发酵工程制药工艺技术基础.ppt

生生 物物 制制 药药 工工 艺艺 学学主 讲 胡国勤郑 州 大 学 化 工 学 院概概 述述微生物菌种的微生物菌种的选育与保藏选育与保藏微生物的培养微生物的培养发酵过程的控制发酵过程的控制第六章微生物制药工艺技术基础第六章微生物制药工艺技术基础L-L-异亮氨酸生产工艺异亮氨酸生产工艺维生素维生素C C生产工艺生产工艺思思 考考 题题9/21/20242生物制药工艺学生物制药工艺学—— 概概 述述微生物发酵制药微生物发酵制药概概 述述发酵工程制药的基本过程发酵工程制药的基本过程9/21/20243生物制药工艺学生物制药工艺学—— 概概 述述Ø 抗生素的发现抗生素的发现    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 微生物发酵制药微生物发酵制药9/21/20244生物制药工艺学生物制药工艺学—— 概概 述述Ø发酵制药种类发酵制药种类        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、发酵微生物转化发酵。

微生物发酵制药9/21/20245生物制药工艺学生物制药工艺学—— 概概 述述Ø制药微生物的种类制药微生物的种类          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     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微生物发酵制药9/21/20246生物制药工艺学生物制药工艺学—— 概概 述述Ø发酵制药的基本过程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（菌株选育（mutation and selection breeding）、发酵）、发酵(fermentation)和提炼和提炼(isolation and purification)是发酵制药的三个主要工段是发酵制药的三个主要工段 工艺过程包括发酵和工艺过程包括发酵和分离纯化两个阶段分离纯化两个阶段     发酵阶段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、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。

 微生物发酵制药9/21/20247生物制药工艺学生物制药工艺学—— 概概 述述Ø新药生产菌的选育新药生产菌的选育自然分离自然分离 :样品的采集与处理分离方法有稀释法和滤膜法分离方法有稀释法和滤膜法活性测定活性测定非致病菌为对象，采用琼脂扩散法测定活性，筛选生物活性物质可非致病菌为对象，采用琼脂扩散法测定活性，筛选生物活性物质可以使用耐药和超敏菌种用以使用耐药和超敏菌种用HPLC、、LC－－MS等，分析鉴定活性物等，分析鉴定活性物质其他现代的筛选技术如靶向筛选、高通量筛选、高内涵筛选等质其他现代的筛选技术如靶向筛选、高通量筛选、高内涵筛选等可以结合使用可以结合使用微生物菌种的选育与保藏微生物菌种的选育与保藏9/21/20248生物制药工艺学生物制药工艺学—— 概概 述述Ø新药生产菌的选育新药生产菌的选育          自然选育自然选育 :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：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。

      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 微生物菌种的选育与保藏微生物菌种的选育与保藏9/21/20249生物制药工艺学生物制药工艺学—— 概概 述述Ø新药生产菌的选育新药生产菌的选育         诱变育种诱变育种 :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 微生物菌种的选育与保藏微生物菌种的选育与保藏9/21/202410生物制药工艺学生物制药工艺学—— 概概 述述Ø新药生产菌的选育新药生产菌的选育         杂交育种杂交育种 :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 。

         基因工程技术育种基因工程技术育种：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微生物菌种的选育与保藏微生物菌种的选育与保藏9/21/202411生物制药工艺学生物制药工艺学—— 概概 述述Ø新药生产菌的保藏新药生产菌的保藏     目的：目的：保持长期存活、不退化、不丧失生产能力保存原理：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：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、液氮低温保藏微生物菌种的选育与保藏微生物菌种的选育与保藏9/21/202412生物制药工艺学生物制药工艺学—— 概概 述述Ø新药生产菌的保藏新药生产菌的保藏保存机构：保存机构：  中国典型培养物保藏中心（武汉大学）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、中心、中国工业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,北京北京)、抗生素菌种保藏管、抗生素菌种保藏管理中心、中国医学微生物菌种保藏中心。

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英国国家菌种保藏中心 (The United Kingdom National Culture Collection ) 微生物菌种的选育与保藏微生物菌种的选育与保藏9/21/202413生物制药工艺学生物制药工艺学—— 概概 述述Ø微生物生长的六大营养要素微生物生长的六大营养要素碳源碳源   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、有机酸等包括糖类、醇类、脂肪、有机酸等微生物的培养微生物的培养氮源氮源   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可分为有机氮源和无机氮源两类生长因子生长因子   指微生物生长不可缺少的微量有机物，包括氨基酸、维生指微生物生长不可缺少的微量有机物，包括氨基酸、维生                     素、核苷酸、脂肪酸等。

素、核苷酸、脂肪酸等无机盐和无机盐和微量元素微量元素生理活性物质的组成成分或具有生理调节作用，磷、硫、铁、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，高浓度起抑制作用用，高浓度起抑制作用 水和能源水和能源9/21/202414生物制药工艺学生物制药工艺学—— 概概 述述Ø微生物培养基微生物培养基培养基（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）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物所需要的多种营养基质 微生物的培养微生物的培养种类：种类：按其组成的来源分为合成培养基和天然培养基；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：影响培养基质量的因素：原料质量、水质、灭菌的影响原料质量、水质、灭菌的影响                                               以及培养基的黏度。

以及培养基的黏度9/21/202415生物制药工艺学生物制药工艺学—— 概概 述述Ø微生物培养基微生物培养基————发酵培养基发酵培养基        配制一般原则配制一般原则（（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，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）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，）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，成本低质优价廉，成本低4）高效经济原则：生产安全，环境保护，高质量，最高得率，最小）高效经济原则：生产安全，环境保护，高质量，最高得率，最小副产物微生物的培养微生物的培养9/21/202416生物制药工艺学生物制药工艺学—— 概概 述述Ø微生物培养基微生物培养基————发酵培养基发酵培养基设计基本思路设计基本思路（（1）根据他人的经验和成分，初步确定培养基的成分，作为研究的起）根据他人的经验和成分，初步确定培养基的成分，作为研究的起始培养基。

始培养基2）单因素实验，确定最适宜的培养基成分单因素实验，确定最适宜的培养基成分3）多因素实验，进行各成分之间浓度优化和最佳配比如均匀设计、）多因素实验，进行各成分之间浓度优化和最佳配比如均匀设计、正交实验和响应面分析等统计学方法正交实验和响应面分析等统计学方法4）从摇瓶、小型发酵罐，到中试，最后放大到生产罐从摇瓶、小型发酵罐，到中试，最后放大到生产罐5）综合考虑各种因素，产量、纯度、成本等后，确定一个适宜的生）综合考虑各种因素，产量、纯度、成本等后，确定一个适宜的生产配方微生物的培养微生物的培养9/21/202417生物制药工艺学生物制药工艺学—— 概概 述述Ø基本概念基本概念杂菌（杂菌（contaminated microbe）：）：对于发酵生产过程，除生产菌以外的对于发酵生产过程，除生产菌以外的任何生物微生物任何生物微生物灭菌工艺灭菌工艺污染（污染（contamination）：）：感染杂菌的发酵体系感染杂菌的发酵体系消毒消毒(disinfection)：：指用物理或化学方法杀灭或清除病原微生物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），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，杀灭率灭芽孢体，杀灭率99.9%以上。

以上杀菌：杀菌：杀灭或清除病所有微生物的过程，杀灭率杀灭或清除病所有微生物的过程，杀灭率99.9999%以上灭菌（灭菌（sterilization）：）：是指用物理或化学方法杀灭或清除物料或设备中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，微生物杀灭率杀灭率99.999999%以上9/21/202418生物制药工艺学生物制药工艺学—— 概概 述述Ø常用灭菌方法与原理常用灭菌方法与原理           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、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，有机化合物如漂白粉、氯气，有机化合物如70％～％～75％乙醇、甲醛、戊二醛、环氧乙烷、％乙醇、甲醛、戊二醛、环氧乙烷、2％新洁尔灭、％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％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。

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灭菌工艺灭菌工艺           辐射灭菌是指利用紫外线、高能量电磁波或粒子辐射灭菌，其中以紫外线最辐射灭菌是指利用紫外线、高能量电磁波或粒子辐射灭菌，其中以紫外线最常用其原理在于核酸和蛋白质在紫外区有强烈的吸收，常用其原理在于核酸和蛋白质在紫外区有强烈的吸收，DNA吸收紫外线后，会吸收紫外线后，会形成嘧啶二聚体，如胸腺嘧啶二聚体，分子之间的交联改变了形成嘧啶二聚体，如胸腺嘧啶二聚体，分子之间的交联改变了DNA的功能，从而的功能，从而导致生物细胞死亡只适宜于表面灭菌，常用于一定空间的空气灭菌，如无菌室、导致生物细胞死亡只适宜于表面灭菌，常用于一定空间的空气灭菌，如无菌室、超净工作台等的灭菌超净工作台等的灭菌9/21/202419生物制药工艺学生物制药工艺学—— 概概 述述Ø常用灭菌方法与原理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方法工业采用160℃℃、、2h，或，或170℃℃、、1h干热空气，用于需保持干燥的器械、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，常用条件为件为115℃℃～～121℃℃，压力，压力1×105Pa，维持，维持15～～30分钟芽孢是一种休眠体，外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％的保险系数 灭菌工艺灭菌工艺9/21/202420生物制药工艺学生物制药工艺学—— 概概 述述Ø发酵过程的主要控制参数与检测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、料液流量等发酵过程的控制发酵过程的控制温度：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。

的最适温度都是不同的9/21/202421生物制药工艺学生物制药工艺学—— 概概 述述Ø发酵过程的主要控制参数与检测发酵过程的主要控制参数与检测发酵过程的控制发酵过程的控制           化学参数：酸碱度、基质浓度、溶解氧浓度、氧化还原电位、产物浓度等化学参数：酸碱度、基质浓度、溶解氧浓度、氧化还原电位、产物浓度等pH值：对微生物生长的影响很明显；发酵液的值：对微生物生长的影响很明显；发酵液的pH变化是菌体产酸和产碱的代变化是菌体产酸和产碱的代谢反应的综合结果；控制方法：改变培养基配方、酸碱调节、补料流加控谢反应的综合结果；控制方法：改变培养基配方、酸碱调节、补料流加控制、控制通气量制、控制通气量 溶解氧（溶解氧（dissolved oxygen, DO）：是指溶解于培养液中的氧，常用绝对含量）：是指溶解于培养液中的氧，常用绝对含量表示，也可用饱和氧浓度的百分数表示，用溶氧电极来检测不同菌种对表示，也可用饱和氧浓度的百分数表示，用溶氧电极来检测不同菌种对溶解氧量的需求是不同的，有一个适宜的范围溶解氧量的需求是不同的，有一个适宜的范围 9/21/202422生物制药工艺学生物制药工艺学—— 概概 述述Ø发酵过程的主要控制参数与检测发酵过程的主要控制参数与检测发酵过程的控制发酵过程的控制           生物参数：菌丝形态、菌丝浓度。

生物参数：菌丝形态、菌丝浓度Ø发酵终点与控制发酵终点与控制           经济因素、下游工序、其他因素经济因素、下游工序、其他因素9/21/202423生物制药工艺学生物制药工艺学—— 概概 述述思思 考考 题题9/21/202424生物制药工艺学生物制药工艺学—— 概概 述述。