生物制药工艺学教案

第一章生物药物概述

定义：利用生物体、生物组织或其成分，综合应用多门学科的原理和方法进行加工、制造而成的一大类药物。

广义的生物药物包括：

1、从动植物和微生物中制取的各种天然生物活性物质。

2、人工合成或半合成的天然物质类似物。

生物制药的重点研究方向：应用基因工程、酶工程、发酵工程及细胞工程技术研究开发各类新型药物；应

现代生物技术改造传统制药工业。

生物药物的特点与要求—特点：

在化学构成上十分接近于体内的正常生理物质，容易为机体吸收利用；

在药理上具有更高的生化机制合理性和特异治疗有效性；

在医疗上具有药理活性高、针对性强、毒性低、副作用小、疗效可靠；

化学与生物学性质不稳定，对各种理化因素敏感，生物活性易受影响。

必须有严格的制造管理要求（GMP）质量管理要求；

对制品的有效期、贮存条件、使用方法必须做出明确规定；

对有效成分应拟定其生物活性检测方法；

对制品的均一性、有效性、安全性和稳定性等都有严格要求。

生物药物制备的不同阶段：

第一代：利用生物材料加工制成的含有某些天然活性物质与混合成分的粗制剂。

第二代：根据生物化学和免疫学原理，应用近代生化分离纯化技术从生物体制取的具有针对性治疗作用的特异生化成分。

第三代：应用生物工程技术生产的天然生物活性物质以及通过蛋白质工程原理设计制造的具有比天然物质更高活性的类似物或与天然品结构不同的全新的药理活性成分。

二、现代生物药物分5大类：天然生化药物（氨基酸类药物、多肽蛋白质类药物、酶类药物、核酸类药物、多糖类药物、脂类药物）；微生物药物（抗生素、酶抑制剂、免疫调节剂）；基因工程药物；基因药物；生物制品（详见书本）

细胞生长因子与组织制剂：

细胞生长因子，是在体内对动物细胞的生长有调节作用，并在靶细胞上具有特异受体的一类物质，为多肽或蛋白质，如神经生长因子、血小板生长因子等。

组织制剂，指将动植物组织经过加工处理、制成符合药品标准并具有一定疗效的制剂。这类制剂未经纯化，有效成分不完全清楚。如缩宫素制剂、骨肽注射液、脑活素等。

2、抗生素：详见第三章

3、生物制品：详见11章

预防用制品

（1）疫苗：由病毒、立克次氏体或螺旋体制成的，如乙肝疫苗。

（2）菌苗：由细菌制成的，如卡介苗。

（3）类毒素：由细菌外毒素经甲醛脱毒而保留其抗原性的，如白喉类毒素。

治疗用制品

（1）特异性治疗用制品，如狂犬病免疫球蛋白。

（2）非特异性治疗用制品，如白蛋白。

诊断用制品，主要指免疫诊断用品，如结核菌素及多种诊断用单克隆抗体。

4、基因工程药物：

细胞因子干扰素类，如α-干扰素、β-干扰素、γ-干扰素。

细胞因子白介素类（白介素-2 ）和肿瘤坏死因子（TNF- α和TNF- α受体）。

造血系统生长因子类，促进造血系统，增加红细胞、白细胞和血小板。如粒细胞集落促进因子（G-CSF）、促红细胞生成素（EPO）等。

生长因子类，用于促进细胞生长、组织再生和创伤治疗。如胰岛素样生长因子（IGF）、表皮生长因子（EGF）等。

重组多肽和蛋白质类激素，如重组人胰岛素（rhInsulin）、绒毛膜粗性腺激素（HCG）等。

心血管病治疗剂和酶制剂，用于心血管病和抗肿瘤治疗。如尿激酶、SOD等。

重组疫苗和单抗制品，如乙肝基因疫苗、流感疫苗、肿瘤疫苗等。

5、基因药物：详见12章

以基因物质（DNA 和RNA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。

反应药物是指以人工合成的10-几十个反义寡核苷酸序列和模板DNA或mRNA互补形成稳定的双链结构，抑制靶基因的转录和翻译，从而起到抗肿瘤和病毒的作用。如ISIS公司开发的HCMV(ISIS 2922)可用于治疗艾滋病患者的视网膜炎是第一个获得FDA批准的进入市场的反义药物。

生物药物的用途：作为治疗药物、作为预防药物、作为诊断药物、用作其他生物医药用品

人类基因组的研究：在人类基因组计划中，还包括对五种生物基因组的研究：大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇和小鼠，称之为人类的五种“模式生物”

生物新技术

1、资源的综合利用与扩大开发：脏器综合利用、血液综合利用、人尿综合利用、扩大开发新资源，如海洋生物、昆虫、毒蛇和低等生物的开发利用

2、大力发展现代生物技术医药产品：生物技术药物进入蛋白质工程药物时代；治疗性抗体发展迅猛；哺乳动物细胞表达产物迅速增加；RNA干涉（RNAi）：RNA interference、基因治疗剂

3、从天然存在的生理活性物质寻找新药

4、应用化学方法和蛋白工程技术创制新结构药物：化学合成法生产简单天然活性物质，或经结构改造使其形成新化合物；修饰或改造编码目的蛋白的DNA序列，结合基因克隆技术获取人工蛋白质类药物。

5、中西结合创制新型生物药物

生物制药工艺学的性质与任务：

性质：是一门从事各种生物药物的研究、生产和制剂的综合性应用技术科学。包括生化制药工艺、微生物制药工艺、生物技术制药工艺、生物制品制造与相关的生物医药产品的生产工艺。

任务：

1、生物药物的来源及其原料药物生产的主要途径和工艺过程；

2、生物药物的一般提取、分离、纯化、制造原理和生产方法；

3、各类生物药物的结构、性质、用途及其工艺和质量控制。

第二章生物制药工艺技术基础

生物材料的来源：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

1.动、植物、微生物的组织、器官、细胞与代谢产物是生产生物药物的生物资源；

2. 动植物细胞培养与微生物发酵技术是获得生物制药原料的重要途径；

3. 基因工程技术、细胞工程技术和酶工程技术是开发生物制药资源的新途径;

主要来源是猪、牛、羊和家禽、鱼类等的脏器，包括胰脏、脑、胃粘膜、肝脏、脾脏、小肠、脑垂体和心脏等。血液、分泌物和其他代谢物：

•以血液为原料可生产多种药物，如凝血酶、血红蛋白、SOD、干扰素等。

•其他，如尿液、胆汁、蛇毒、蜂毒也是重要的生物材料。

海洋生物：海藻、腔肠动物、节肢动物、软体动物（包括螺、蚌类和乌贼等，已从其中提取出一些具有抗病毒、抗肿瘤、抗菌、降血脂、止血、平喘作用的多糖、多肽、毒素等）、鱼类（鱼肝油）

植物：

1.生物碱，是生物体中一类含氮有机化合物的总称，它们有类似碱的性质，能和酸结合成盐。如麻黄碱、吗啡。

2.强心甙，是一类对心肌有兴奋作用，具有强心生理活性的成分，它们的分子中都有一个C17位被不饱和内酯环所取代的甾体母核。如洋地黄毒甙。

3.黄酮，系两个芳环通过三碳链相互连结而成的一系列化合物，大多数具有颜色，在植物体内大部分与糖结合成甙。

银杏中含银杏素、异银杏素、白果素等都是黄酮类，它们具有解痉、降压、扩张冠状血管等药理作用。

4.皂甙，是一类比较复杂的化合物，它们的水溶液振摇时能产生大量持久的蜂窝状泡沫，与肥皂相似，故名皂甙。它们有减低液体表面张力的作用，可以乳化油脂，用做去垢剂。人参中含皂甙总量约4%。

5.挥发油，是具香味和挥发性、可随水蒸气蒸馏的易流动的油状液体。它们多数具有多方面的药理作用，如解表、发汗、驱风、镇痛、杀虫、抗菌。薄荷、茴香、樟木、桂皮都含有挥发油。

6.树脂，常与挥发油、树胶、有机酸等混合存在，与挥发油共存的称油树脂，与树胶共存的称胶树脂，与芳香族有酸共存的称香树脂。药用的如松香、乳香、没药、安息香等

7.鞣质，又称丹宁，鞣酸，是存在于植物中的一类分子较大的复杂多元酚类化合物，可与蛋白质结合成不溶于水的沉淀，故能与生兽皮结合而形成致密、柔顺、不易腐败又难以透水的皮革，所以称为鞣质。茶叶、柿子中含有丰富的鞣质。鞣质可用于解毒、抗菌、治疗烧伤（使创面收敛、干燥、结痂）。

另外，尚含有氨基酸、蛋白质、酶、激素、糖类、脂类、维生素等生化成分。

微生物：细菌、放线菌、真菌、酵母菌

生物资源的选择与保存：

1. 选择原则：有效成分含量高、原料新鲜、无污染；来源丰富，易得；价格低廉、杂质含量少，分离纯化。

2.保存方法：冷冻法；有机溶剂脱水法；防腐剂保鲜法。

生物活性物质的存在特点：

复杂性：不同生物含有不同种类的活性物质。

•同种生物，由于细胞的类型、年龄、分化程度的不同都会改变活性物质的组成。如：胸腺激素只能从幼龄动物中提取；HCG只能从孕妇尿中提取。

特点：

• 1.生物活性物质在生物体材料中含量较低、杂质含量很高。

• 2.生物材料中的生化组成数量大，种类多，目的物与杂质的理化性质接近，分离纯化困难。

生物材料的提取：

提取分固-液提取（浸渍和浸煮）和液-液提取（萃取）。

培养液：平衡盐溶液：维持渗透压，控制酸碱平衡；天然培养基：血浆、血清、鸡胚浸出液；合成培养液；

人工无血清培养基

提取方法的选择：原则：针对生物材料和目的物的性质选择合适的溶剂系统与提取条件。

活性物质的保护措施：1. 采用缓冲系统 2. 添加保护剂 3. 抑制水解酶的作用 4. 其他避免紫外光、强烈搅拌、过酸、过碱或高温

提取方法：1、用酸、碱、盐水溶液提取2、用表面活性剂提取3、有机溶液提取(固-液提取、液-液萃取) 4、双水相萃取5、超临界萃取

表面活性剂提取：表面活性剂分子兼有亲水与疏水基团，在分布于水-油界面时有分散、乳化和增溶作用。表面活性剂可分为阴离子型、阳离子型、中性与非离子型。

离子型表面活性剂作用强，但易引起蛋白质等生物大分子的变性；非离子型表面活性剂变性作用小，适合于用水、盐系统无法提取的蛋白质或酶的提取。

阴离子表面活性剂SDS可以破坏核酸与蛋白质的离子键合，对核酸酶又有一定抑制作用，因此常用于核酸的提取。

有机溶液提取原则：相似相溶原理

常用的有机溶剂：极性溶剂如甲醇、乙醇、丙酮、丁醇；非极性溶剂如乙醚、氯仿、苯。

影响因素：

1、目的物在两相的分配比（分配系数K ）；

2、有机溶剂的用量；

3、K 增大，提取效率增大；

4、K 值较小时，可以适当增加有机溶剂的用量， 采用多次提取。

溶剂的选择：

（1）具有较高选择性，即K 值较大。

（2）萃取后，溶质与溶剂容易分离与回收。

（3）两种溶剂的密度相差较大，以减少乳化作用。

（4）溶剂需无毒，不易燃烧，价廉。

萃取操作包括3个步骤：混合—分离—提取及回收。

单级萃取流程 多级逆流萃取流程

多级错流萃取流程：由几个萃取器串联所组成，料液经第一级萃取后，分离成两个相；萃余相依次流入下一个萃取器，再加入新鲜的萃取剂继续萃取；萃取相则分别由各级排出，将它们混合在一起，再进入回收器回收溶剂，回收得到的溶剂仍可用作萃取剂使用。

超临界流体的特性：超临界流体具有与液体

同样的凝集力，溶解力。超临界流体的密度比气体大得多，与液体较为接近，因此超临界流体萃取具有很高的萃取速度。随着温度和压力的连续变化，超临界流体对物质的萃取具有选择性。萃取后易分离，其扩散系数接近于气体，是通常液体的近百倍。超临界流体的粘度大大低于液体的粘度，有利于物质的扩散，节能效果明显。分为萃取阶段和分离阶段。

生物活性物质的浓缩：浓缩是从低浓度的溶液除去水或溶剂，使之变为高浓度的溶液的过程。

• 1. 盐析浓缩： 添加中性盐，使蛋白质从稀溶液中沉淀出来。

• 2. 有机溶剂沉淀浓缩：在生物大分子的水溶液中，逐渐加入乙醇、丙酮等有机溶剂，使生化物质的溶解

度明显降低，从溶液中沉淀出来。优点：溶剂易于回收，样品不必透析除盐。

• 注意：低温操作下，对大多数生物大分子较为稳定，但对某些蛋白质或酶，易引起变性失活。

• 3. 葡聚糖凝胶(Sephadex)浓缩（吸附法）

• 4. 透析浓缩法：将待浓缩液放入透析袋内，放在吸水力强的聚乙二醇（简称PEG ）或甘油中，袋内的水

分很快被袋外的PEG 或甘油所吸收。优点：在短时间内可以浓缩几十倍至上百倍。

• 注意：搅拌条件下进行

• 5. 超滤浓缩 6. 真空减压蒸发 7. 薄膜蒸发

生物活性物质的干燥：（减压干燥、喷雾干燥、冷冻干燥）干燥是使物质从固体或半固体状经除去存在的水分或它种溶剂，从而获得干燥物品的过程，其目的：

1,3,5—混合器，2,4,6—分离器，F －料液，L －萃取液，R －萃余液

1,3,5—混合器，2,4,6—分离器，F －料液，S －萃取剂，L －萃取液，R －萃余液

1.提高药物或药剂的稳定性，以利保存与运输；

2.使药物或药剂有一定的规格标准；

3.便于进一步处理。

水分在干燥物料中的三种情况：

1. 表面水，容易汽化除去；

2. 毛细管中的水，由于毛细管壁的作用，较难除去；

3. 细胞内的水，要扩散到膜外才能除去。

由于后二种情况的存在，故干燥应缓慢进行

1、生物制药中分离、制备方法的特点：生物产品最后均一性的评估，要采用多种方法

• 1. 生物材料组成复杂；

• 2. 含量极微：

• 3. 活性成分离开生物体后，易变性，破坏；

• 4. 分离几乎都在溶液中进行；

• 5. 分离多采用温和的“多阶式”方式进行，即“逐级分离”。操作时间长，手续繁琐。

2、生物制药中分离制备方法的基本原理：1. 根据分子形状和大小不同进行分离2. 根据分子电离性质（带电性）的差异3. 根据分子极性大小及溶解度不同4. 根据物质吸附性质的不同5. 根据配体特异性

3、分离纯化的基本程序和实验设计：早期多采用萃取、沉淀、吸附等一些分辨力低的方法较为有利，这些方法负荷能力大，分离量多，兼有分离提纯和浓缩作用。使用程序：交叉使用；要考虑到减少工序，提高效率。

4、分离纯化方法步骤优劣的综合评价：考虑因素：分辨能力、重现性、回收率

5、制备物均一性的鉴定:指所获得的制备物只有一种完全相同的成分，必须经过数种方法的验证才能肯定。

•常用的鉴定方法：溶解度法、化学组成分析法、电泳法、免疫学方法、离心沉降分析法、色谱法、生物功能测定法、以及质谱法等。

菌种育种技术

（1）杂交育种：杂交育种一般指将两个基因型不同的菌株通过接合使遗传物质重新组合，再从中分离和筛选出具有新性状的菌株。

（2）原生质体融合：用脱壁酶处理将微生物细胞壁除去，制成原生质体，再用聚乙二碎(毗)促进原生质体发生融合，从而获得融合子。

（3）基因工程技术：将某一生物体的遗传信息在体外经人工与载体相接，构成重组DNA分子，然后转入受体细胞中，使外源DNA片段在后者内部得以表达和遗传。

菌种保藏的注意事项

①在整个保存处理过程中要防止杂菌污染，并一定要做无菌检查；

②保藏所用的菌种要在新鲜的斜面厂生长丰满，生长时间不宜过长；

⑦保藏过程中要防止菌种退化现象的发生，及时采用有效方法复壮，传代次数过多容易退化；

④菌种制备过程是保持菌种优良特性的一个重要环节。接种斜面不宜过密，接种量必须控制适当，使菌落能充分生长好。

发酵过程的主要控制参数

物理参数：温度、压力、转速、空气流量、黏度、浊度等。

化学参数：pH、基质浓度、溶解氧浓度、产物浓度等。

生物参数：菌丝形态、菌体浓度等。

发酵过程的变化规律和控制

（1）分批发酵：分批培养是指在一封闭培养系统内台有初始限制量的基质的发酵方法。

（2）补料分批发酵：补料分批发酵是指在分批培养过程中．连续地或间歇地补加培养基，而不从发酵罐中间断地放出培养液。

（3）连续发酵：指培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有产品的发酵液的过程。

基因工程制药技术

1、获得具有遗传信息的目的基因：a. 文库构建 b. PCR c. 人工合成

2、选择基因载体构建重组DNA ：a. 黏端连接b. 平端连接c. TA连接

3、将重担DNA分子导入宿主细胞：a. 导入微生物细胞：转化、转导b. 导入动植物细胞：基因枪、显微注

射、电穿孔等。

4、带有目的基因的阳性克隆的筛选：a.抗性筛选b.β-半乳糖显色筛选c.噬菌斑筛选d.原位杂交筛选e. PCR 筛选f.限制性内切酶分析

5、目的基因的扩增及获得目的产物：大肠杆菌表达系统常用载体：pET系列、pKK系列；

酵母杆菌表达系统常用载体：pHIL-D2, pAO815, pPIC3k, pPICZ; pHIL-S1, pPIC9k, pPIC2α

第三章抗生素

抗生素定义，生物来源分类见课本。

抗生素分类：根据抗生素的作用分类

1．广谱抗生素：如氨苄青霉素（半合成青霉素），既能抑制菌又能抑制菌。

2．抗革兰氏阳性细菌：如青霉素G。

3．抗革兰氏阴性细菌：如链霉素。

4．抗真菌：如制霉菌素、灰黄霉素。

5．抗肿瘤：如阿霉素。

6．抗病毒、抗原虫：如鱼素。（按其他分类方式见课本）

按化学结构：1.β-内酰胺类2．氨基糖苷类 3. 大环内酯类4．四环类

5．多肽类：由氨基酸组成的抗生素，如多粘菌素、杆菌肽。

6. 其他抗生素：凡不属于上述5类的抗生素，如林肯霉素、氯霉素、阿霉素等。

抗生素的应用：（见课本）

抗生素的生产方法：

生物合成法（微生物发酵法）工艺过程：（课本）

全化学合成法：氯霉素：第一个应用全化学合成法生产的抗生素。特点：不耗费粮食，但易引起三废。

半化学合成法：在天然抗生素基础上进行结构修饰。

抗生素发酵生产的特点：

1．菌体的生长和产物的形成不平行

把抗生素发酵划分为二个不同的代谢期：生长期和生产期

抗生素发酵的目标是缩短生长期，延长生产期

2．产量很难用物料平衡来计算，这是由生产的复杂机制所决定的。

3．生产稳定性差

一般波动幅度在10%左右，主要受菌种的生产能力、培养基成

分、原材料质量、中间代谢的控制、设备条件、操作条件及抗生素

本身的稳定性等因素影响。

抗生素发酵：抗生素产生菌在一定条件下吸取营养物质，合成其自身菌体细胞，同时产生抗生素和其他代谢产物的过程。发酵过程是抗生素生产中决定抗生素产量的主要过程。发酵过程由于各种酶系统的作用发生一系列生化反应，各种酶系统的活性受各种因素影响而相互作用。影响因素包括温度、pH、溶氧、基质、压力、搅拌、通气等。

工艺条件控制：

一、温度的影响

1、抗生素产生菌大多数是中温菌，它们的最适生长温度一般是20-40℃。在发酵过程中，需要维持适当的温度，才能使菌体生长和代谢产物的合成顺利地进行。

（1）温度影响酶反应的速率和蛋白质性质：温度每增加10℃，反应速率增加2倍。但温度升高，容易引起蛋

白质变性。

（2）温度影响发酵液的性质，从而影响产物的合成。如发酵液的粘度，基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率，某些基质的分解和吸收速率等，都受温度变化的影响。进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。

（3）温度影响产物的合成方向：如四环素发酵中，随着发酵温度的提高，有利于四环素的合成，30℃以下多合成金霉素，达35℃时就只产四环素。

2．引起温度变化的原因： 3．温度的选择及控制

（1）最适温度的选择：最适发酵温度是既适合菌体的生长，又适合代谢产物合成的温度，但最适生长温度与最适生产温度往往不一致。因此根据发酵的不同阶段，选择不同的培养温度。即变温发酵。

（2）温度的控制：工业生产中，大多数发酵不需要加热，需要冷却的情况较多，通过热交换冷却（冷却水通入发酵罐的夹层或蛇形管、列管）。

二、pH 的影响及其控制

1. pH 对发酵的影响

（1）影响酶的结构和活性。细胞内的H+或OH-离子能够影响酶蛋白的解离度和电荷情况，从而改变酶的结构和功能，引起酶活性的改变。

（2）影响菌体对基质的吸收及产物的形成

（3）影响发酵液及产物的性质。

2. 引起pH 变化的因素

（1）菌种：菌本身具有一定的调整周围pH 的能力。

（2）培养基：其中的营养物质的代谢，是引起pH 变化的重要原因。碳源种类不同， pH 变化不同。

（3）培养条件

3. pH 的选择及控制

（1）选择：微生物发酵的合适pH 范围一般是在5～8。但生长最适PH 与产物合成的最适pH 是不一致的。 按发酵过程的不同阶段，分别控制不同的pH 范围。

（2）控制：

①选择合适的培养基的基础配方

②补加酸或碱：加入(NH4)2SO4，NH4OH 即可调节pH ，又补充了N 源，亦可加NaOH 。

③补料：例如青霉素发酵，可通过控制葡萄糖的补加速率，以控制pH 的变化，同时实现补充营养，延长发酵周期，调节pH 和培养液的特性等几个目的。

三、溶氧的影响及控制

1. 溶氧的影响

溶氧是需氧发酵控制的最重要参数之一。

抗生素发酵一般都是需氧发酵，因此它们必须在有氧的条件下，才能获得大量的能量来满足菌体生长、繁殖和分泌抗生素的需要。但也并不是溶氧愈大愈好，因为溶氧太大有时反而抑制产物的形成。

2. 影响需氧和供氧的因素

（1）影响需氧的因素

①微生物的种类和生长阶段：微生物种类不同，其生理特性不同，代谢活动中的需氧量也不同，同一种菌种的不同生长阶段，其需氧量也不同。对数生长阶段的需氧量最大。

②培养基的组成和浓度：尤其是碳源的种类和浓度对微生物的需氧量的影响最为显著，一般说，碳源浓度在一定范围内，需氧量随碳源浓度的增加而增加，葡萄糖需氧量最大，蔗糖、乳糖少得多，阿拉伯糖最少。

③CO2 ：在工业发酵中，CO2是菌体代谢产生的气态终产物，它的生成与菌体的呼吸作用密切相关，已知CO2在水中的溶解度，在相同压力条件下是氧溶解度的30倍，因而发酵过程中如不及时将培养液中的CO2除去时，势必影响菌体的呼吸，进而影响菌体的代谢活动。

（2）影响供氧的因素

辐射显蒸发搅拌生物发酵Q Q Q Q Q Q ---+=

①搅拌：增加搅拌功率（即增加搅拌器转速），有利于提高发酵罐的供氧能力。

②空气流速：空气流速过大，不利于空气在罐内的分散与停留，同时导致发酵液浓缩，影响氧的传递。但空气流速过低，也会影响氧的传递，因此空气流速要适中。

③发酵液的物理性质：如粘度，发酵液的表观粘度与供氧能力成反比。

④泡沫：在发酵过程中，由于通气和搅拌而引起发酵液出现泡沫，泡沫过多，就会影响气液体的充分混合，降低氧的传递速率，所以要进行消泡。可采用消泡剂，但要控制用量。

（3）溶氧的控制

①通过控制补料速度来控制菌体浓度，从而控制发酵液的摄氧率。补料可以使发酵过程最佳化。

②调节温度，降低培养温度可提高溶氧浓度。

③适当增加搅拌速度，可提高供氧能力，并及时排除CO2。

四、基质的影响及其控制

1、基质：即培养微生物的营养物质.

①碳源②氮源③无机盐; ④微量元素; ⑤水; ⑥前体（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，称前体。如青霉素G合成时加入苯乙酸，就是一种外源性前体）;

⑦消泡剂，其他如一些生长因子。

A、碳源的种类和浓度的影响及控制发酵前期：碳源迅速下降。发酵中后期：碳源下降趋向平稳。

碳源的影响

⏹迅速利用的C源, 如葡萄糖优点：有利于菌体的生长缺点：不利于抗生素的合成

⏹缓慢利用的C源, 如乳糖、淀粉、脂肪优点：有利于延长分泌期有利于抗生素合成

缺点：菌体生长缓慢。

碳源的控制：在发酵培养基中常常采用含迅速和缓慢利用的混合碳源来控制菌体的生长和抗生素的合成，并采用中间补料的方法来控制碳源的浓度。方法：中间补料即补糖

⏹注意：①补糖时间；②补糖量；③补糖方式, 包括小量连续滴加,小量多次间歇,大量少次。

⏹根据不同的代谢类型来确定补糖时间、量、方式。

B、N源的种类和浓度的影响及控制

N源的影响

⏹迅速利用的氮源：氨态N，如玉米浆能促进菌体生长但抑制抗生素产生。

⏹缓慢利用的氮源：蛋白质有利于延长抗生素的分泌期。

N源的控制：选用快速利用和慢速利用的混合N源。

①补加有机氮源，如尿素、蛋白胨、酵母粉，可提高发酵单位。

②通NH3H2O, 既可作为无机N源，又可控制pH。通氨是提高发酵产量的有效措施。

C、磷酸盐浓度的影响及控制

磷是微生物菌体生长繁殖所必需的成分，也是合成产物作必需的，是发酵生产中的一种限制性营养成分。

磷酸盐的影响①促进初级代谢，抑制次级代谢

②抑制抗生素前体的合成

③抑制（或阻遏）抗生素生物合成。

磷酸盐的控制：采用生长亚适量（对菌体生长不是最适合但又不影响生长的量）的磷酸盐浓度。

五、菌体浓度的影响及其控制菌体（细胞）浓度，简称菌浓，是指单位体积培养液中菌体的含量。

（一）影响菌体生长的因素。

⏹ 1.菌浓的大小与菌体生长速率有密切关系

菌体的生长速率与微生物的种类和自身的遗传特性有关，不同种类的微生物的生长速率是不一样的。

⏹ 2.菌体生长与营养物质有密切关系：在一定限度以内，菌体比生长速率则随浓度增加而增加，但超过此上

限，浓度继续增加，反而会引起生长速率下降。

⏹ 3.菌体生长与环境条件（包括温度、pH、渗透压和水的活度）有密切关系。

（二）菌浓的大小对发酵产物的得率的影响。

⏹ 1.在适当的比生长速率下，发酵产物的产率与菌体浓度成正比关系。

⏹ 2.菌浓过高，会对发酵产生各种影响。使得营养物质消耗过快，培养液的营养成分发生明显的改变，积累

有毒物质，就可能改变菌体的代谢途径，特别是引起溶解氧的减少，从而影响产物的合成。

六、CO2 的影响及其控制

CO2对培养液的酸-碱平衡的影响：引起发酵液pH的下降

CO2影响细胞膜的结构：当细胞膜的脂质相中的CO2浓度达到临界值时，膜的流动性及表面电荷就发生改变，使许多基质的膜运输受到阻碍，影响细胞膜的运输效率，导致细胞处于“麻醉”状态，细胞生长受到抑制，形

态发生改变，同时影响产物的合成。

CO2的控制：1. 增加通气量和搅拌速率，有利于减少CO2在发酵液中的浓度。

2. 通入碱中和CO2形成的碳酸，从而降低CO2的浓度。

3. 调节罐压，控制CO2的浓度。因为CO2的溶解度随压力增加而增大。

七、泡沫的影响及其控制

1.泡沫的形成对发酵的影响：泡沫影响发酵罐的装料系数，减少氧传递系数，造成逃液、影响补料、增加污染杂菌机会、影响通气和搅拌的正常运转、阻碍菌体的呼吸，导致代谢异常，产量下降。

泡沫分二类：1.暂时性泡沫存在时间以秒计，通常在液面上可用除沫桨打碎；

2.持久性泡沫可存在数小时、或数天，这类泡沫分散得很细，很均匀稳定，亦称为流态性泡沫。

2.泡沫的控制：(1)筛选不产生流态泡沫的菌种，消除起泡的内在因素。

(2)调整培养基中的成分（如少加或缓加易起泡的原材料）。

(3)改变某些物理化学参数（如pH、温度、通气和搅拌）。

(4)改变发酵工艺（如采用分次投料）。

(5)采用机械消沫或消沫剂消沫。

⏹天然油脂类有豆油、玉米油、菜籽油和猪油。天然油脂类不仅用作消沫剂而且可作为碳源和发酵控制的

手段。天然油脂类的种类和质量影响消沫的效果。

⏹聚醚类消沫剂的品种很多。最常用的是聚氧乙烯氧丙烯甘油（简称GPE型），又称泡敌。泡敌可一次加入

发酵培养基中，在补料时再加入适量，以达到消泡的效果。一般总用量为0.01-0.04%。

青霉素的发酵工艺及过程Array

具体见课本

庆大霉素族抗生素, 是一类由小单孢菌属产生的化

学结构相似的，含有2-脱氧链霉胺的4.6位双取代的氨

基糖苷类抗生素，由2-脱氧链霉胺（环I）、降红糖胺（环

II）、加拉糖胺（环III）组成的多组分混合物。包括C

族、A族、B族

第四章氨基酸药物

蛋白质和氨基酸之间的不断分解与合成，在机体内形成一个动态平衡，任何一种氨基酸的缺乏及代谢失调，

都会破坏这种平衡，导致机体代谢紊乱甚至疾病。

氨基酸及其衍生物是治疗蛋白质代谢紊乱、蛋白质缺损所引起的一系列疾病的重要生化药物。也是具有高度

营养价值的蛋白质补充剂。

命名与分类

根据氨基、羧基的数目分为：中性氨基酸 氨基数 = 羧基数

碱性氨基酸 氨基数 > 羧基数 赖、组、精

酸性氨基酸 氨基数 < 羧基数 谷、天冬(氨酸)

化学性质： 1、两性性质和等电点 2、氨基酸羧基的反应

三种水解法的比较：

氨基酸制备方法： 1.水解法 2.发酵法 3.酶转化法 4.化学合成法 水解法氨基酸的分离方法： （1）溶解度法 ：依据不同氨基酸在水中或其他溶剂中的溶解度差异而进行分离的方法。如胱氨酸/酪氨酸，

酪氨酸易溶于热水。

（2）特殊试剂沉淀法 ：系采用某些有机或无机试剂与相应氨基酸形成不溶性衍生物的分离方法。如精氨酸与苯甲醛生成沉淀，盐酸去除苯甲醛。

（3）吸附法 ：利用吸附剂对不同氨基酸吸附力的差异进行分离的方法。如活性炭吸附苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸。

（4）离子交换法：利用离子交换剂对不同氨基酸吸附能力的差异进行分离的方法。

氨基酸精制方法

结晶与重结晶、结晶与溶解度法相结合

丙氨酸在稀乙醇或甲醇中溶解度下，pI ＝6.0，用50％的冷乙醇结晶或重结晶精制。

L-胱氨酸的检验 物理性质：应为六角形或六角柱形白色结晶，含量在98.5％以上，干燥失重小于0.5％，炽灼残渣小于0.2％，氯化物小于0.15％，铁盐小于0．001％，重金属小于20ppm 。

含量测定：取本品约0.3g ，精密称定，置于100d 量瓶中，加1％氢氧化钠溶液15ml 使溶解，再用水稀释到刻度，摇匀。精密量取25ml ，置250ml 碘量瓶中，精密加0.1mol/L 溴液50ml ．再加盐酸10ml ，立即密塞，摇匀，在暗处放置10min 后，置冰浴上放冷3min 。注意微开瓶塞，自碘量瓶口加入碘化钾试液15ml ，摇匀，静置5min 。用0.1mol/L 硫代硫酸钠液滴定，至近终点时，加淀粉指示液2ml ，继续滴定至蓝色消失，并将滴定的结果用空白试验校正。每Iml 的0.1mol/L 溴液相当于2．403mg 的C6H12N2O4S2。 发酵法氨基酸生产基本原理：发酵有厌氧发酵和好氧发酵之分，氨基酸发酵属于好氧的不完全氧化过程。

氨基酸发酵法有广义和狭义之分。狭义指通过特定微生物在以碳源和氮源以及其它成分的培养基中生长，直接产生氨基酸的方法。广义者除直接发酵法外，尚包括添加前体发酵法及酶转化技术生产氨基酸。

特点：微生物利用碳源、氮源及盐类几乎可合成所有氨基酸，目前绝大部分氨基酸皆可通过发酵法生产。产品都是L-型氨基酸。缺点：产物浓度低、设备投资大、工艺管理要求严格、生产周期长、成本高

L-赖氨酸－工艺路线：

（1）菌种培养：菌种为北京棒状杆菌高丝氨酸缺陷型AS1.563，先进行斜面培养、然后一级种子培养、二级

-

H +-H +R CH COO -NH 2+NH 3_R CH COOH R CH COO NH 3+ pH>pI pH=pI pH ＜pI RCHCO 22

RCH CO 2

-2

RCH CO 2CH 32RCH CONHR'NH 2

RCH CH 2OH

NH 2（酯化）（生成酰胺）

种子培养，逐级放大。

（2）灭菌发酵：培养基经灭菌，按10%接种量接种，通气量1:0.6（V/V）30℃发酵42-51小时，搅拌速度为180转/分钟。

（3）发酵液处理：发酵液中加入絮凝剂絮凝后过滤除菌体，也可用高速离心液固分离设备直接分离出菌体，回收的菌体可进一步加工利用，澄清的滤液用盐酸调节PH4.0后待用。

（4）离交：经732树脂交换（三柱串联）：为提高床层利用率，实际离交换过程一般采用多柱串联操作。

赖氨酸的离子交换提取一般用铵型732＃树脂，树脂的处理过程为：732＃阳离子树脂→水洗→1mol/L 的NaoH处理后水洗至PH8.0→1mol/LHCL处理后水洗至PH6.0→1mol/L氨水处理后水洗至PH8.0→铵型树脂待用。水洗后，用2-3mol/L浓度的氨水洗脱，洗脱高峰赖氨酸含量可达6-8%，如用高浓度氨水（15-20%）洗脱，洗脱高峰赖氨酸浓度可达15-16%。

（5）浓缩结晶：减压浓缩、结晶。

（6）精制：用水溶解，活性炭脱色，5℃放置结晶，80 ℃烘干。

L-赖氨酸－工艺讨论：

1、必须防止产生菌在发酵培养中的回复突变。

2、要控制好通气、pH、温度等发酵条件。

糖浓度在5-7%左右，如超过12%，赖氨酸生成显著受到影响；

pH控制在4.5-7.5，以氨水调节；温度控制在30℃。

3、氧的控制也很重要，供氧不足，细胞膜构造引起变化，磷脂含量增加，赖氨酸排出能力降低。

L-赖氨酸－应用

●赖氨酸是8种必需氨基酸之一，是衡量食物营养价值的重要指标之一，特别是在儿童发育期、病后恢复

期、妊娠授乳期，对赖氨酸的需求量更高，主要用作儿童、恢复期病人的营养剂。

●赖氨酸是一种重要的食品强化剂，它有一个有趣的性质，即与葡萄糖共热时能产生诱人食欲的面包香味。

●赖氨酸能提高血脑屏障通透性，有助于药物进入脑细胞内，是治疗脑病的辅助药物。

●赖氨酸抗坏血酸盐能促进食欲

●赖氨酸氯化钙合剂了治疗各种缺钙症

●赖氨酸铝盐可治疗胃溃疡

●赖氨酸乳清酸盐为护肝药物，适用于各种肝炎、肝硬化和高血氨症等。

酶转化法基本原理及过程

原理：酶转化法亦称为酶工程技术，实际上是在特定酶的作用下使某些化合物转化成相应氨基酸的技术。

基本过程：培养产酶微生物将酶或细胞固定化并装填于反应器中加入相应底物合成特定氨基酸反应液经分离纯化成成品。

特点：工艺简单、可连续操作、可长期反复使用、产物浓度高、转化率及生产效率较高、副产物少。

L-天冬氨酸－工艺路线

L-天冬氨酸有助于鸟氨酸循环，促进氨和二氧

化碳生成尿素，降低血中氨和二氧化碳，增强

肝功能，消除疲劳，用于治疗慢性肝炎、肝硬

化及高血氨症。同时L-天冬氨酸和L-丙氨酸

都是氨基酸输液的原料。

L-天冬氨酸的检测

天门冬氨酸应为白色菱形叶片状结晶，含量应在98.5％左右，干燥失重不大于0.2％，炽灼残渣小于0.1％，氯化物不大于0.2％，铵盐不大于0.02％，硫酸盐小于0.02％，铁盐小于10ppm，重金属小于10ppm，砷盐不大于1 ppm。

含量测定：精确称取干燥样品130mg，移至125ml的小三角挠瓶中，以甲酸6ml、冰醋酸50ml的混合液溶解。采用电位滴定法，以0.1mol／L高氯酸溶液滴定至终点，滴定结果以空白试验校正即得。1ml 0.1mol/L高氯酸溶

液相当于13.310mg C4H7NO4。

酶拆分法制备L-苯丙氨酸－工艺路线：

检测：苯丙氨酸应为白色叶片状结晶，含量

应在98.5％左右，干燥失重不大于0.3％，

炽灼残渣小于0.4％，铁盐小于3ppm ，重金

属小于10ppm ，砷盐不大于1.5ppm 。

含量测定：精确称取干燥样品160mg ，移至

125ml 的小三角挠瓶中，以甲酸6ml 、冰醋

酸50ml 的混合液溶解。采用电位滴定法，

以0.1mol ／L 高氯酸溶液滴定至终点，滴定

结果以空白试验校正即得。1ml 0.1mol/L 高氯酸溶液相当于16.52mg C9H11NO2。 化学合成法

可归纳为一般合成法及不对称合成法两大类。前者产物为DL-型氨基酸混合物，后者产物为L-型氨基酸。 L-脯氨酸－合成路线

以浓硫酸为脱水剂，使L-谷氨酸与乙醇缩合成

L-谷氨酸-γ-乙酯，后者经硼氢化钾还原即成

L-脯氨酸。

氨基酸输液

定义：多种结晶L-氨基酸依特定比例混合制成的静脉内输注液称氨基酸输液。氨基酸输液可直接注入进食不足者的血液中，促进蛋白质、酶及肽类激素的合成，提高血浆蛋白的浓度与组织蛋白含量，维持氮平衡，调节机体正常代谢。

氨基酸输液种类很多，有含氨基酸数目为11、14、18及20种等多种类型，氨基酸浓度分别为3%、5%、9%、10%、12%等多种规格。

氨基酸输液的组成与要求

1. 所有氨基酸均为L-型。

2. 必须含有8种必需氨基酸和两种半必需氨基酸。

3. 必需氨基酸和非必需氨基酸应按一定比例。

4. 有些氨基酸输液还需要加入山梨醇、木糖醇、维生素、无机离子等，以补充能量，提高营养价值和氨基酸利用率

氨基酸输液的配制

1. 取三分之二注射用水加温至90℃，依次投入稳定而难溶氨基酸，搅溶。

2. 加入易溶氨基酸及稳定剂（NaHSO3、半胱氨酸，加至全量浓度为0.05%）。

3. 降温，用10%NaOH 调pH

4.5-

5.5，补足注射用水。

4. 加入0.1-0.2%活性炭脱色30分钟，过滤。

5. 超滤（截留值1-2万），分装，压盖，105℃蒸汽灭菌30分钟。

营养用氨基酸输液

1、主要用于不能经口进食，消化吸收有障碍，长期患消耗性疾病，急需补充营养以增强体质等的患者；

2、可改善术前患者营养状态，使患者做大手术成为可能；

3、以及补充创伤、烧伤、骨折、化脓及术后患者的蛋白质损失。

4、其组成以8种必需氨基酸为主，再加精氨酸、组氨酸、甘氨酸，共计11种结晶氨基酸，其必需氨基酸比例符合Rose 模式。

COOH N

H 2