生物制药工艺学总结

第一章生物药物概述生物制药工艺学1、我国药物的三大药源指的是化学药物、 生物药物、中草药。指菌苗、疫苗、毒素、应变原与血液制品等。新生物制品审批办法生物制品定义：是应用普通的或以基因工程、细胞工程、蛋白质工程、发酵工程等生物技术获得的微生物、细胞及各种动物和人源的组织和液体等生物材料制备的，用于人类疾病预防、治疗和诊断的药品。4、 生化药物、微生物药物生化药物 ：指从生物体（动物、植物、和微生物中获得的天然存在的生化活性物质（或者合成、半合成的天然物质类似物），其有效成分和化学本质多数比较清楚，通常按其化学本质和药理作用分类命名。微生物药物 ：是一类特异的天然有机化合物，包括微生物的初级代谢产物、次级代谢产物和微生物结构物质，还包括借助微生物转化产生的药物或中间体。5、 基因重组药物与基因药物有什么区别？基因重组药物属于基因工程药物，这类药物主要是应用基因工程和蛋白质工程技术制造的重组活性多肽、蛋白质及其修饰物。而基因药物不是基因工程药物，这类药物是以基因物质（rna或dna及其衍生物）作为治疗的物质基础，包括基因治疗用的重组目的dna片段、重组疫苗、反义 药物和核酶等。6、 生物药物有哪些作用特点？ 答：药理学特性：1） 活性强 : 体内存在的天然活性物质2） 治疗针对性强,基于生理生化机制3） 毒副作用一般较少，营养价值高4） 生理副作用常有发生，可能具免疫原性或产生过敏反应理化特性： 1）生物材料中有效成分浓度低，杂质种类多且含量相对较高2） 生物活性物质组成结构复杂、稳定性差3） 生物材料易染菌、腐败4） 生物药物制剂的特殊要求：缓释、控释大 类 。 选择题：5、由于目的蛋白质和杂蛋白分子量差别较大，拟根据分子量大小分离纯化并获得目的蛋白质，可采用（ c）a 、sds 凝胶电泳b 、盐析法c、凝胶过滤d、吸附层析6、分离纯化早期，由于提取液中成分复杂，目的物浓度稀，因而易采用（a）a 、分离量大分辨率低的方法b、分离量小分辨率低的方法c、分离量小分辨率高的方法d、各种方法都试验一下，根据试验结果确定7、 简述生物活性物质分离纯化的主要原理。生物大分子分离纯化的主要原理是：1 ）根据分子形状和大小不同进行分离，如差速离心与超离心、膜分离、凝胶过滤等；2 ）根据分子电离性质（带电性）差异进行分离，如离子交换法、电泳法、等电聚焦法；3 ）根据分子极性大小及溶解度不同进行分离，如溶剂提取法、盐析法、等电点沉淀及有机溶剂分级沉淀等；4 ）根据物质吸附性质的不同进行分离，如选择性吸附与吸附层析等；5 ）根据配体特异性进行分离，如亲和层析法等。8、生化制药的六个阶段（ 1）原料的选择和预处理（ 2）原料的粉碎（ 3）提取：从原料中经溶剂分离有效成分，制成粗品的工艺过程。（ 4）纯化：粗制品经盐析、有机溶剂沉淀、吸附、层析、透析、超离心、膜分离、结晶等步骤进行精制的工艺过程。（ 5）浓缩、干燥及保存（ 6）制剂：原料药（精制品）经精细加工制成片剂、针剂、冻干剂、粉剂等供临床应用的各种剂型。9、生物活性物质的来源及生物材料选择的质量准则（一）生物活性物质的来源动物脏器血液、分泌物和其他代谢物海洋生物植物微生物开发生物新资源（二）生物原料选择的质量准则： 有效成分含量高的新鲜材料； 来源丰富易得；成本比较低；杂质含量少原料的采集不破坏生态环境, 对环境友好的原材料资源。10、常用的活性物质提取的方法有哪些？酸、碱、盐水溶液提取方法表面活性剂提取方法与反胶束提取方法有机溶剂提取双水相萃取法超临界萃取法11、盐溶作用的原理？在稀盐溶液中，盐离子作用于生物大分子表面，增加了表面电荷，使之极性增加，水合作用增强， 促进形成稳定的双电层，对生物大分子起到助溶作用。12、活性物质提取时的保护性措施哪些？ 活性物质的保护措施：（ 1）缓冲盐系统：防止ph 大幅度变化（ 2）保护剂：还原剂、酶的底物、金属鳌合剂（ 3）抑制水解酶的作用加 edta 除去重金属抑制酶活性选择热变性 ,使蛋白酶变性添加酶抑制剂（ 4）其它保护措施（防过冷、过热、酸、碱、紫外线、搅拌、高频振荡等）13、生物制药中分离制备方法的基本原理有哪些？（ 1）据分子形状和大小：差速离心与超离心、膜分离（透析，电渗析）与超滤，凝胶过滤法。（ 2） 据分子电离性质的差异性：离子交换法，电泳法，等电聚集法。（ 3）据分子极性大小及溶解度不同：溶剂提取法，盐析法，等电点沉淀法及有机溶剂分级沉淀法。（ 4）据物质吸附性质的不同：选择性吸附法与吸附层析法。（ 5）据配体特异性进行分离：亲和层析法。第三章生物材料的预处理、细胞破碎和液-固分离1.细胞培养液的预处理方法。（书 p117-120）1）细胞及蛋白质的处理（ 1）加入凝聚剂（2）加入絮凝剂（3）变性作用（ 4）吸附（ 5）等电沉淀（ 6）加各种沉淀剂沉淀2） .多糖的去除3） .高价金属离子的去除2. 凝聚作用和絮凝作用的原理各是什么？凝聚作用：指在某些电解质作用下，使胶体粒子的扩散双电层的排斥电位降低，破坏了胶体系统的分散状态，而使胶体粒子聚集的过程。絮凝作用：当往胶体悬浮液中加入絮凝剂时，胶粒可强烈吸附在絮凝剂表面的功能团上，而且一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的颗粒的表面上，形成架桥联接，形成粗大的絮凝团沉淀出来，有助于过滤。3. 常用的细胞破碎方法有哪些？1） 机械法：匀浆法、珠磨法、超声波2） 物理法：干燥、冻融、渗透压冲击3） 化学法：化学试剂处理、制成丙酮粉4） 生物法：酶解法、自溶4. 固液分离方法有哪些？1）、细胞及蛋白质的处理（ 1）加入凝聚剂al 2(so4)318h 2o、alcl 36h 2o、fecl3、znso 4、mgco 3（ 2）加入絮凝剂絮凝剂：有机高分子，易溶，链长，活性功能基团多影响因素：分子量、用量、ph、操作条件（搅拌）（ 3）变性作用（ 4）吸附加入吸附剂：活性碳除热原加入反应剂：相互作用形成沉淀吸附蛋白质（ 5）加各种沉淀剂沉淀2）过滤：常规和错流3）离心：过滤式离心和沉降式离心第四章萃取法1. 掌握萃取与反萃取，分配系数与分配比，萃取比和萃取率，分离因素的概念。（ 1）萃取：料液与萃取剂接触后，料液中的溶质向萃取剂转移的过程（ 2）反萃取：将萃取液与反萃取剂（含无机酸或碱的水溶液或水）相接触，使某种被萃入有机相的溶质转入水相的过程。（ 3）分配定律：一定温度、一定压力下，某一溶质在互不相溶的两种溶剂间分配时，达到平衡后； 在两相中的活度之比为一常数，如果是稀溶液，可以用浓度代替活度，即：k称为分配系数。cl萃取相浓度kcr萃余相浓度（ 4）在萃取过程中，溶质在两相的分子形式常常并不相同，仍然采用类似分配定律的公式作为基本公式。这时候溶质在萃取相和萃余相中的浓度，以分配比表示。分配比（ d）：两相中各种化学形式进行分配的溶质总浓度的比值dcl crcl1cr1cl2cr2cl3cr3clnk表crnk 表示在特定的平衡条件下，被萃物在两相中的有效浓度（即分子形式一样）的比值；d表示实际平衡条件下被萃物在两相中总浓度（即不管分子以什么形式存在）的比值。分配比随着萃取条件变化而改变。（ 5）萃取因素：也称萃取比，指被萃取溶质进入萃取相的总量与该溶质在萃余相中总量之比。通常以 e 表示。e萃取相中溶质总量萃余相中溶质总量m 1v1v 1k表m 2v 2v 2（ 6）萃取率：一种萃取剂对某种溶质的萃取能力（工业上用）（ 7）分离因素：料液中的溶质并非是单一的组分，除了所需产物（ a ）外，还存在有杂质（ b）。分离因素常用 表示，其定义为： 在同一萃取体系内两种溶质在同样条件下分配系数的比值。 值越大（或越小）分离效果越好，越接近于 1，分离效果越差。c a1 / cb 1k ac a2 / cb 2k b2. 萃取的方法有哪些？萃取按照操作方式分类：（一）单级萃取（二）多级错流萃取（三）多级逆流萃取方法：溶剂萃取、双水相萃取、反胶团萃取、超临界萃取3. 影响溶剂萃取的因素？（ 1）、乳化和破乳化（ 2）、ph 的影响（ 3）、温度和萃取时间的影响（ 4）、盐析作用的影响（ 5）、溶剂种类、用量及萃取方式的选择4. 萃取的步骤有哪些？（ 1）、混合（ 2）、液 液两相分离（ 3）、离心萃取（ 4）、溶剂回收5. 双水相萃取、反胶束萃取、超临界流体萃取基本原理及各自的优点？（ 1）双水相萃取原理：利用生物物质在互不相溶的两水相间分配系数的差异进行分离的过程。优点：保留产物的活性、可连续化操作（ 2）反胶束萃取：原理：表面活性剂溶于非极性溶剂中，并使其浓度超过临界胶束浓度，便会在有机溶剂内形成聚集体，非极性基团在外，极性基团则排列在内，形成一个极性核，此极性核具有溶解极性物质的能力。当含有此种反胶束的有机溶剂与蛋白质的水溶液接触后，蛋白质及其他亲水性物质能够溶于极性核内部的水中，由于周围的水层和极性基团的保护，蛋白质不与有机溶剂接触，从而不会造成失活。优点：具有成本低、溶剂可反复使用、萃取率和反萃取率都高等。（ 3）超临界流体萃取原理：利用处于临界压力和临界温度以上的一些溶剂流体所具有特异增加物质溶解能力来分离纯化的技术。当气体物质处于其临界温度(tc) 和临界压力 (pc)以上时，不会凝缩为液体，只是密度增大，具有许多特殊的物理化学性质：流体的密度接近于液体的密度,粘度接近于气体；在临界点附近,超临界流体的溶解度对温度和压力的变化非常敏感； 优点 : 具有广泛的适应性：萃取效率高，过程易于调节：分离工艺流程简单：有些分离过程可在接近室温下完成缺点：分离过程必须在高压下进行，设备及工艺技术要求高，投资比较大，普及应用较为困难。6. 什么是流体，利用co2 作为超临界萃取的优点流体是液体和气体的总称。流体是由大量的、不断地作热运动而且无固定平衡位置的分子构成的，它的基本特征是没有一定的形状和具有流动性。利用 co2作为萃取剂主要有以下优点:(1) 二氧化碳超临界温度( tc=31.06 ) 是所有溶剂中最接近室温的，可以在35 40的条件下进行提取 , 防止热敏性物质的变质和挥发性物质的逸散。(2) 在 co2气体笼罩下进行萃取, 萃取过程中不发生化学反应; 又由于完全隔绝了空气中的氧, 因此 ,萃取物不会因氧化或化学变化而变质。(3) 由于 co2无味、无臭、无毒、不可燃、价格便宜、纯度高、容易获得, 使用相对安全。(4)co2 是较容易提纯与分离的气体, 因此萃取物几乎无溶剂残留, 也避免了溶剂对人体的毒害和对环境的污染。(5) co2扩散系数大而粘度小, 大大节省了萃取时间, 萃取效率高。7、破乳方法主要有哪些？1） 加表面活性剂：改变界面张力2） 离心：促进乳状液滴碰撞聚集3） 电解质：中和电荷，盐析蛋白质4） 加热：促液滴布朗运动增加，降低黏度5） 吸附：介质对油和水的吸附能力差异破乳6） 高压电：破坏双电层等7） 稀释：降低乳化剂浓度8） 其他：超滤、反应萃取、结合萃取剂和破乳剂的筛选第五章固相析出分离1.固相析出法主要包括盐析法，法及其它多种沉淀方法等。有机溶剂沉淀法，等电点沉淀法，结晶2.按照一般的习惯，析出物为晶体时称为法。结晶法，析出物为无定形固体则称为沉淀两种类型：（1） 在一定的ph 和温度下改变离子强度（盐浓度）进行盐析，称作ks 盐析法。由于蛋白质对离子强度的变化非常敏感，易产生共沉淀现象， 因此常用于提取液的前处理。（2） 在一定离子强度下仅改变ph 和温度进行盐析，称作 盐析法。由于溶质溶解度变化缓慢，且变化幅度小，因此分辨率更高，后期分离（结晶）。2.52.01.5ogs1.0s0l0.50-0.5-1.0-1.51234564. 结晶包括三个过程：(1)形成飽和溶液；(2)晶核形成； (3)晶体生长。5.晶体的质量主要是指晶体的大小、形状和纯度等 3 个方面。选择 ：1、 在一定的 ph 和温度下改变离子强度（盐浓度）进行盐析，称作(a ) a ks 盐析法b 盐析法c重复盐析法d分部盐析法2、盐析法与有机溶剂沉淀法比较，其优点是（b）a. 分辨率高b. 变性作用小c.杂质易除d. 沉淀易分离3、 将配基与可溶性的载体偶联后形成载体-配基复合物，该复合物可选择性地与蛋白质结合，在一定条件下沉淀出来，此方法称为（a ）a 亲和沉淀b聚合物沉淀c金属离子沉淀d盐析沉淀4、影响晶体大小的主要因素与下列哪些因素无关( d )a 过饱和度b 温度c搅拌速度d 饱和度思考题1. 沉淀与结晶有何不同？常用的沉淀方法包括哪些？结晶是指溶质自动从过饱和溶液中析出，形成新相的过程。沉淀是溶液中难溶解的固体物质从溶液中析出的过程。结晶法：析出物为晶体。沉淀法：析出物为无定形固体。沉淀方法：（ 1）有机溶剂沉淀法（ 2）等电点沉淀（ 3）成盐沉淀法（ 4）亲和沉淀（ 5）高分子聚合物沉淀法（ 6）表面活性剂沉淀法2 .何谓盐析？其原理是什么？常用的盐析方法有哪些？影响盐析的主要因素有哪些？盐析操作时常用的盐是什么？（1） 盐析法是利用各种生物分子在浓盐溶液中溶解度的差异，通过向溶液中引入一定数量的中性盐，使目的物或杂蛋白以沉淀析出，达到纯化目的的方法。（2） 原理：盐溶现象和盐析作用盐析作用的原理是：破坏双电层： 在高盐溶液中， 带大量电荷的盐离子能中和蛋白质表面的电荷，使蛋白质分子之间电排斥作用相互减弱而能相互聚集起来。破坏水化层： 中性盐的亲水性比蛋白质大，盐离子在水中发生水化而使蛋白质脱去了水化膜， 暴露出疏水区域，由于疏水区域的相互作用，使其沉淀。（3） 影响盐析的因素无机盐的种类盐析用盐的选择：盐析作用要强盐析用盐需有较大的溶解度盐析用盐必须是惰性的来源丰富、经济溶质（蛋白质等）种类：ks、溶质（蛋白质等）浓度：23%温度ph（4） 盐析中常用的盐：硫酸铵、硫酸钠、磷酸钾、磷酸钠。硫酸铵是最常用的蛋白质盐析沉淀剂3 . 有机溶剂沉淀法的主要原理是什么？影响有机溶剂沉析的主要因素有哪些？（1） 主要原理：亲水性有机溶剂加入溶液后降低了介质的介电常数，使溶质分子之间的静电引力增加，聚集形成沉淀。水溶性有机溶剂本身的水合作用降低了自由水的浓度，压缩了亲水溶质分子表面原有水化层的厚度，降低了它的亲水性，导致脱水凝集。以上两种因素相比较，脱水作用比静电作用强。（2） 影响沉淀效果的因素有机溶剂种类 ph 的影响温度无机盐的含量某些金属离子的助沉淀作用样品浓度4. 什么是结晶？结晶过程包括哪些？在何种条件下，溶液中才有晶体析出？（1） 溶液中的溶质在一定条件下因分子有规则的排列而结合成晶体。结晶是指溶质自动从过饱和溶液中析出，形成新相的过程。（2） 过程：形成过饱和溶液；晶核形成；晶体生长（3） 溶质只有在过饱和溶液中才能析出条件：推动力： 形成新相 （固体） 需要一定的表面自由能。因此， 溶液浓度达到饱和溶解度时，晶体尚不能析出，只有当溶质浓度超过饱和溶解度后，才可能有晶体析出。晶核：最先析出的微小颗粒是以后晶体的中心，称为晶核。首先形成晶核，由kelvin 公式，微小的晶核具有较大的溶解度。实质上，在饱和溶液中，晶核是处于一种形成溶解再形成的动态平衡之中，只有达到一定的 过饱和度以后，晶核才能够稳定存在。5. 提高晶体质量的途径晶体质量包括三个方面的内容：晶体大小、形状和纯度（1） 晶体大小1）过饱和度过饱和度值应大至使结晶操作控制在亚稳区内，又保持较高的晶体生长速率，使结晶高产而优质。2）温度（缓慢冷却）3） 搅拌速度：适当，不宜太快4） 晶种：诱导结晶，控制晶体形状大小均匀度（2） 晶体形状控制晶体生长速度和结晶温度控制过饱和度选择不同的溶剂调节溶液的ph有目的地加入某种能改变晶形的杂质（3） 晶体纯度杂质对晶体的成长速率的影响较为复杂，有的杂质能抑制晶体的成长，有的能促进成长，有的能改变晶型。过滤分离母液中的杂质晶体越细小，杂质越多洗涤有利提高纯度结晶速度过快，易产生 “晶蔟 ”，包含杂质（4） 晶体结块原因：粒度不齐、空气湿度高、温度高、受压、贮存时间增长措施：控制粒度分布、良好外形、干燥密闭容器贮存（5） 重结晶：晶体用合适溶剂溶解后再次结晶，提高纯度第六章吸附分离法1、吸附剂按其化学结构可分为两大类：一类是有机吸附剂，如活性炭、淀粉、大孔吸附树脂等；另一类是无机吸附剂，如白陶土、氧化铝、硅胶、硅藻土等。2、常用的吸附剂有活性炭、硅胶和白陶土等。3、大孔网状聚合物吸附剂按骨架的极性强弱，可分为非极性、中等极性、极性和强极性吸附剂四类。选择：1、用大网格高聚物吸附剂吸附的弱酸性物质，一般用下列哪种溶液洗脱（ d）a. 水b.高盐c.低 phd.高 ph2 、“类似物容易吸附类似物”的原则 ,一般极性吸附剂适宜于从何种溶剂中吸附极性物质（b ）a. 极性溶剂b. 非极性溶剂c.水d.溶剂3、活性炭在下列哪种溶剂中吸附能力最强？（ a）a. 水b.甲醇c.乙醇d. 三氯甲烷4、 关于大孔树脂洗脱条件的说法，错误的是：（ a ） a . 最常用的是以高级醇、酮或其水溶液解吸。b. 对弱酸性物质可用碱来解吸。c. 对弱碱性物质可用酸来解吸。d. 如吸附系在高浓度盐类溶液中进行时，则常常仅用水洗就能解吸下来。问答：1、吸附原理吸附作用： 界面上的分子同时受到不相等的两相分子的作用力，界面分子的力场不饱和，即存在一种固体的表面力，能从外界吸附分子、原子或离子， 并在吸附剂表面附近形成多分子层或单分子层。2、大网格吸附剂及其吸附的特点大孔网状吸附剂（大网格吸附剂)： 在树脂聚合时加入惰性的致孔剂，待网格骨架固化和链结构单元形成后， 用溶剂萃取或蒸馏水洗将致孔剂去掉，形成不受外界环境条件影响的孔隙， 其孔径远大于2 4nm，可达 100nm，故称 “大孔 ”。特点：选择性好、解吸容易、理化性质稳定、机械强度好、可反复使用等优点。其孔隙大小、 骨架结构和极性，可按照需要，根据不同的原料和合成条件而改变，因此可适用于吸附各种有机化合物。适合弱电解质及非离子型化合物分离。3、大网格吸附剂吸附的操作过程树脂选择吸附条件选择洗脱条件选择预处理、上样、吸附、洗杂、洗脱、再生第七章凝胶层析1、葡聚糖凝胶的孔径大小取决于交联度，其越小，凝胶孔径越大； 而琼脂糖凝胶的孔径却依赖于琼脂糖浓度。2、琼脂糖凝胶的一个特征是分离的分子量范围非常大，其分离范围随着凝胶浓度上升而下降，颗粒强度随浓度上升而提高。选择：1、凝胶层析中，有时溶质的kd1 ，其原因是（ b ）a. 凝胶排斥b. 凝胶吸附c.柱床过长d. 流速过低2、凝胶层析中，有时小分子溶质的kdei 稳定性， i 使 es 结合紧， i， e 洗脱出来。7、亲和层析：利用生物大分子物质具有与某些相应的分子专一性可逆结合的特性而建立的层析技术。8、亲和膜分离：用亲和配基修饰的微滤膜为亲和吸附介质亲和纯化目标蛋白质的方法。9、金属离子亲和层析：利用金属离子的络合或形成螯合物的能力吸附蛋白质的分离系统。四、回答问题：1、亲和层析的原理是什么？主要特点是什么？原理 :（1）配基固定化：配基与载体偶联，结合成具有特异亲和性的分离介质。（ 2）吸附样品：亲和层析介质选择性吸附生物活性物质.（ 3）样品解吸：选择适宜的条件使被吸附物活性物质解吸。特点：经过一次处理可得到高纯度活性物质；设备要求不高、操作简便、特异性强、分离速度快、分离效果好、分离条件温和； 亲和吸附剂通用性较差，专用的吸附剂。2、对亲和层析的公式进行说明。设kl =10 -7，求 l 0（1）对亲和层析公式的说明如下：式中， e被分离的酶，l 配基，el 复合物，k l为 el 复合物的解离常数根据化学反应平衡方程式：式中， eo 和 lo分别为原始的酶浓度和配基浓度，当lo eo 时， lo-el lo，则在亲和层析中，定义分配比k 为：一般柱层析公式为：式中， ve蛋白质洗脱体积；vo凝胶载体外水体积。由此可导出亲和势与洗脱体积的关系式：（ 2）求l 0：因为 k l=10 -7，所以10， l03、何谓 “手臂 ”？其长短与亲和层析效果有何联系？为什么？ “手臂”就是用来消除空间障碍插在载体和配基间的基团。手臂的长度是有限的，不可太短也不可太短也不可太长，太短不能起消除空间障碍的作用， 太长往往会使非特异性吸附增加。4、什么是拟生物亲和层析？其中多肽配基有何优点？（1） 拟生物亲和层析是利用部分分子相互作用，模拟生物分子结构或某些特定部位，以人工合成的配基为固定相吸附分离目的蛋白质的亲和层析。（2） 多肽配基的优点：只含有一些氨基酸，即使脱落也不会产生免疫反应；与抗体配基相比，稳定性好；成本低；与金属和染料配基相比，特异性较高，且通常无毒；可采用温和的洗脱条件避免了蛋白质的变性失活，收率高第十章离心分离技术离心技术： 利用旋转产生的离心力代替重力，加速固体沉降速度的一种分离方式。差分离心法： 差分离心法亦称为“差速离心法 ”，是依据不同大小和密度的颗粒在离心力场中沉降速度的不同进行离心分离的一项技术。速度区带离心法：又称速率区带离心法或分级区带离心法。它是将样品放在一个连续的密度梯度液体上，通过离心，大颗粒沉降快，小颗粒沉降慢。经过一段时间，相同的颗粒就在同一深度。形成一条带子，因此把各种组份分开来。等密度区带离心法：离心力作用下，不同密度的多组分颗粒在梯度介质中“向上 ”或“向下 ” 移动，当移动至其密度与介质密度相等的位置便不再移动，形成静止区带， 即达到离心平衡， 各组分按密度不同处于区带的不同位置。该离心方法称等密度离心法。第十一章膜分离技术1、克服浓差极化现象的措施有振动、搅拌、错流、切流。1、透析是膜分离技术的一种，通常利用透析技术进行( b ) a 脱脂b 脱盐c除菌d 除热源2 在超滤过程中，主要的推动力是（c）a.浓度差b. 电势差c. 压力d.重力1. 不对称膜