7抗生素生产工艺.ppt

1 抗生素生产工艺 2 1抗生素的定义和命名 1 1抗生素的生物起源生存竞争说 共生与拮抗 抗生素是拮抗菌分泌的用来与别的微生物战斗的武器代谢说 抗生素的产生是由于生物的代谢功能 而抗生素的抗生现象 只是其作用表现 证据 生产中一定要求纯培养 抗生素生产一般不用诱导物 抗生素生产可加入一些前体 某些微生物在人工合成的培养基才能生产抗生素 有时抗生素的生产也不一定使菌体达到竞争的目的 3 1 2抗生素的定义和命名 1 抗生素的定义 早期 一般认为来源于微生物 且主要作用于细菌感染 故认为抗生素 antibiotics 是微生物在代谢过程中产的 在低浓度下就能抑制它种微生物生长和活动 甚至杀死他种微生物的化学物质 由于抗生素的这种杀菌能力 我们曾经把这类物质叫做抗菌素 4 现在 来源 随着抗生素研究和生产的发展 新的抗生素的来源正在扩大 可以是微生物 植物 如蒜素 常山碱 黄连素 长春花碱 鱼腥草素等 动物 如鱼素 红血球素等 但抗生素的工业化生产主要是来自微生物的大量发酵法 微生物是抗生素舞台上的主角 作用对象 病毒 细菌 真菌 原生动物 寄生虫 藻类 肿瘤细胞等 因此不能把抗生素仅仅作为抗菌药物 5 定义 虽然抗生素已被广泛使用 但是由于抗生素的多样性 关于抗生素的定义在专家中一直存在着分歧 目前 一个大多数专家所接受的定义是 抗生素是由生物 包括某些微生物 植物和动物在内 在其生命活动过程中产生的 能在低浓度下有选择地抑制他种生物机能的低分子量的有机物质 狭义的定义是 抗生素是低分子量的微生物代谢产物 能在很低的浓度下抑制其他微生物的生长 6 掌握狭义的抗生素这个概念 需要把握以下几点 A 低分子量分子量一般不超过几千 如溶菌酶这类酶及其他复杂的蛋白质分子虽然也具有抗菌活性 但由于它们的分子量很大 因而在习惯上不将它们归入抗生素一类 7 B 天然代谢产物只有微生物的天然代谢产物才能称为抗生素 通过化学修饰的只能称为半合成抗生素 根据天然抗生素的结构完全采用化学合成方法制造的则称为全合成抗生素 C 抑制其他微生物生长是指抑制细胞的繁殖 因此是针对微生物群体而不是个别细胞而言的 这种抑制作用一类是永久性的 例如杀细菌剂和杀霉菌剂等可以将微生物杀死 另一类抗生素只能起到抑制微生物繁殖生长的作用 但不能将它们杀死 8 D 低浓度因为在高浓度下 即使是正常的细胞组分 如甘氨酸和亮氨酸 也会对细菌的生长产生抑制作用 基于同样的理由 一些厌氧发酵产物 如乙醇和丁醇 虽然在高浓度下也有杀菌或抑菌作用 也不属于抗生素 典型的抗生素的抗菌活性非常高 只要在微摩尔甚至纳摩尔浓度时就会有显著的抗菌活性 自从A Fleming于1929年发现第一种广泛用于医疗上的抗生素以来 至今已找到1万种以上新抗生素 1984 和合成了7万多种的半合成抗生素 但真正得到临床应用的常用抗生素仅约五六十种 9 按生物的来源 凡是在动 植物或微生物产生的 可按来源命名 如青霉素 赤霉素 蒜素按化学结构命名 化学结构性质清楚的 如四环素 含有四并苯的基本母核 氯四环素 金霉素 氧四环素 土霉素 其它 纪念意义 产地 俗名 2 抗生素的命名 一般分为三类 10 naturalpenicillinR CH2 CO 11 内酰胺环 苯甲异噁唑青霉素 氨苄青霉素 羧苄青霉素 苯氧甲基青霉素 12 2抗生素的发展简史 2 1治疗和发展我国的发展 1953年5月1日 建立了第一个生产青霉素的抗生素工厂 上海第三制药厂 1958年6月3日 最大的抗生素联合企业建成投产 华北制药厂 石家庄 目前 多为原料药基地 但在半合成及成品药的剂型方面与国外相比差距很大 13 抗生素滥用的重灾区 中国是抗生素使用大国 也是抗生素生产大国 年产抗生素原料大约21万吨 出口3万吨 其余自用 包括医疗与农业使用 人均年消费量138克左右 美国仅13克 2011年4月7日是世界卫生日 首届合理用药大会在这一天召开 恰好契合了世界卫生日的主题 抵御耐药性 今天不采取行动 明天就无药可用 14 后抗生素时代 如果不再控制抗生素的滥用状态 二十一世纪人类有可能失去抗生素这个有利的治疗武器 重新回到没有抗生素的时代 所谓 后抗生素时代 后抗生素时代是倒退 我们可能回到没有药物可使用的状态 大量的传染性疾病将危害人类的身体健康和生命 虽然这是一种悲观的想法 但悲观的很有道理 细菌产生耐药速度比新药物开发的速度快得多 这是一个确实的现象 15 抗生素 你知多少 连续使用抗生素不宜超过一周抗生素 消炎药抗生素可预防感染广谱抗生素优于窄谱抗生素新的抗生素比老的好 贵的抗生素比便宜的好使用抗生素的种类越多 越能有效地控制感染感冒就用抗生素发烧就用抗生素频繁更换抗生素一旦有效就停药毒性反应 16 3抗生素的分类 抗生素的分类主要是便于研究 不同学科和科研人员因出发点不同有不同的分类体系 可根据生物来源 作用对象 化学结构 作用机制 生物合成途径等方面对抗生素进行分类 3 1根据抗生素的生物来源分类 生物学家 1 放线菌产生的抗生素 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 其中链霉菌属最多 诺卡氏菌属 小单孢菌次之 2 真菌产生的抗生素 如青霉菌属和头孢菌属等分别产生一些很重要的抗生素 青霉素 灰黄霉素 头孢菌素 17 3 细菌产生的抗生素 如多粘杆菌 枯草杆菌 芽孢杆菌等 如多粘菌素 4 植物或动物产生的抗生素 从被子植物蒜中制得的蒜素 从动物脏器中制得的鱼素等 3 2根据抗生素的作用对象分类 医生 病理学家 1 广谱抗生素 如氨卞青霉素既抑制G 又抑制G 2 抗G 的抗生素 如青霉素 3 抗G 的抗生素 如链霉素 3 抗真菌的抗生素 如制霉菌素 4 抗病毒的抗生素 如四环类抗生素对立克次氏体及较大病毒有一定作用 5 抗癌的抗生素 如阿霉素 18 3 3根据抗生素的化学结构分类 化学家 较复杂 目前已确定结构的抗生素习惯如下分类 1 内酰胺类抗生素 包括青霉素类 头孢菌素类等 2 氨基糖苷类抗生素 包括链霉素 庆大霉素等 3 大环内脂类抗生素 如红霉素 麦迪加霉素 4 四环类抗生素 如四环素 土霉素 5 多肽类抗生素 如多粘菌素 杆菌肽 6 蒽环类抗生素 如阿霉素 柔红霉素 7 喹诺酮类抗生素 如环丙沙星 诺氟沙星 19 3 4根据抗生素的作用机制分类此种分类的优点 便于进行理论研究 有助于了解抗生素影响病原体新陈代谢的哪些环节 从而找出治疗的规律 使抗生素的使用更为合理 1 抑制细胞壁合成的抗生素 如青霉素 2 影响细胞膜功能的抗生素 多烯类抗生素 3 抑制病原菌蛋白质合成的抗生素 四环素 4 抑制核酸合成的抗生素 如影响DNA结构和功能的丝裂霉素C 5 抑制生物能作用的抗生素 如抑制电子转移的抗霉素 20 3 5根据抗生素的合成途径分类 1 氨基酸 肽类衍生物抗生素 如青霉素类 头孢菌素等寡肽抗生素 2 糖类衍生物抗生素 如链霉素等糖苷类抗生素 3 以乙酸 丙酸为单位的衍生物抗生素 红霉素等丙酸衍生物 问题 一种抗生素可能有几种机制 机制非常清楚的不多 21 4抗生素的剂量表示法及抗菌谱 4 1抗生素的剂量表示法抗生素应用时剂量小 因此除重量外 常用特定的效价单位表示 1 稀释单位 无法制得纯品 最初的表示方法 一定基于稀释法定的基准单位 一个青霉素的效价单位 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的发育的最小青霉素剂量 一个链霉素效价单位 能在1mL肉汤培养基中完全抑制大肠杆菌 ATCC9637 发育的最小剂量 22 2 重量单位 以抗生素的有效成分 生理活性成分 的重量作为抗生素的基准单位 大多数使用 一般定义1mg 1400单位 对于各种酸 碱 盐 指定其中的一个 如链霉素 氯霉素等以游离碱计 又如金霉素 氯霉素以盐酸盐计 例1 1mg硫酸链霉素的效价 1400 580 1 链霉素碱的分子量 728 1 硫酸链霉素的分子量 798U 实际上使用的要求必须大于720U 例2 1mg青霉素G钠盐 可抑制83300ml中的金黄色葡萄球菌的生长 有多少单位 解 83300 50 1667U 1U 0 6 g 23 4 2抗生素的体外抗菌作用判断药物有无抗菌作用及其抗菌作用的强弱 有体外和体内两种试验方法 一般先进行体外抗菌试验 若发现药物有抗菌作用 可再进行体内抗菌试验 体外抗菌试验主要用于筛选抗菌药物或测定细菌对药物的敏感性 所以也称为药敏试验 常用最低抑菌浓度 MICminimuminhibitoryconcentration 表示 是指药物完全抑制某种微生物的最低浓度 1 抑菌 杀菌作用抑菌作用 抗生素存在时细菌的繁殖受到抑制 去除抗生素后 对细菌的抑制作用消失 杀菌作用 对细菌的不可逆损害 导致死亡 2 菌种的最低药物敏感度测定 24 最小抑菌浓度 MIC 培养24h以最低浓度无菌体生长者 用来表示抗生素的抗菌活性作用 单位是 g mL 最小杀菌浓度 MBC 次代继续孵化24h以最低浓度无菌生长者 即当药物浓度在稍高于MIC值浓度下的抑菌作用是不可逆的 称为杀菌作用 最低抑菌浓度与最低杀菌浓度可以相同 也可以有所不同 最低杀菌浓度的确定即依次将未见细菌生长的各管培养物各吸取0 1mL涂布于合适的琼脂培养基平板上 在规定的温度下培养18 24h 平板上的菌落数小于5个的最小稀释度的药物浓度即为最低杀菌浓度 3 抗菌谱 某种抗生素所能抑制或杀灭病原体的范围 称之为该种抗生素的抗菌谱 25 4 3医疗用抗生素应具备的条件 1 抗生素在低浓度下对多种病原菌有效 高效 2 难以使病原菌产生耐药性 交叉用药 防止最重要 3 较大的差异毒性 副作用小 26 生产方法 1 生物合成法 传统方法 工程菌 制造法 细胞融合技术法2 化学合成法 3 生物合成加化学合成法 5抗生素的生产工艺 27 1 生物合成法 传统方法大多数抗生素是由放线菌和霉菌产生的 菌种是通过从土壤中分离 筛选获得 一般采用深层通风搅拌发酵罐生产 传统方法目前存在很多不足 因此 人们采用基因工程和细胞融合技术 对抗生素产生菌进行了改造和重新设计 不仅可以制造出许多高效低毒的新型抗生素 还可改革工艺 使抗生素产量成倍地增长 28 工程菌 制造法第一次由 工程菌 制造的全新抗生素 麦迪紫红素A 是美国报道的 他们将产放线紫红素的部分基因插入产麦迪霉素的放线菌中 构建的 工程菌 产生了全新的抗生素 我国新构建的生产丁胺卡那霉素的 工程菌 就是把酰化酶基因克隆到卡那霉素产生菌中获得的 新的 工程菌 生产的新抗生素毒副作用小 对耐卡那霉素 庆大霉素致病菌临床疗效显著 29 细胞融合技术法对抗生素产生菌采用细胞融合技术的成果更为突出 橄榄色无孢小单孢菌细胞融合株抗生素产率比原菌株提高140倍 目前DNA重组技术已广泛用于红霉素 链霉素等20多种抗生素的育种工作 可以预见不久将来会有更多的由 工程菌 生产的新型抗生素问世 30 2 化学合成法根据某种抗生素的化学组成和结构 通过化学合成的方法 可生产部分抗生素 如 氯霉素 磷霉素等 经过化学合成方法和控制条件的不断深入研究 越来越多的抗生素可用化学合成法生产 31 3 生物合成加化学合成法许多细菌逐渐出现了抗药性 已经证实某些抗药性因子位于细菌内的质粒上 质粒可以在细菌之间转移 结果抗性菌日益增多 抗生素疗效就越来越低 为了对付细菌的抗药性 科学家对原有的抗生素进行了 整容手术 细菌因再无法识别改头换面的抗生素而被抑制或杀死 现在已能使用克隆了酰化酶基因的 工程菌 大肠杆菌 高效率的生产半合成抗生素 临床现在使用的贵重特效药物先锋霉素 头孢菌素类 氨苄青霉素 就是这类半合成抗生素类药物 国外已有几十种这类药物在实验室研制成功 32 抗生素制备的一般流程图 菌种孢子制备种子制备发酵发酵液预处理及种子加滤提取及精制成品检验成品包装 前体 发酵阶段 提取阶段 33 青霉素的理化性质 青霉素本身为一元酸 可与钾 钠 镁 钙 铝和铵等化合成盐类 易溶于水 游离酸易溶于醇 酮 醚 酯等一般有机溶剂 游离酸或盐类的水溶液均不稳定 极易失去抗菌效力 不耐热 一般保存于冰箱中 但青霉素盐的结晶纯品 在干燥条件下可于室温保存数年 青霉素的抗菌效力与其分子中的 内酰胺环有关 34 抗菌作用和临床应用 青霉素主要抑制革兰氏阳性细菌 但对某些革兰氏阴性细菌 螺旋体及放线菌也有强大的抗菌作用 青霉素的抗菌作用与抑制细胞壁的合成有关 青霉素临床上用于治疗葡萄球菌传染症如脑膜炎 化脓炎 骨髓炎等 溶血性链球菌传染症如腹膜炎 产褥热 以及肺炎 淋病 梅毒和炭疽等 35 36 37 1 菌种 产黄青霉生长发育分六个阶段 期 菌丝生长期 适宜做种子 期 青霉素分泌期 期 菌丝体自溶期 青霉素的生产工艺 38 青霉素产生菌的生长过程 分生孢子发芽期菌丝繁殖期脂肪粒形成期脂肪粒减少 小空孢大空孢自溶 菌丝生长期 青霉素分泌期 菌丝自溶期 39 2 培养基 碳源 乳糖 蔗糖 葡萄糖等 氮源 玉米浆 麸皮粉 无机氮源 前体 苯乙酸或苯乙酰胺 一次 0 1 无机盐 S P Ca Mg K等 铁离子有害 控制在 30 g mL 40 3 发酵条件控制补糖 残糖降至0 6 PH上升 补氮 氨氮0 05 补硫铵 氨水或尿素 补前体 使发酵液中残余苯乙酸或苯乙酰胺浓度为0 05 0 08 PH 6 4 6 6