抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術課件

抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術2022/12/18抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術2022/12/13抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術1概述生產(chǎn)前期研究生產(chǎn)菌改良生產(chǎn)工藝過程發(fā)酵條件的控制提取和精制IntroductionResearchinLabStrainimprovementProductionprocessingFermentationcontrolIsolation&purification抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術AntibioticsFermentationProduction抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術2概述Introduction抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技抗生素是生物在其生產(chǎn)活動過程中所產(chǎn)生，并能在低微濃度下有選擇性地抑制或殺滅其他微生物或腫瘤細胞的有機物。

Antibiotics

Anyorganicsubstancesproducedbyvariousorganismsthathavethepowerofarrestingthe

growthofothermicroorganismsorofdestroyingthem.1.概述Introduction抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術3抗生素Antibiotics1.概述Introd歷史1929年，英國弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素二戰(zhàn)期間，大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)世界上最早用于臨床的抗菌素History

PenicillinwasdiscoveredbyFlemingin1929.WorldWarII,fermentedinlarge-scale

Thefirstmajorantibiotictobecommercialized1.概述Introduction抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術4歷史History1.概述Introducti根據(jù)抗生素的作用機制分類(ModesofActionofAntibiotics)

抑制細胞壁合成(CellWallSynthesis)

：青霉素抑制細胞膜功能(CellMembraneDamage)

：多烯類抗生素抑制蛋白質合成(ProteinSynthesis)

：四環(huán)素抑制核酸合成(NucleicAcidSynthesis)

：絲裂霉素

分類Classification1.概述Introduction抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術5根據(jù)抗生素的作用機制分類(ModesofAction復制翻譯轉錄抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術6復制翻譯轉錄抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術6根據(jù)抗生素的化學結構分類β-內(nèi)酰胺類(β-lactam)：青霉素類(penicillins)

頭孢菌素類(cephalosporins)氨基糖苷類(aminoglycosides)：鏈霉素、慶大霉素大環(huán)內(nèi)酯類(macrolides)：紅霉素、麥迪加霉素四環(huán)類(tetracyclines)：四環(huán)素、土霉素多肽類(polymyxin)：多粘菌素

分類Classification1.概述Introduction抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術7根據(jù)抗生素的化學結構分類分類Classific

HNONSCH3CH3HCOO-H-lactamringβ-內(nèi)酰胺環(huán)RnaturalpenicillinR=CH2-CO-抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術8HNONSCH3CH3HCOO-H-lactamrinβ-內(nèi)酰胺環(huán)抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術9β-內(nèi)酰胺環(huán)抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術9兩性霉素Antibioticsare

socomplextheycanonlybesynthesized

inalivingsystem抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術10兩性霉素Antibioticsaresocomplex產(chǎn)生菌的篩選抗菌性試驗提取、精制、鑒定毒性試驗藥理和臨床試驗ScreeningofastrainAntimicrobialtrialIsolation,purificationandidentificationToxicologicaltrial

Medicinal&clinicaltrial

2．生產(chǎn)前期研究ResearchinLab抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術11產(chǎn)生菌的篩選Screeningofastrain2．

Agardiffusionassayagarplate瓊脂培養(yǎng)基lawnoftestbacteria測試菌苔filterpaperssoakedwithtestcompounds含藥物濾紙zonesofinhibition(nogrowth)抑菌圈抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術12Agardiffusionassayagarplat分析儀器Analyticalinstruments現(xiàn)代分析儀器：核磁共振毛細管電泳氣相色譜高效液相色譜質譜Modernanalyticalinstruments:Nuclearmagneticresonance(NMR)Capillaryelectrophoresis(CE)Gaschromatography(GC)Highperformanceliquidchromatography(HPLC)Massspectroscopy(MS)

AutomationSensitivityAccuracy

自動靈敏準確抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術13分析儀器現(xiàn)代分析儀器：Modernanalytica人工誘變法：紫外線、X-線、r-線照射亞硝基胍、亞硝酸、秋水仙素、氮芥等誘變劑處理ConventionalstrainselectionPhysicalmutageneg.UltravioletRadiationChemicalmutageneg.Nitrosoguanidine(NTG)Improvedstraincanbeselectedempirically3.抗生素生產(chǎn)菌改良StrainImprovement抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術14人工誘變法：Conventionalstrainsele基因工程GeneticEngineering

3.抗生素生產(chǎn)菌改良StrainImprovementRecombinantDNATechnology（DNA重組技術）克隆抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術15基因工程3.抗生素生產(chǎn)菌改良RecombinanStrainImprovementScale-upStrain出發(fā)菌株Agarplate平板技術PrimaryshakeflaskEvaluation搖瓶培養(yǎng)Secondaryshakeflaskevaluationdifferentmedia二級搖瓶培養(yǎng)各種培養(yǎng)基

LabfermentorevaluationProductionCondition小型發(fā)酵罐模擬生產(chǎn)條件MastercellbankWorkingcellbankInoculumDevelopment菌種擴大培養(yǎng)PilotplantEvaluation中試生產(chǎn)ProductionEvaluation生產(chǎn)60003003031Possiblerecycle抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術16StrainImprovementScale-upStr抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術17抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術17Scale-up（比擬放大）modelsELGaddenJr<10dm3GoodproductGoodproductivity>200m3Sameproductivity?Limitations?模擬抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術18Scale-up（比擬放大）modelsELGadden搖瓶發(fā)酵Shake-flaskfermentation10-50mlin125-500mlflaskBatchonlyLimitedcontrol:temperatureSlowmetabolizingcarbohydrateAmbientpressureBuffersneededtocontrolpHIn-processsamplingdifficultVolumedecreasebyevaporationSolidgrowthonsidewallsAntifoamnotneededAgitationlimited:shakerspeedNocontrolofdissolvedoxygen裝液量：10%(~250ml)間歇培養(yǎng)溫控受限制代謝碳水化合物慢常壓緩沖液控制pH在線取樣難容量減少瓶壁上結垢無需消泡攪拌受限制無法控制溶解氧抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術19搖瓶發(fā)酵10-50mlin125-500m攪拌罐發(fā)酵Stirredtankfermentation10-100,000升容量間歇和補料培養(yǎng)連續(xù)控制：pH，溫度需要銨鹽或氨氣2大氣壓無需緩沖液在線取樣易補料,容量增加生長均勻一致需消泡多種攪拌控制溶解氧:通氣,加壓10-100,000litervesselsBatchandfeedpossibleContinuouscontrol:pH,temperatureAmmoniumsaltsorammonianeededPressureattwoatmospherespossibleNobuffersnecessaryIn-processsamplingeasyVolumeincreasebysugarfeedVeryuniformgrowthAntifoamoftenrequiredWidevarietyofimpellersandbafflesDissolvedoxygencontrolledbyaeration,pressure抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術20攪拌罐發(fā)酵10-100,000升容量10-搖瓶發(fā)酵Shake-flask裝液量：10%(~250ml)間歇培養(yǎng)溫控受限制代謝碳水化合物慢常壓緩沖液控制pH在線取樣難容量減少瓶壁上結垢無需消泡攪拌受限制無法控制溶解氧10-100,000升容量間歇和補料培養(yǎng)連續(xù)控制：pH，溫度需要銨鹽或氨氣2大氣壓無需緩沖液在線取樣易補料,容量增加生長均勻一致需消泡多種攪拌控制溶解氧:通氣,加壓攪拌罐發(fā)酵Stirredtank抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術21搖瓶發(fā)酵裝液量：10%(~250ml)10-10菌種

→種子制備

→發(fā)酵→發(fā)酵液預處理→提取及精制→成品包裝Strain

→Preparationofseed

→Fermentation→Treatmentofbroth→Isolation&purification→Packageofproduct4.抗生素生產(chǎn)工藝過程AntibioticsProductionProcessing抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術22菌種→種子制備Strain→PreparatAschemeofthematerialflowinanantibioticproduction抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術23AschemeofthematerialflowAschemeofthematerialflowinanantibioticproduction連消發(fā)酵罐緩沖罐種子罐抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術24Aschemeofthematerialflow發(fā)酵生產(chǎn)原料

MaterialsforFermentationCarbonsource:Beet&canemolassesGlucose,lactose,starchEthanol,methanolGlycerolMaltosesyrup,cornsyrupCottonseedoil,peanutoil,soyoilLardoilMethyloleateTallow碳源:甜菜和甘蔗糖蜜葡萄糖，乳糖，淀粉乙醇，甲醇甘油麥芽糖漿，玉米糖漿綿籽油，花生油，豆油豬油油酸甲酯油脂抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術25發(fā)酵生產(chǎn)原料MaterialsforF氮源:綿籽粉玉米粉和玉米浸出液大豆粉和大豆面花生粉菜籽粉牛血，酪蛋白水解液乳清魚粉酵母酵母膏肉粉和骨粉

Nitrogensource:CottonseedmealCornmeal&steepliquorSoybeanmeal&flourPeanutmealRapeseedmealBeefblood,CaseinhydrolysateWheyFishmealWholeyeastYeastextractMeat&bonemeal

發(fā)酵生產(chǎn)原料MaterialsforFermentation抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術26氮源:Nitrogensource:發(fā)酵生產(chǎn)原料

培養(yǎng)基MediaforCellGrowth&FinalproductionComponentsRange%組成Glucose/sucrose3.0-5.0葡萄糖/蔗糖Starch淀粉3.0-5.0Cornsteepliquor3.0-5.0Calciumcarbonate0.5-1.0碳酸鈣Phosphate磷酸鹽0.1-0.5Ammoniumsulphate0.1-1.0硫酸胺Urea尿素0.1-0.5Oil油0.1-0.5Fermentation發(fā)酵培養(yǎng)基

ComponentsRange%組成Glucose0.5-1.0Starch

0.5-5.0Cornsteepliquor5.0-8.0玉米浸提液Soyflour1.0-5.0Phosphate0.1-1.0Ammoniumsulphate0.5-1.0andfedperiodicallyOil1.0andfedcontinuouslyCornsyrupfedcontinuously玉米糖漿連續(xù)加料Tankseed種子培養(yǎng)基抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術27培養(yǎng)基MediaforCellGrowthStirredtankFermentation攪拌發(fā)酵抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術28StirredtankFermentation5.發(fā)酵控制FermentationControl

SampleAnalysispHDOSugarAmmoniaPhosphateSulphateProductsPrecursorsContaminationPressureprobeLevelprobepHprobeTbeDOprobeAntifoamAcid/BaseCoolingAir/agitationSugar/Oilfeed抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術295.發(fā)酵控制FermentationControScaleWeightSignalPumpSpeedAmplifierControllerSupervisoryComputer

FlowRateControl流量控制抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術30ScaleWeightSignalPumpSpeedAm發(fā)酵控制Fermentationcontrol抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術31發(fā)酵控制Fermentationcontrol菌種(strain)：產(chǎn)黃青霉菌(Penicilliumchrysogenum)孢子培養(yǎng)(sporecultivation)：25oC,6-7d種子培養(yǎng)(seedcultivation)：25oC，2-3d發(fā)酵培養(yǎng)(fermentation)：22-26oC,6-7d加糖控制(sugarfeeding)：殘?zhí)墙抵?.6％青霉素發(fā)酵(1)PenicillinFermentation抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術32菌種(strain)：產(chǎn)黃青霉菌(Penicillium補氮(nitrogenfeeding)：氨控制在0.01-0.05％前體(precursor)：殘余苯乙酰胺0.05-0.08％溫度控制(temperature)：前期25-26oC后期23oC通氣與攪拌(aeration&stir)：1:0.8VVM泡沫(foam)：天然油脂,如豆油青霉素發(fā)酵(2)PenicillinFermentation抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術33補氮(nitrogenfeeding)：氨控制在0.0演講完畢，謝謝聽講!再見，seeyouagain3rew2022/12/18抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術演講完畢，謝謝聽講!再見，seeyouagain3rew34抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術2022/12/18抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術2022/12/13抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術35概述生產(chǎn)前期研究生產(chǎn)菌改良生產(chǎn)工藝過程發(fā)酵條件的控制提取和精制IntroductionResearchinLabStrainimprovementProductionprocessingFermentationcontrolIsolation&purification抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術AntibioticsFermentationProduction抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術36概述Introduction抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技抗生素是生物在其生產(chǎn)活動過程中所產(chǎn)生，并能在低微濃度下有選擇性地抑制或殺滅其他微生物或腫瘤細胞的有機物。

Antibiotics

Anyorganicsubstancesproducedbyvariousorganismsthathavethepowerofarrestingthe

growthofothermicroorganismsorofdestroyingthem.1.概述Introduction抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術37抗生素Antibiotics1.概述Introd歷史1929年，英國弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素二戰(zhàn)期間，大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)世界上最早用于臨床的抗菌素History

PenicillinwasdiscoveredbyFlemingin1929.WorldWarII,fermentedinlarge-scale

Thefirstmajorantibiotictobecommercialized1.概述Introduction抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術38歷史History1.概述Introducti根據(jù)抗生素的作用機制分類(ModesofActionofAntibiotics)

抑制細胞壁合成(CellWallSynthesis)

：青霉素抑制細胞膜功能(CellMembraneDamage)

：多烯類抗生素抑制蛋白質合成(ProteinSynthesis)

：四環(huán)素抑制核酸合成(NucleicAcidSynthesis)

：絲裂霉素

分類Classification1.概述Introduction抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術39根據(jù)抗生素的作用機制分類(ModesofAction復制翻譯轉錄抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術40復制翻譯轉錄抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術6根據(jù)抗生素的化學結構分類β-內(nèi)酰胺類(β-lactam)：青霉素類(penicillins)

頭孢菌素類(cephalosporins)氨基糖苷類(aminoglycosides)：鏈霉素、慶大霉素大環(huán)內(nèi)酯類(macrolides)：紅霉素、麥迪加霉素四環(huán)類(tetracyclines)：四環(huán)素、土霉素多肽類(polymyxin)：多粘菌素

分類Classification1.概述Introduction抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術41根據(jù)抗生素的化學結構分類分類Classific

HNONSCH3CH3HCOO-H-lactamringβ-內(nèi)酰胺環(huán)RnaturalpenicillinR=CH2-CO-抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術42HNONSCH3CH3HCOO-H-lactamrinβ-內(nèi)酰胺環(huán)抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術43β-內(nèi)酰胺環(huán)抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術9兩性霉素Antibioticsare

socomplextheycanonlybesynthesized

inalivingsystem抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術44兩性霉素Antibioticsaresocomplex產(chǎn)生菌的篩選抗菌性試驗提取、精制、鑒定毒性試驗藥理和臨床試驗ScreeningofastrainAntimicrobialtrialIsolation,purificationandidentificationToxicologicaltrial

Medicinal&clinicaltrial

2．生產(chǎn)前期研究ResearchinLab抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術45產(chǎn)生菌的篩選Screeningofastrain2．

Agardiffusionassayagarplate瓊脂培養(yǎng)基lawnoftestbacteria測試菌苔filterpaperssoakedwithtestcompounds含藥物濾紙zonesofinhibition(nogrowth)抑菌圈抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術46Agardiffusionassayagarplat分析儀器Analyticalinstruments現(xiàn)代分析儀器：核磁共振毛細管電泳氣相色譜高效液相色譜質譜Modernanalyticalinstruments:Nuclearmagneticresonance(NMR)Capillaryelectrophoresis(CE)Gaschromatography(GC)Highperformanceliquidchromatography(HPLC)Massspectroscopy(MS)

AutomationSensitivityAccuracy

自動靈敏準確抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術47分析儀器現(xiàn)代分析儀器：Modernanalytica人工誘變法：紫外線、X-線、r-線照射亞硝基胍、亞硝酸、秋水仙素、氮芥等誘變劑處理ConventionalstrainselectionPhysicalmutageneg.UltravioletRadiationChemicalmutageneg.Nitrosoguanidine(NTG)Improvedstraincanbeselectedempirically3.抗生素生產(chǎn)菌改良StrainImprovement抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術48人工誘變法：Conventionalstrainsele基因工程GeneticEngineering

3.抗生素生產(chǎn)菌改良StrainImprovementRecombinantDNATechnology（DNA重組技術）克隆抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術49基因工程3.抗生素生產(chǎn)菌改良RecombinanStrainImprovementScale-upStrain出發(fā)菌株Agarplate平板技術PrimaryshakeflaskEvaluation搖瓶培養(yǎng)Secondaryshakeflaskevaluationdifferentmedia二級搖瓶培養(yǎng)各種培養(yǎng)基

LabfermentorevaluationProductionCondition小型發(fā)酵罐模擬生產(chǎn)條件MastercellbankWorkingcellbankInoculumDevelopment菌種擴大培養(yǎng)PilotplantEvaluation中試生產(chǎn)ProductionEvaluation生產(chǎn)60003003031Possiblerecycle抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術50StrainImprovementScale-upStr抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術51抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術17Scale-up（比擬放大）modelsELGaddenJr<10dm3GoodproductGoodproductivity>200m3Sameproductivity?Limitations?模擬抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術52Scale-up（比擬放大）modelsELGadden搖瓶發(fā)酵Shake-flaskfermentation10-50mlin125-500mlflaskBatchonlyLimitedcontrol:temperatureSlowmetabolizingcarbohydrateAmbientpressureBuffersneededtocontrolpHIn-processsamplingdifficultVolumedecreasebyevaporationSolidgrowthonsidewallsAntifoamnotneededAgitationlimited:shakerspeedNocontrolofdissolvedoxygen裝液量：10%(~250ml)間歇培養(yǎng)溫控受限制代謝碳水化合物慢常壓緩沖液控制pH在線取樣難容量減少瓶壁上結垢無需消泡攪拌受限制無法控制溶解氧抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術53搖瓶發(fā)酵10-50mlin125-500m攪拌罐發(fā)酵Stirredtankfermentation10-100,000升容量間歇和補料培養(yǎng)連續(xù)控制：pH，溫度需要銨鹽或氨氣2大氣壓無需緩沖液在線取樣易補料,容量增加生長均勻一致需消泡多種攪拌控制溶解氧:通氣,加壓10-100,000litervesselsBatchandfeedpossibleContinuouscontrol:pH,temperatureAmmoniumsaltsorammonianeededPressureattwoatmospherespossibleNobuffersnecessaryIn-processsamplingeasyVolumeincreasebysugarfeedVeryuniformgrowthAntifoamoftenrequiredWidevarietyofimpellersandbafflesDissolvedoxygencontrolledbyaeration,pressure抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術54攪拌罐發(fā)酵10-100,000升容量10-搖瓶發(fā)酵Shake-flask裝液量：10%(~250ml)間歇培養(yǎng)溫控受限制代謝碳水化合物慢常壓緩沖液控制pH在線取樣難容量減少瓶壁上結垢無需消泡攪拌受限制無法控制溶解氧10-100,000升容量間歇和補料培養(yǎng)連續(xù)控制：pH，溫度需要銨鹽或氨氣2大氣壓無需緩沖液在線取樣易補料,容量增加生長均勻一致需消泡多種攪拌控制溶解氧:通氣,加壓攪拌罐發(fā)酵Stirredtank抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術55搖瓶發(fā)酵裝液量：10%(~250ml)10-10菌種

→種子制備

→發(fā)酵→發(fā)酵液預處理→提取及精制→成品包裝Strain

→Preparationofseed

→Fermentation→Treatmentofbroth→Isolation&purification→Packageofproduct4.抗生素生產(chǎn)工藝過程AntibioticsProductionProcessing抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術56菌種→種子制備Strain→PreparatAschemeofthematerialflowinanantibioticproduction抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術57AschemeofthematerialflowAschemeofthematerialflowinanantibioticproduction連消發(fā)酵罐緩沖罐種子罐抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術58Aschemeofthematerialflow發(fā)酵生產(chǎn)原料

MaterialsforFermentationCarbonsource:Beet&canemolassesGlucose,lactose,starchEthanol,methanolGlycerolMaltosesyrup,cornsyrupCottonseedoil,peanutoil,soyoilLardoilMethyloleateTallow碳源:甜菜和甘蔗糖蜜葡萄糖，乳糖，淀粉乙醇，甲醇甘油麥芽糖漿，玉米糖漿綿籽油，花生油，豆油豬油油酸甲酯油脂抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術59發(fā)酵生產(chǎn)原料MaterialsforF氮源:綿籽粉玉米粉和玉米浸出液大豆粉和大豆面花生粉菜籽粉牛血，酪蛋白水解液乳清魚粉酵母酵母膏肉粉和骨粉

Nitrogensource:CottonseedmealCornmeal&steepliquorSoybeanmeal&flourPeanutmealRapeseedmealBeefblood,CaseinhydrolysateWheyFishmealWholeyeastYeastextractMeat&bonemeal

發(fā)酵生產(chǎn)原料MaterialsforFermentation抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術60氮源:Nitrogensource:發(fā)酵生產(chǎn)原料

培養(yǎng)基MediaforCellGrowth&FinalproductionComponentsRange%組成Glucose/sucrose3.0-5.0葡萄糖/蔗糖Starch淀粉3.0-5.0Cornsteepliquor3.0-5.0Calciumcarbonate0.5-1.0碳酸鈣Phosphate磷酸鹽0.1-0.5Ammoniumsulphate0.1-1.0硫酸胺Urea尿素0.1-0.5Oil油0.1-0.5Fermentation發(fā)酵培養(yǎng)基

ComponentsRange%組成Glucose0.5