生物制药 发酵工程制药

20世纪50年代，氨基酸发酵工业又成为微生物技 术产业的又一个成员，实现了对微生物的代谢进 行人工调节，这又使微生物技术进了一步。
20世纪60年代，微生物技术产业又增加了酶制剂 工业这一成员。
20世纪70年代，为了解决由于人迅速增长而带来 的粮食短缺问题，进行了非碳水化合物代替碳水 化合物的发酵，如利用石油化工原料进行发酵生 产，培养单细胞蛋白，进行污水处理，能源开发 等。
3.微生物代谢产物发酵 微生物代谢产物很多。在菌体对数生长期所产
生的产物，如氨基酸、核苷酸、蛋白质和糖类等 是菌体生长繁殖所必需的，这些产物叫做初级代 谢产物。在菌体生长静止期，某些菌体能合成一 些具有特定功能的产物，如抗生素、生物碱、植 物生长因子等。这些产物与菌体生长繁殖无明显 关系，叫做次级代谢产物。
3、微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的
一些物质，包括氨基酸、核苷酸等。
微生物的优点
• 微生物繁殖非常迅速 • 微生物培养易于控制 • 微生物本身也容易改造
微生物发酵
• 发酵：利用微生物，在适宜的条件下，将原料经 过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的过 程。
• 发酵工程：采用现代化工程技术手段，利用微生 物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或 直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。
要措施； • 2、能够改变菌种的某些遗传性状，使之更适合于
工业生产，例如抗噬菌体的菌株能利用廉价发酵 原料或需氧量较小的菌株等。
选育方法
• 1、自然选育：是指微生物细胞群体不经过人工 处理而利用菌种的自发突变（spontaneous mutation）进行菌种筛选的育种方法。
• 效率低、进展缓慢。
• a. 准性生殖（parasexual reproduction）：是指真 菌中不通过有性生殖的基因重组过程。
• b. 接合（conjugation）：在细菌和放线菌中，接 合是最常见的杂交方式。二亲株的细胞在固体培 养基上混合培养时，一亲株细胞的基因组片段进 入另一亲株的细胞，发生部分染色体的转移或遗 传信息的交换，形成部分合子，经过二次交换形 成单倍重组体。
微生物的应用
• 制药业：抗生素、氨基酸、维生素的生产； • 食品业：醋、酱油、酱、酒等的生产； • 轻工业：柠檬酸、乳酸、味精、肌苷酸、干酵母、
色素、黄原胶、甘油等的生产； • 化工业：酒精、丙酮、丁醇、衣康酸、丙烯酰胺
和聚丙烯酰胺等的生产； • 饲料业：饲料添加剂的生产； • 农药业：农用抗生素、微生物肥料、微生物农药
1.微生物发酵过程是一个典型的化工过程。 2.微生物发酵过程是一个典型的代谢控制发酵。 3.微生物发酵工业又是一个有别于化工过程的一个
工业。
啤酒制造工艺流程
啤酒制造工艺流程
微生物发酵主要有以下几个特征：
（1）反应条件温和。通常由于微生物的生理特性， 要求温度为30℃～40℃、pH值中性偏酸性如酵母、 霉菌、放线菌的发酵和pH值中性偏碱性如细菌的 发酵。
微生物的应用
• 酱：以大豆和少量面粉为原料，蒸煮后在空气中 自然发酵。发酵过程主要是能够产生蛋白酶、脂 肪酶和淀粉酶的霉菌，将大豆中的蛋白质、脂肪、 淀粉分解，产生出氨基酸、多肽、甘油、脂肪酸 等多种物质。这些物质使酱具有独特的酱香味。
微生物的应用
• 酸奶：牛奶在厌氧条件下，由乳酸菌发酵，将乳 糖分解，并进一步发酵产生乳酸和其他有机酸， 以及一些芳香物质和维生素等；同时蛋白质也部 分水解。因此，酸奶是营养丰富、易消化，少含 乳糖，是适合于有乳糖不适应症者的优良食品。
4.微生物的转化发酵
微生物的转化是利用微生物细胞的一种或多 种酶，把一种化合物转变成结构相关的更有经济 价值的产物。可进行的转化反应包括：脱氢反应、 氧化反应、脱水反应、缩合反应、氨化反应、脱 氨反应等。
5.生物工程细胞的发酵
是指利用生物工程技术所获得的细胞，如DNA 重组的“工程菌”，细胞融合所得的“杂交”细 胞等进行培养的新型发酵。此类发酵的产物多种 多样，如用基因工程菌生产胰岛素、干扰素等。
• 面包：现在的面包均是利用活性干酵母（面包酵 母）经活化后，与面粉混合发酵，再加入各种添 加剂，经烤制生产的。面粉发酵后淀粉结构发生 改变，变得易于消化、营养易于吸收。
微生物的应用
• 馒头：以前做馒头的面粉是经自然发酵后蒸制的， 如果连续使用面肥发酵，经几代发酵，微生物会 因生长优势而单一化。发酵的菌种一般多为乳酸 菌。因为发酵产酸，在蒸制前要用碱中和酸，制 得的馒头才松软适口、带有特殊香味。现在，大 批量生产是采用干酵母发酵，所以不产酸，不需 要再用碱中和即可蒸制。
微生物的应用
• 醪糟：又称酒酿，是大米经蒸煮后，接种根霉， 在好氧条件下，发酵生产的含低浓度酒精和不同 糖分的食品。根霉在生长时会产生大量的淀粉酶， 将大米中的淀粉水解成葡萄糖，同时利用部分葡 萄糖发酵产生酒精。由于使用的根霉菌种不同， 可以生产不同酒精度、不同甜度和不同香味的醪 糟。
微生物的应用
生物发酵工艺多种多样，但基本上包括菌种的选 育、菌种培养基的配制、扩大培养和接种、发酵 过程下游处理即分离提纯等几个过程。
一、菌种的选育
找到合适的菌种是发酵工程的前提。人们最初是从自然界寻 找所需要的菌种，如谷氨酸发酵时常用菌有谷氨酸棒状杆菌 等。但这种方法得到的菌种，产量一般都比较低。20世纪40 年代，微生物学家开始用紫外线、激光、化学诱变剂等处理 菌种，使菌种产生突变，以筛选出符合要求的优良菌种。随 着细胞工程、基因工程等技术的日益成熟，科学家开始构建 工程细胞或工程菌，用它们进行发酵，甚至能生产出一般微 生物所不能生产的产品。
第一节 微生物发酵概论
一、微生物发酵的概念及发展史
1857年巴斯德提出著名发酵理论：“一切发酵 过程都是微生物作用的结果。”
1929年Flemming爵士发现了青霉素，增加一大 类新产品-抗生素。
20世纪40年代，以获取细菌的次生代谢产物-抗生 素为主要特征的抗生素工业成为微生物发酵工业 技术的支柱产业。
于面包制作的酵母发酵及用于人类或动物食品的微 生物菌体蛋白发酵是比较传统的菌体发酵工业。新 的菌体发酵可用来生产药用真菌，如香菇菌、依赖 虫蛹而生存的冬虫夏草菌、与天麻共存的密环菌等 药用菌。
2.微生物酶发酵 酶普遍存在于动物、植物和微生物中。因为微
生物种类多、产酶的品种多、生产容易和成本低 等特点，所以目前工业应用的酶大多来自微生物 发酵。如用于抗癌的天冬酰胺酶和用于治疗血栓 的纳豆激酶和链激酶等。
反馈抑制
C.营养缺陷型及其回复突变株 通过诱变导致某些基因的突变，而需要添加一些
物质（氨基酸、核苷酸等）才能生长的突变体。 营养缺陷型的作用： （1）解除末端产物的反馈调节作用。 （2）作为标记，在杂交育种中作为出发菌株有利于 杂交重组的分析。 （3）作为基因工程的受体菌，检出克隆基因的表达。
• 3、杂交育种：是将两个基因型不同的亲株的某些 遗传信息，通过杂交重组于同一重组体中，形成 新的遗传型个体的过程。传统的杂交育种在真核 微生物中可以通过有性杂交及准性杂交两种途径； 在原核微生物中（如细菌和放线菌）则可通过接 合杂交进行。
等的生产。
发酵工程是一门具有悠久历史，又融合了现 代科学的技术，是现代生物技术的组成部分。 本章主要介绍发酵工程的基本内容和基本原理， 重点介绍了工业发酵的工艺流程,还介绍了典型 产品的发酵生产工艺，如青生物发酵制药是利用微生物进行药物研究、 生产和制剂的综合性应用技术科学。研究内容包 括微生物制药用菌的选育，发酵以及产品的分离 和纯化工艺等。主要讨论用于各类药物发酵的微 生物来源和改造、微生物药物的生物合成和调控 机制、发酵工艺与主要参数的确定、药物发酵过 程的优化控制、质量控制等。
• 2、诱变育种：是用不同的诱变剂（mutagen）处理 微生物的细胞群体，以诱发各种遗传突变，然后采 用简便、快速和高效的筛选方法，从中选出所需要 的突变株（mutant）。发酵工业中使用的高产菌株， 几乎都是通过诱变育种而大大提高了生产性能的菌 株，故至今仍是菌种改良的主要方法。
（一）方法和原理 A.诱变机制
2.作为工业微生物发酵使用的菌种，通常有以下 特点：(1)具有稳定的遗传学特性。(2)微生物生 长和产物的合成对于基质没有严格的要求。 (3) 生长条件易于满足。(4)具有较高的各种酶活力。 （5）对于包含体，要求在细胞破碎是不易破碎， 而在目的产物的分离提出时，则易破碎。
四、微生物发酵的基本特征
微生物的应用
• 酒类：包括果酒、啤酒、白酒及其他酒均是利用 酿酒酵母，在厌氧条件下进行发酵，将葡萄糖转 化为酒精生产的。白酒经过蒸馏，因此酒的主要 成分是水和酒精，以及一些加热后易挥发物质， 如各种酯类、其他醇类和少量低碳醛酮类化合物。 果酒和啤酒是非蒸馏酒，发酵时酵母将果汁中或 发酵液中的葡萄糖，转化为酒精，而其他营养成 分会部分被酵母利用，产生一些代谢产物，如氨 基酸、维生素等，也会进入发酵的酒液中。因此， 果酒和啤酒营养价值较高。
发酵工程制药
张忠山
为什么要利用微生物
• 抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能 通过微生物发酵来生产？这与微生物的生 长和代谢特点有什么关系？
1、某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生抗 生素将其他种类的微生物杀死。
2、微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将营 养物质水解成可吸收的小分子的多肽或氨基酸、 葡萄糖 。
（1）微小损伤突变：碱基置换，码组移动 （2）染色体畸变：易位，逆位，缺失，重复 （3）染色体组突变：数目变化（单倍体变多倍体）
B.诱变剂及其作用方式：物理诱变剂，化学诱变 剂，生物诱变剂
• 常用诱变剂 p-263
（二）诱变和筛选 初步筛选是关键步骤 A.自身耐药突变株：耐受自身分泌的抗生素，提
高产量 B.结构类似物或前体类似物的耐受突变株：解除
（2）无菌发酵，整个反应过程要求无菌。培养基 无菌、空气无菌、补料和取样要求无菌操作、某 些工程菌，其尾气也要求进行无菌处理。