发酵工程制药

1、会计学1发酵工程制药发酵工程制药u第三阶段20世纪40年代初，第二次世界大战爆发，青霉素迅速工业大规摸生产。深层培养、生产大规模化、多种抗生素、氨基酸、核酸发酵成功。FERMENTATIONProcess ControlFermentation engineering上游工程上游工程UPSTREAM PROCESSES下游工程下游工程DOWNSTREAM PROCESSES发酵工程组成发酵工程组成从广义上讲，由三部分组成： 上游工程、发酵工程、下游工程上游工程、发酵工程、下游工程UPSTREAM PROCESSES- genetics, cell - inoculum development-

2、 media formulation- sterilization- inoculationFERMENTATIONProcess Control上游工程上游工程Fermentation engineeringDOWNSTREAM PROCESSES- product extraction, purification & assay- waste treatment-by product recoveryFERMENTATIONProcess Control下游工程下游工程 Fermentation engineering1、微生物菌体的发酵SCP、药用真菌（冬虫夏草、茯苓等）生物防治

3、制剂（如苏云金杆菌）活性乳制剂 细胞的生长与产物的积累成平行关系，生长速率最大的时期也是产物合成最高阶段。2、微生物酶发酵各种酶制剂：糖化酶、-淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等天冬酰胺酶： 抗癌纳豆激酶、链激酶： 治疗血栓青霉素酰化酶：青霉素生产需要诱导或遭受阻遏、抑制等调控作用，在菌种选育、培养基配制以及发酵条件等方面需注意。3、微生物代谢产物发酵初级代谢产物：与菌体生长相伴随的产物、对菌体生长、分化和繁殖是必须的氨基酸、核苷酸、维生素、糖类等菌体对其合成反馈控制严密，一般不过量积累次级代谢产物：与菌体生长不相伴随，以初级代谢的中间产物为原料而合成抗生素、生物碱、毒素、色素、胞外多糖等结构常较复杂对

4、环境条件敏感4、微生物转化发酵利用微生物细胞的一种或几种酶，对外源化合物的特定部位进行加工，如加入羟基、还原双键、脱氧或切断支链等。反应最显著的特点是特异性强，包括反应特异性、结构位置特异性、立体特异性。如：甾体转化如：甾体转化可的松（可的松（Cortisone）发酵技术的应用产物：产物：微生物细胞，酶，活性物质，特殊化学品和食品添加剂。微生物细胞，酶，活性物质，特殊化学品和食品添加剂。生物来源作用对象作用机制化学结构细菌真菌放线菌抗菌药抗肿瘤药抗病毒药除草剂酶抑制剂免疫调节剂抑制细胞壁合成药影响细胞膜功能药干扰蛋白质合成药抑制核酸合成药抑制生物能量反应药抗生素维生素氨基酸核苷酸甾体激素酶及酶

5、抑制剂红细胞生成素红细胞生成素 ( 治疗贫血治疗贫血) 生长激素生长激素 ( 促进生长促进生长) 胰岛素胰岛素 (治疗糖尿病治疗糖尿病) 干扰素干扰素 (抗病毒、抗肿瘤抗病毒、抗肿瘤) 自然选育诱变育种杂交育种原生质体融合基因工程方法名称主要特点适用范围保藏期斜面低温保藏法传代培养，4保藏各种微生物的短期保藏。1-6个月石蜡油封存法石蜡油隔绝空气，室温或4保藏各种微生物的中短期保藏，不适用某些能分解烃类的菌种。1-2年砂土管保藏法沙土管作载体，干燥器中抽真空，室温或4保藏产孢子微生物和芽孢细菌的长期保藏，不适用对干燥敏感的微生物1-10年麸皮保藏法麸皮作载体，干燥，4保藏产孢子霉菌和某些放线菌

6、，工厂多采用此法1年甘油悬液保藏法悬浮于10-15%甘油中，需低温冰箱基因工程菌1年/10年冷冻真空干燥保藏法用保护剂制备悬液，快速冻结，减压抽真空，需冻干机各类微生物5-15年液氮超低温保藏法保护剂，超低温（-196），需超低温液氮设备各类微生物15年以上宿主保藏法与培养基混合直接低温保存专性活细胞寄生微生物（如病毒）1、分批培养的定义、分批培养的定义2、分批培养的生长过程、分批培养的生长过程3、分批培养过程中影响细胞生长的因素、分批培养过程中影响细胞生长的因素为了提高生物反应器在分批培养中的效率为了提高生物反应器在分批培养中的效率通常采用多级分批培养的办法。通常采用多级分批培养的办法。即在

7、小型生物反应器中接入少量种子即在小型生物反应器中接入少量种子经过分批培养，来获得较大数量的细胞作为种子经过分批培养，来获得较大数量的细胞作为种子再转入到大型生物反应器中再转入到大型生物反应器中分批培养的设备要求较少分批培养的设备要求较少操作也较简单操作也较简单工业微生物生产中经常采用工业微生物生产中经常采用1、延迟期、延迟期（1）种龄越长，延迟期越长，）种龄越长，延迟期越长，（2）接种量越少、延迟期越长。）接种量越少、延迟期越长。4、衰亡期、衰亡期营养物质消耗贻尽培养液中有营养物质消耗贻尽培养液中有害物质积累太多导致培养液中害物质积累太多导致培养液中的细胞开始死亡，称为衰亡期。的细胞开始死亡，

8、称为衰亡期。3、静止期、静止期随着营养物质被逐渐消耗、细随着营养物质被逐渐消耗、细胞的生长速率开始下降，最终胞的生长速率开始下降，最终细胞浓度不再增加，称为静止细胞浓度不再增加，称为静止期。期。2、指数生长期、指数生长期细胞的倍增时间指细胞浓度细胞的倍增时间指细胞浓度增长一倍所需要的时间。微增长一倍所需要的时间。微生物的倍增时间一般为生物的倍增时间一般为0.5-1小时。小时。微生物细胞的最适生长温度并不等于其代谢产物的最佳生产温度。微生物细胞的最适生长温度并不等于其代谢产物的最佳生产温度。因此在具体的生产过程中，因此在具体的生产过程中，培养的前期常常将温度调控在有利于细胞生长的区域，培养的前期

9、常常将温度调控在有利于细胞生长的区域，而在后期则常常将温度转到最佳的生产温度，而在后期则常常将温度转到最佳的生产温度，以获得较多的产物以获得较多的产物发酵温度调控技术发酵温度调控技术空气过滤片空气过滤片1、连续培养方法的优点、连续培养方法的优点（1）细胞生长速率较高。）细胞生长速率较高。（2）连续培养可发使得培养液达到一个稳定状态）连续培养可发使得培养液达到一个稳定状态由于补料，使得培养液的体积逐渐扩大，由于补料，使得培养液的体积逐渐扩大，到一定时间之后，再将培养液从反应器中一次性放出到一定时间之后，再将培养液从反应器中一次性放出（1）通过流加高浓度的营养物质，）通过流加高浓度的营养物质，培养

10、罐内的细胞浓度可以达到非常高的程度培养罐内的细胞浓度可以达到非常高的程度这对于细胞产物的生产十分有利这对于细胞产物的生产十分有利（3）通过补料，能够解除某些营养物的低浓度限制效应）通过补料，能够解除某些营养物的低浓度限制效应提高产物的合成效率。提高产物的合成效率。（2）通过补料和放料的连续进行，）通过补料和放料的连续进行，能够解除某些基质、产物对细胞的抑制作用能够解除某些基质、产物对细胞的抑制作用（1）要考虑到生物反应器的供氧能力）要考虑到生物反应器的供氧能力（2）要考虑培养过程中大量代谢产物积累后的）要考虑培养过程中大量代谢产物积累后的细胞毒性细胞毒性发酵的一般流程发酵的一般流程种子扩大培养

11、种子扩大培养培养基配制培养基配制空气除菌空气除菌培养基灭菌培养基灭菌发酵生产发酵生产下游处理下游处理发酵设备发酵设备 发酵的一般过程发酵的一般过程空气空气空气净化处理空气净化处理保藏菌种保藏菌种斜面活化斜面活化扩大培养扩大培养种子罐种子罐主发酵主发酵碳源、氮源、碳源、氮源、无机盐等营养无机盐等营养物质物质灭菌灭菌产物分离纯化产物分离纯化成品成品发酵过程菌种筛选菌种筛选摇瓶试验摇瓶试验发酵罐试验发酵罐试验从自然界分离从自然界分离 采样采样 增殖培养增殖培养 纯种分离纯种分离 性能测定性能测定地点地点方法方法目的目的方法方法方法方法方法方法发酵过程砂土孢子砂土孢子冷冻干燥孢子冷冻干燥孢子实验室种子

12、制备阶段实验室种子制备阶段（一级种子培养）（一级种子培养）生产车间种子制备阶段生产车间种子制备阶段（二级发酵二级发酵 三级发酵三级发酵）斜面孢子斜面孢子摇瓶液体培养摇瓶液体培养茄子瓶斜面培养茄子瓶斜面培养固体培养基培养固体培养基培养一级种子罐一级种子罐二级种子罐二级种子罐发酵罐发酵罐生理代谢生理代谢菌种筛选菌种筛选种子培养种子培养发酵培养发酵培养upH 补加酸或碱和补料的方式u泡沫 负面影响 措施u发酵终点的判断 提高产物的产量和经济效益 降低生产成本按化学结构分：按化学结构分：（1 1）-内酰胺类抗生素内酰胺类抗生素青霉素类、头孢菌素类青霉素类、头孢菌素类。（2 2）氨基糖苷类）氨基糖苷类链

13、霉素、新霉素、卡那霉素、庆链霉素、新霉素、卡那霉素、庆大霉素。大霉素。（3 3）大环内酯类）大环内酯类红霉素、竹桃霉素、麦迪加霉素红霉素、竹桃霉素、麦迪加霉素、制霉菌素。、制霉菌素。（4 4）四环素类）四环素类土霉素、金霉素、四环素。土霉素、金霉素、四环素。（5 5）多肽类）多肽类杆菌肽、多粘菌素杆菌肽、多粘菌素B B（1 1）青霉素（）青霉素（penicillinpenicillin）青霉素发现者弗莱明青霉素发现者弗莱明菌种菌种：黄青霉菌：黄青霉菌原始材料原始材料：-氨基已二氨基已二酸、半胱氨酸、缬氨酸酸、半胱氨酸、缬氨酸。发酵方法发酵方法：加前体物质：加前体物质的深层发酵法的深层发酵法。沙

14、土管菌种沙土管菌种转移到固体琼脂斜面培养基上，转移到固体琼脂斜面培养基上，24培养培养5-6天，获得芽孢天，获得芽孢芽孢悬浮于无菌水中，进行摇瓶培养芽孢悬浮于无菌水中，进行摇瓶培养进入移种瓶培养进入移种瓶培养进种子罐，接种量为进种子罐，接种量为5%-10%进繁殖罐，进繁殖罐，28培养培养48-96小时小时进入发酵罐，开始生产进入发酵罐，开始生产鼓式过滤鼓式过滤第一次萃取器第一次萃取器纯化柱纯化柱第二次萃取器第二次萃取器第三次萃取器第三次萃取器真空结晶釜真空结晶釜瓷过滤器瓷过滤器结晶洗涤釜结晶洗涤釜真空干燥器真空干燥器程序程序（1）使用消沫剂，由于发酵过程中产生大量的）使用消沫剂，由于发酵过程中

15、产生大量的CO2，会产生，会产生大量泡沫。可采用植物油、豆油、合成消沫剂进行消沫处理。大量泡沫。可采用植物油、豆油、合成消沫剂进行消沫处理。（2）温度控制在）温度控制在24 30、pH值控制在值控制在6. 87.2。（3）应该注意控制残糖量、还原糖量、）应该注意控制残糖量、还原糖量、pH值、氨、氮、溶解值、氨、氮、溶解氧量。氧量。（4）发酵过程中要注意通气搅拌，所通入的空气必须是无菌）发酵过程中要注意通气搅拌，所通入的空气必须是无菌的。的。（5）发酵罐必须保持正压（）发酵罐必须保持正压（20 30kPa），以防罐外不洁净的），以防罐外不洁净的空气流入。空气流入。（6）目前国际上青霉素发酵的水平已经达到）目