繁殖，原生质嗜碱性很强，在II期末有类脂 肪小颗粒。
概述－发现（1）
1929: Fleming在葡萄球菌培养皿中，污染的霉 菌周围出现透明的抑菌圈 杀菌物质，断言太不稳定，无法分离并用作药物。 1939：牛津病理家Howard Florey化 学 家 Ernst Chain,Norman Heatley。发酵瓶培养霉 菌，培养里提取，测活性，青霉素结晶。
某厂青霉素钾的培养基配方（二）
☺ 2、氮源：氮源的作用是供应菌体合成氨基酸和
三肽原料，以进一步合成青霉素。玉米将是较为 理想的氮源，含固体量少，有利于通风及氧的传 递，因而利用率高，固体有机氮源还可提供一部 分有机磷，供菌体生长，无机氮如硝酸盐、尿 素，硫酸铵等可适量使用。
某厂青霉素钾的培养基配方（三）