发酵工程课程论文 汪昌杰.doc

发酵工程课 程 论 文题 目 抗生素的生产工艺及发展前景 院 系 生物与制药工程 专 业 食品质量与安全 班 级 0902 学 号 2009011457 姓 名 汪昌杰 抗生素生产工艺以及发展前景摘要：抗生素（antibiotics）是由微生物（包括细菌、真菌、放线菌属）或高等动植物在生活过程中所产生的具有抗病原体或其它活性的一类次级代谢产物，能干扰其他生活细胞发育功能的化学物质。1929年英国细菌学家弗莱明发现了人类的第一个抗生素-青霉素。在第二次世界大战期间弗莱明和另外两位科学家经过艰苦的努力，终于把青霉素提取出来制成了制服细菌感染的物资药品。1943-1945年间，抗生素实现了工业化生产，以通气搅拌的深层培养法大规模发酵生产青霉素。随后，四环素、金霉素、万古霉素、氯霉素和链霉素等品种相继被发现并投入生产。关键词： 抗生素 ；生产工艺 ；应用 ；发展前景1、 抗生素的概述 抗生素是青霉素、链霉素、金霉素等一类化学物质的总称。它是生物，包括动物、植物和微生物，在其生产活动过程中所产生，并能在特定条件下有选择性的抑制或杀灭各种细菌感染或抑制致病微生物感染的有机物质。抗生素的生产目前主要用微生物的三级发酵法进行生物合成。很少数抗生素如氯霉素、磷霉素等用化学合成法生产。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。 二、抗生素的发展 早先时期认为,抗生素是微生物在代谢过程中产生,在低浓度下就能抑制其他微生物的生长和活动,甚至杀死其他微生物的化学物质.然而,抗生素的迅速发展很快就突破了这一定义:在来源上,已不局限于微生物,它包括高等动、植物产生的代谢物,也包括用化学方法合成或半合成的化合物;在性能上,从抗菌到抗肿瘤、抗病毒、抗寄生虫等物质亦属抗生素范畴.纵观抗生素的发展史,抗生素的研究、生产大体可分三个发展阶段:1.天然抗生素的发展阶段 1929年英国细菌学家弗莱明(1881-1955)在培养皿中培养细菌时，发现从空气中偶然落在培养基上的青霉菌长出的菌落周围没有细菌生长，他认为是青霉菌产生了某种化学物质，分泌到培养基里抑制了细菌的生长。这种化学物质便是最先发现的抗生素-青霉素在第二次世界大战期间弗莱明和另外两位科学家经过艰苦的努力，终于把青霉素提取出来制成了制服细菌感染的物资药品。因为在战争期间，防止战伤感染的药品是十分重要的战略物资。所以，美国把青霉素的研制放在同研制原子弹同等重要的地位。1943年，这个消息传到中国，当时还在抗日后方从事科学研究工作的微生物学家朱继民，也从长霉的皮革上分离到了青霉菌，并且用这种青霉菌制造出了青霉素。之后,一系列新抗生素如链霉素、氯霉素、金霉素、新霉素、土霉素、红霉素等相继被发现。2.半合成抗生素的发展阶段 1958年,青霉素的活性母核6-氨基青霉烷酸(6-APA) 被发现了,并通过6-APA的酰化反应合成了一系列新的青霉素.随后,对头孢菌素C结构进行改造研究,分离出母核 7-氨基头孢霉烷酸(T-ACA).目前,大多数半合成头孢菌素均为母核7-ACA中的7位氨基酸及3位乙酰甲基进行化学改造制得的衍生物.1960年,通过对四环类抗生素、氨基糖甙类抗生素、大环内酰抗生素、利福平类抗生素等相继进行化学改造,获得了大量具有抗菌谱广、抗菌活力强、稳定、毒性小、易吸收等优点的半合成抗生素.目前,半合成青霉素和半合成头孢菌素品种已不下70个,其产量和销售额占据着抗生素的大半部分。3.药理活性物质的发展阶段 80年代后,又出现了抗生素发展的第三个高峰,这一时期发现的新抗生素的特点是酶抑制剂、免疫调节剂、抗肿瘤活性物质、杀虫剂等药理活性物质开始占有相当大的比例。3、 抗生素的分类1.根据抗生素的生物学来源分类 （1）植物和动物产生的抗生素 如蒜素和鱼素等。(2) 放线菌产生的抗生素 如链霉素、红霉素、四环素和利福霉素等。在已发现的抗生素中，由放线菌产生的抗生素占一半以上，特别是链霉菌属性的抗生素最多。（3）细菌产生的抗生素 如多黏菌素、枯草菌素、短杆菌素等。（4）真菌产生的抗生素 如青霉素、头孢菌素等。这些抗生素对病原菌杀菌浓度和抑菌浓度很接近，所以效率高，毒性低。2.根据化学结构分类（1）-内酰胺类抗生素 如青霉素类、头孢菌素类等。它们都含有一个四元内酰胺环，这是在当前最受重视的一类抗生素。（2）氨基糖苷类抗生素 如链霉素、庆大霉素等。在它们的结构中既含有氨基糖苷，也可以含有氨基环醇的结构。（3）大环内酯类抗生素 如红霉素、螺旋霉素等。它们的结构中含有一个大环内酯作配糖体，以糖苷键和1-3个分子的糖相连。（4）四环类抗生素 如四环素、金霉素和土霉素等。它们都是以四并苯为母核。（5）多肽类抗生素 如多黏菌素、杆菌肽等。它们的结构含有多种氨基酸，经肽键缩合成线状、环状或带侧链的环状多肽。（6）蒽环类抗生素 如阿霉素、柔红霉素等。这一类主要是抗肿瘤类抗生素。四、抗生素生产工艺以青霉素生产工艺为例，如下所示：（1） 工艺流程 消沫剂 冷冻干燥孢子琼脂斜面孢子米孢子种子罐发酵罐 菌体丝综合利用 补料（前体、氮源、碳源） 过滤青霉素回收（二）工艺说明1.菌种 青霉素的生产菌种按其在深层培养中菌丝的形态分为丝状菌和球状菌两种。丝状菌根据其孢子颜色又分为黄孢子丝状菌和绿孢子丝状菌。目前，生产上采用产黄青霉菌的变种绿孢子丝状菌作为青霉素的生产菌种。2.培养基(1) 碳源 主要用以供给菌种生命活动所需的能量，构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。(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、酵母粉等。（3）无机盐和微量元素 抗生素产生菌和其他微生物一样，在生长、繁殖和产生生物产品的过程中，需要某些无机盐类和微量元素。（4）前体 前体是在产物的生物合成过程中，被菌体直接用于产物合成而自身结构无显著改变的物质。(三）工艺控制要点 以青霉素的生产工艺为例来说明。（1）青霉素发酵，要特别注意严格操作防止污染杂菌。在接种前后、种子培养过程及发酵过程中，应随时进行无菌检查，以便及时发现染菌，并在染菌后进行必要处理。（2） 用葡萄糖作为碳源必须控制其加入的浓度，因为它易被菌氧化而产生阻遏作用。加糖主要控制残糖量，加入量决定于耗糖速度、pH变化、菌丝量及培养液体积，加糖率一般不大于0.13%/h。（3）严格控制培养基内前体的浓度，除在基础培养基中加入0.07%以外，应根据发酵过程中合成青霉素的需要加入，其含量不应超过0.1%。否则，对青霉素的生长会产生毒性。（4）青霉素发酵的最适pH为6.5左右。如果pH过高，可以通过补糖、加油、加硫酸或无机氮源等方法调节；如果pH过低，可以采取加CaCO3、加碱或加尿素、氨水等方法调节，但应尽量避免PH超过7.0。5、 抗生素的提取 常用的抗生素提取方法包括有溶媒萃取法、离子交换法和沉淀法等。(1)溶媒萃取法 溶媒萃取可分为液固萃取及液液萃取两大类： 液固萃取（也称浸取）用于萃取存在于菌丝体中的生化物质，如用丙酮提取菌丝体中的灰黄霉素。 抗生素在不同pH条件下，在水与溶媒中溶解度不同，利用此原理就可调节pH的办法使抗生素从发酵滤液转移到有机溶媒中去，以达到浓缩和提纯的目的。所选用的溶媒与水应是互不相溶，同时溶媒在一定的PH下对于抗生素应有较大的溶解度和选择性。（2)离子交换法 离子交换法是液相中的离子和固相中离子间所进行的一种可逆性化学反应，当液相中的某些离子较为离子交换固体所喜好时，便会被离子交换固体吸附，为维持水溶液的电中性，所以离子交换固体必须释出等价离子回溶液中。利用抗生素能解离为阳离子或阴离子的特性，使其与离子交换树脂进行交换，将抗生素吸附在树脂上， 再以适当的条件将抗生素从树脂上洗脱下来，以达到浓缩和提纯的目的。6、 抗生素发展前景 20世纪70年代以来，抗生素工业飞速发展，抗生素新品种不断出现。到目前为止，已经用于临床的抗生素品种有120多种。如果把半合成抗生素衍生物及其盐类计算在内，估计不少于350中。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。目前对抗生素的研究集中表现在以下几个方面： （1）寻找新的抗生素 新的抗生素的来源有从土壤中寻找产生新抗生素的菌种;通过化学结构的改造应用遗传工程手段得到产抗生素菌等。应用遗传工程手段改造已知菌种，将是今后新抗生素的重要来源之一。 （2）解决耐药问题 人们发现，抗生素在反复用于治疗病菌感染时，疗效会逐渐降低，说明病菌会产生耐药性的突变菌株。如何防止和解决耐药菌的产生仍然是今后研究的课题。目前解决耐药途径有:(l)寻找新的抗生素 (2)研制抗生素钝化酶的抑制剂。参考文献： 1陈生，发酵工业词典.北京：轻工业出版社，1992. 2抗生素多学科研究入门M.北京:人民卫生出版社,1995. 3李竹义.工业菌种改良评述.北京:化学工业出版社,1987. 4徐浩.工业微生物学基础及应用M.北京:科学出版社,1991. 5沈同.生物化学M.北京:高等教育出版社,