《生物制药五》PPT课件.ppt
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1、第五章第五章 发酵工程制药发酵工程制药 对微生物进行培养,生产有用物对微生物进行培养,生产有用物质的过程就是发酵。质的过程就是发酵。采用微生物发酵生产药物就是微采用微生物发酵生产药物就是微生物发酵制药。生物发酵制药。第一节第一节 概述概述一、微生物发酵制药的发展历史一、微生物发酵制药的发展历史 微生物发酵制药的历史悠久。但直到第微生物发酵制药的历史悠久。但直到第二次世界大战初期,人们认识到抗生素特别二次世界大战初期,人们认识到抗生素特别是青霉素重要性以后,才大大推动微生物制是青霉素重要性以后,才大大推动微生物制药工业的发展。药工业的发展。液体深层发酵技术、液体深层发酵技术、细胞融合技术、细胞融
2、合技术、基基因工程技术的出现,又为微生物发酵制药带因工程技术的出现,又为微生物发酵制药带来新的发展空间。来新的发展空间。二、微生物发酵制药的研究范围二、微生物发酵制药的研究范围1 1、微生物菌体发酵:、微生物菌体发酵:、微生物菌体发酵:、微生物菌体发酵:获得具有药用菌体为目的的发酵。获得具有药用菌体为目的的发酵。获得具有药用菌体为目的的发酵。获得具有药用菌体为目的的发酵。2 2、微生物酶发酵:、微生物酶发酵:、微生物酶发酵:、微生物酶发酵:获得药用酶为目的的发酵。获得药用酶为目的的发酵。获得药用酶为目的的发酵。获得药用酶为目的的发酵。3 3、微生物代谢产物发酵:、微生物代谢产物发酵:、微生物代
3、谢产物发酵:、微生物代谢产物发酵:获得微生物具有药用的获得微生物具有药用的获得微生物具有药用的获得微生物具有药用的各种初级产物和次级产物为各种初级产物和次级产物为各种初级产物和次级产物为各种初级产物和次级产物为目的的发酵。目的的发酵。目的的发酵。目的的发酵。4 4、微生物转化发酵:、微生物转化发酵:、微生物转化发酵:、微生物转化发酵:利用微生物发酵过程中的转化作用生产药物。利用微生物发酵过程中的转化作用生产药物。利用微生物发酵过程中的转化作用生产药物。利用微生物发酵过程中的转化作用生产药物。微生物转化微生物转化微生物转化微生物转化就是利用微生物细胞中的一种酶或多种酶将一就是利用微生物细胞中的一
4、种酶或多种酶将一就是利用微生物细胞中的一种酶或多种酶将一就是利用微生物细胞中的一种酶或多种酶将一种化合物转变成结构相关的另一种产物的生化反应。种化合物转变成结构相关的另一种产物的生化反应。种化合物转变成结构相关的另一种产物的生化反应。种化合物转变成结构相关的另一种产物的生化反应。三、微生物发酵药物的分类三、微生物发酵药物的分类 微生物药物有抗生素,维生素,微生物药物有抗生素,维生素,AAAA,核酸有关物质,有机酸,治疗酶,酶,核酸有关物质,有机酸,治疗酶,酶抑制剂,激素,免疫调节物质以及其他抑制剂,激素,免疫调节物质以及其他生理活性物质。生理活性物质。四、制药微生物四、制药微生物1 1、制药微
5、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、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。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细菌主要生产环状或链状多肽类抗生素;放线菌主要产生各类抗生素;真菌的素;放线菌主要产生各类抗生素;真菌的曲霉菌属产生桔霉素,青霉素菌属产生青曲霉菌属产生桔霉素,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霉素和灰黄霉素等,头孢菌属产生头孢霉素等。素等。2 2、制药微生物菌种的选育、制药微生物菌种的选育 主要有:自然选育主要有:自然选育 、诱变育种诱变育种 、杂交育种杂交育种 、基因工程技术育种四种。、基因工程技
6、术育种四种。自然选育:自然选育:在生产过程中,不经过人工诱变处理,根在生产过程中,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。然选育或自然分离。自然选育的常用方法是单菌落分离,需要自然选育的常用方法是单菌落分离,需要反复筛选,确定生产能力比原菌株高的菌种。反复筛选,确定生产能力比原菌株高的菌种。基本过程:基本过程:菌种菌种单孢子或单细胞悬液单孢子或单细胞悬液适当稀释适当稀释琼脂琼脂平板分离平板分离挑单个菌落进行生产能力测定挑单个菌落进行生产能力测定选出选出优良菌株。优良菌株。3 3、菌种保存菌种保存目的:目的:保持
7、长期存活、不退化、不丧失生产能力。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,延长生命时抑制的休眠状态,可保持原有特性,延长生命时限。限。(1 1)斜面低温保存斜面低温保存保存方法:保存方法:(2 2)液体石蜡密封存保藏液体石蜡密封存保藏(3 3)砂土管保藏砂土管保藏(4 4)冷冻干燥保藏冷冻干燥保藏(5 5)液氮低温保藏液氮低温保藏第二节第二节 发酵过程及其优化控制发酵过程及其优化控制 一、发酵制药的基本过程一、发酵制药的基本过程菌株选育菌株选育(mutation and s
8、election breedingmutation and selection breedingmutation and selection breedingmutation and selection breeding)发酵发酵(fermentation)(fermentation)(fermentation)(fermentation)分离纯化分离纯化(isolation and purification)(isolation and purification)(isolation and purification)(isolation and purification)包括三个主要工段:
9、包括三个主要工段:1 1、生产菌种选育、生产菌种选育 优良菌种应该高产、性能稳定、容易培养。优良菌种应该高产、性能稳定、容易培养。2 2、发酵阶段、发酵阶段 包括孢子制备、种子制备、发酵培养,包括孢子制备、种子制备、发酵培养,是生是生物加工工程过程。物加工工程过程。3 3、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、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,是化学分离工程成品检验、包装、出厂检验,是化学分离工程过程。过程。二、二、发酵工艺条件的优化控制发酵工艺条件的优化控制(一)、培养基及其制备(一)、培养基及其制备1 1、培养基的成分、培养基的成分
10、(1 1)、)、碳源碳源 凡是构成微生物细胞和代谢产物中碳素的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。其主要作用是供给菌种营养物质均称为碳源。其主要作用是供给菌种生命活动所需要的能量;构成菌体细胞成分和生命活动所需要的能量;构成菌体细胞成分和代谢产物。代谢产物。在药物发酵生产中常用的碳源有:糖类、醇类、在药物发酵生产中常用的碳源有:糖类、醇类、在药物发酵生产中常用的碳源有:糖类、醇类、在药物发酵生产中常用的碳源有:糖类、醇类、脂肪、有机酸等。脂肪、有机酸等。脂肪、有机酸等。脂肪、有机酸等。(2 2)、)、氮源氮源 凡是构成微生物细胞和代谢产物中氮素的凡是构成微生物细胞和代谢产物
11、中氮素的营养物质均称为氮源。其主要功能是构成微生营养物质均称为氮源。其主要功能是构成微生物细胞物质和含氮代谢物。可分为有机氮源和物细胞物质和含氮代谢物。可分为有机氮源和无机氮源两类。无机氮源两类。常用有机氮源有黄豆饼粉(最常用)、花生饼粉、常用有机氮源有黄豆饼粉(最常用)、花生饼粉、常用有机氮源有黄豆饼粉(最常用)、花生饼粉、常用有机氮源有黄豆饼粉(最常用)、花生饼粉、棉籽饼粉、玉米浆、玉米蛋白粉、蛋白胨、酵母粉、棉籽饼粉、玉米浆、玉米蛋白粉、蛋白胨、酵母粉、棉籽饼粉、玉米浆、玉米蛋白粉、蛋白胨、酵母粉、棉籽饼粉、玉米浆、玉米蛋白粉、蛋白胨、酵母粉、鱼粉、尿素等。鱼粉、尿素等。鱼粉、尿素等。鱼
12、粉、尿素等。常用无机氮源有铵盐、氨水和硝酸盐。常用无机氮源有铵盐、氨水和硝酸盐。常用无机氮源有铵盐、氨水和硝酸盐。常用无机氮源有铵盐、氨水和硝酸盐。(3 3)、)、无机盐及微量元素无机盐及微量元素 无机盐和微量元素是生理活性物质的组成成分无机盐和微量元素是生理活性物质的组成成分或具有生理活性作用的调节物,包括磷、硫、铁、或具有生理活性作用的调节物,包括磷、硫、铁、镁、钙、锰、铜、锌、钴、钾、钠、氯等。镁、钙、锰、铜、锌、钴、钾、钠、氯等。一般低浓度起促进作用,高浓度起抑制作用。一般低浓度起促进作用,高浓度起抑制作用。菌体细胞的主要成分,营养传递的介菌体细胞的主要成分,营养传递的介质。调节细胞生
13、长环境温度。质。调节细胞生长环境温度。(4 4)、水)、水 消除泡沫,防止逃液和染菌。一般为动植物消除泡沫,防止逃液和染菌。一般为动植物油脂和高分子化合物。油脂和高分子化合物。(5 5)、)、消沫剂消沫剂 生长因子是指微生物生长不可缺少的微量有机生长因子是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。物,包括氨基酸、维生素、核苷酸、脂肪酸等。(6 6)、生长因子)、生长因子 在药物的生物合成过程中,被菌体直接用于在药物的生物合成过程中,被菌体直接用于药物合成而自身结构无显著改变的物质称为前体药物合成而自身结构无显著改变的物质称为前体。前体明显提高产品产量和质量,一定条
14、件下还。前体明显提高产品产量和质量,一定条件下还能控制菌体合成代谢产物的方向。能控制菌体合成代谢产物的方向。(7 7)、)、前体与促进剂前体与促进剂 促进剂是指那些既不是营养物又不是前促进剂是指那些既不是营养物又不是前体,但能提高产物产量的添加剂。体,但能提高产物产量的添加剂。2 2、培养基的种类、培养基的种类按组成分为:按组成分为:合成培养基合成培养基合成培养基合成培养基(synthesized medium)(synthesized medium)(synthesized medium)(synthesized medium)天然培养基天然培养基天然培养基天然培养基(natural med
15、ium)(natural medium)(natural medium)(natural medium)半合成培养基半合成培养基半合成培养基半合成培养基(semi-synthesized medium)(semi-synthesized medium)(semi-synthesized medium)(semi-synthesized medium)按用途分为:按用途分为:选择性培养基选择性培养基选择性培养基选择性培养基(selective medium)(selective medium)(selective medium)(selective medium)鉴别性培养基鉴别性培养基鉴别性培
16、养基鉴别性培养基(identification medium)(identification medium)(identification medium)(identification medium)按物理性质分为:按物理性质分为:固体培养基固体培养基固体培养基固体培养基(solid medium)(solid medium)(solid medium)(solid medium)半固体培养基半固体培养基半固体培养基半固体培养基(semi-solid medium)(semi-solid medium)(semi-solid medium)(semi-solid medium)液体培养基液体培
17、养基液体培养基液体培养基(liquid medium)(liquid medium)(liquid medium)(liquid medium)按发酵过程中所处位置和作用分为:按发酵过程中所处位置和作用分为:斜面或平板固体培养基斜面或平板固体培养基(solid mediumsolid medium)种子培养基种子培养基(seed mediumseed medium)发酵培养基发酵培养基(fermentation medium)(fermentation medium)补料培养基补料培养基(fed medium)(fed medium)(1)(1)斜面或平板固体培养基(斜面或平板固体培养基(so
18、lid mediumsolid medium)包括细菌和酵母的固体斜面或平板培养基,包括细菌和酵母的固体斜面或平板培养基,链霉菌和丝状真菌的孢子培养基。链霉菌和丝状真菌的孢子培养基。作用作用:提供菌体的生长繁殖,形成孢子。提供菌体的生长繁殖,形成孢子。特点特点:菌体生长迅速,产生优质大量的孢子,但菌体生长迅速,产生优质大量的孢子,但不能引起变异,营养丰富。不能引起变异,营养丰富。(2 2)、)、种子培养基(种子培养基(seed mediumseed medium)种子培养基是供孢子发芽和菌体进一步生种子培养基是供孢子发芽和菌体进一步生长繁殖的培养基,包括摇瓶和一二级种子罐培长繁殖的培养基,包括
19、摇瓶和一二级种子罐培养基,为液体培养基。养基,为液体培养基。作用作用:使种子扩大培养,增加细胞数目,生长形使种子扩大培养,增加细胞数目,生长形成强壮、健康和高活性的种子。成强壮、健康和高活性的种子。特点:特点:培养基成分完全,营养丰富,含有容易利培养基成分完全,营养丰富,含有容易利用的碳、氮源和无机盐等,但总体浓度高。用的碳、氮源和无机盐等,但总体浓度高。(3 3)、)、发酵培养基发酵培养基(fermentation(fermentation medium)medium)发酵培养基是提供微生物进行目标产物发酵培养基是提供微生物进行目标产物的发酵生产的培养基,不仅要满足菌体的生的发酵生产的培养基
20、,不仅要满足菌体的生长和繁殖,还要满足菌体合成目标产物,是长和繁殖,还要满足菌体合成目标产物,是发酵生产中最关键和最重要的培养基。发酵生产中最关键和最重要的培养基。作用:作用:供菌体生长繁殖和合成大量代谢产物。供菌体生长繁殖和合成大量代谢产物。特点:特点:组成应丰富完整,营养成分浓度和粘度适组成应丰富完整,营养成分浓度和粘度适中。中。(4 4)、)、补料培养基补料培养基(fed medium)(fed medium)补料培养基是发酵过程中添加的培养基。补料培养基是发酵过程中添加的培养基。作用:作用:稳定工艺条件,延长发酵周期,提高目稳定工艺条件,延长发酵周期,提高目标产物产量。标产物产量。特点
21、:特点:一般按单一成分配制,在发酵过程中各一般按单一成分配制,在发酵过程中各自独立控制加入,或按一定比例制成复合补料自独立控制加入,或按一定比例制成复合补料培养基,再加入。培养基,再加入。3 3、影响培养基质量的因素、影响培养基质量的因素(1 1)、)、原料质量原料质量(2 2)、)、水质水质(3 3)、)、灭菌灭菌(4 4)、)、培养基的黏度培养基的黏度(二)、(二)、温度对发酵的影响及其控制温度对发酵的影响及其控制1 1、温度对发酵的影响温度对发酵的影响 发酵温度对菌体生长和产物的合成的影响存在一发酵温度对菌体生长和产物的合成的影响存在一发酵温度对菌体生长和产物的合成的影响存在一发酵温度对
22、菌体生长和产物的合成的影响存在一个最适温度范围和最佳温度点,偏离一定范围,生长个最适温度范围和最佳温度点,偏离一定范围,生长个最适温度范围和最佳温度点,偏离一定范围,生长个最适温度范围和最佳温度点,偏离一定范围,生长会受到抑制,各种酶的反应速率和产物的性质也会受会受到抑制,各种酶的反应速率和产物的性质也会受会受到抑制,各种酶的反应速率和产物的性质也会受会受到抑制,各种酶的反应速率和产物的性质也会受到影响。到影响。到影响。到影响。温度对培养基发酵液的物理性质也有很大影响,温度对培养基发酵液的物理性质也有很大影响,温度对培养基发酵液的物理性质也有很大影响,温度对培养基发酵液的物理性质也有很大影响,
23、通过影响黏度、溶解氧、传递速率等影响发酵动力学通过影响黏度、溶解氧、传递速率等影响发酵动力学通过影响黏度、溶解氧、传递速率等影响发酵动力学通过影响黏度、溶解氧、传递速率等影响发酵动力学和产物的生物合成。和产物的生物合成。和产物的生物合成。和产物的生物合成。2 2、影响发酵温度变化的因素影响发酵温度变化的因素 发酵过程中的最终能量变化决定了发酵温度,包括发酵过程中的最终能量变化决定了发酵温度,包括发酵过程中的最终能量变化决定了发酵温度,包括发酵过程中的最终能量变化决定了发酵温度,包括产能因素和失能因素的共同作用。产能因素和失能因素的共同作用。产能因素和失能因素的共同作用。产能因素和失能因素的共同
24、作用。发酵热发酵热发酵热发酵热(fermentation heatfermentation heatfermentation heatfermentation heat)等于产生热等于产生热等于产生热等于产生热(production heat)(production heat)(production heat)(production heat)与散失热与散失热与散失热与散失热(loss heat)(loss heat)(loss heat)(loss heat)之差,之差,之差,之差,产生热包括生物热产生热包括生物热产生热包括生物热产生热包括生物热(biological heat)(biolo
25、gical heat)(biological heat)(biological heat)和搅拌热和搅拌热和搅拌热和搅拌热(agitation heat)(agitation heat)(agitation heat)(agitation heat),散失热包括蒸发热,散失热包括蒸发热,散失热包括蒸发热,散失热包括蒸发热(evaporation heat)(evaporation heat)(evaporation heat)(evaporation heat)、显热、显热、显热、显热(sensible heat)(sensible heat)(sensible heat)(sensible
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