发酵工程课程论文

发酵工程课程论文题目抗生素生产工艺以及发展前景班别学号姓名成绩抗生素生产工艺以及发展前景摘要：抗生素是青霉素、链霉素、红霉素和四环素等一类化学物质的总称，是生物在其生命过程中产生的能在低浓度下有选择性地抑制或杀灭其他微生物或肿瘤细胞的有机物质。青霉素是人类发现的第一个抗生素。1928年英国细菌学家弗莱明发现了能产生青霉素的点青霉。1940年制出了青霉素的干燥制品。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，链霉素、氯霉素和金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；发展前景一、抗生素的概述抗生素是青霉素、链霉素、红霉索等一类化学物质的总称。它是生物，包括微生物、植物和动物，在其生产活动过程中所产生，并能在低微浓度下有选择性地抑制或杀灭其他微生物或肿瘤细胞的有机物质。抗生素的生产目前主要用微生物发酵法进行生物合成。很少数抗生素如氯霉素、磷霉素等亦可用化学合成法生产。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，如氨苄青霉素就是半合成青霉素的一种。二、抗生素的发展最初认为,抗生素是微生物在代谢过程中产生,在低浓度下就能抑制它种微生物的生长和活动,甚至杀死它种微生物的化学物质.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1928年,英国科学家弗莱明(1881-1955)偶然发现了青霉素.1938年,Chain和Florey等科学家又成功地从点青霉的培养液中分离制得青霉素.40年代初期,随着培养方法的改良,青霉素的生产成本大幅度下降,从而很快开始了大规模的工业化生产,产量迅速增加.由于青霉素的发现,挽救了无数感染性病人的生命,被当时的人们誉为黄色的魔物,科学家Fleming、Florey和Chain因此同时获得了1945年诺贝尔医学生理奖.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,对如肠伤寒、斑疹伤寒及赤痢等有特效.随着抗生素的广泛应用,细菌对抗生素的耐药性问题也日益引起人们的关注.例如青霉素G开始使用时只有8%葡萄球菌对它有耐药性,而到了1962年,耐药的葡萄球菌增加到70%,呈现逐年上升的趋势.因此,对抗生素的结构改造及其衍生物的研究显得日益重要.2.半合成抗生素的发展阶段1958年,发现了青霉素的活性母核———6-氨基青霉烷酸(6-APA),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壁江山.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占有相当大的比例.三、抗生素的分类1.根据抗生素的生物学来源分类（1）放线菌产生的抗生素如链霉素、四环素、红霉素、庆大霉素和利福霉素等。在已发现的抗生素中，由放线菌产生的抗生素占一半以上，特别是链霉菌属产生的抗生素最多。(2)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。（3）细菌产生的抗生素如多黏菌素、枯草菌素、短杆菌素等。（4）植物和动物产生的抗生素如蒜素和鱼素等。2.根据化学结构分类（1）β-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。（7）喹诺酮类抗生素如环丙沙星、诺氟沙星等。这一类抗生素均使用全合成法生产，其抗菌活性强，抗菌普广，而且毒副作用小。四、抗生素生产工艺青霉素的生产历史最长，工艺最成熟。故以其生产工艺为例，作简要介绍。（一）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。无机氮源中包括氨水,硫酸铵、硝酸盐和磷酸氢二氨等。在含有机氮源的培养基中菌丝生长速度较快，菌丝量也较多。(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。如硫、磷、镁、铁、钾、钠、锌、铜、钴、锰等，其浓度与菌种的生理活性有一定影响。因此，应选择合适的配比和浓度。此外，在发酵过程中可加入碳酸钙作为缓冲剂以调节pH。（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。前体除直接参与抗生素生物合成外，在一定条件下还控制菌体合成抗生素的方向并增加抗生素的产量。如苯乙酸成苯乙酰胺可用作为青霉素发酵的前体。丙醇或丙酸可作为红毒素发酵的前体。此外，有时还需要加入某种促进剂或抑制剂，如在四环素发酵中加入M-促进剂和抑制剂溴化钠，以抑制金霉索的生物合成并增加四环素的产量。(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，但应尽量避免超过7.0。五、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。目前一些重要的抗生素，如青霉素、红霉素和林可霉素等均采用此法进行提取。（2)离子交换法原理：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。此法具有成本低、设备简单、操作方便，已成为提取抗生素的重要方法之一。如链霉菌素、庆大霉素、卡那霉素、多粘菌素等均可采用离子交换法。此法在生产过程中PH变化较大，不适用于稳定性较差的抗生素等。（3)其他提取方法如直接沉淀法就是提取抗生素的方法中最简单的一种。例如四环类抗生素的提取即可用此法。发酵液在用草酸酸化后，加黄血盐、硫酸锌，过滤后得滤液，然后以脱色树脂脱色后，直接将其PH调至等电点后使其游离碱折出。六、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例如:用内切酶将所需遗传基因切下，设法重组到另一菌株的染色体上，从而改变菌种的遗传学特性;或将参与产生抗生素的质粒转人另一两株，使其产生新的抗生素。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，寻找细菌还没有来得及形成抗药性的新化合物;(2)研制抗生素钝化酶的抑制剂。例如棒酸，就是最早发现的抗生索钝化酶抑制剂。.参考文献：[1]发酵工程/刘东，张学仁主编.北京：高等教育出版社，2007[2]抗生素多学科研究入门[M].北京:人民卫生出版社,1995.[3]王大琛,陈陶声.微生物工程[M].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,王镜岩.生物化学[M].北京:高等教育出版社,1990.[6]陈玉辉,俞月琴.抗菌药物临床应用新论[M].上海:同济大学出版社,1994.[7]发酵工艺学/何建勇主编.北京：中国医药科技出版社，2009.8[8]微生物工程技术原理/程殿林主编.北京：化学工业出版社，2007.7[9]夏湛恩，我国抗生素研究的新进展——全国第六届抗生素学术会议内容概述.今日科技，1990.（02）[10]曾小龙，陈振强.抗生素的发展与应用.广东教育学院学报，2003.(02)