第九章 發(fā)酵工程各論抗生素發(fā)酵工藝學(xué)

韓北忠

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院HanBei-zhong,

Prof.PhDCollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringChinaAgriculturalUniversity抗生素發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)AntibioticsFermentationProduction1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(shù)AntibioticsFermentationProduction2抗生素是生物在其生產(chǎn)活動(dòng)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(xì)胞的有機(jī)物。

Antibiotics

Anyorganicsubstancesproducedbyvariousorganismsthathavethepowerofarrestingthe

growthofothermicroorganismsorofdestroyingthem.1.概述Introduction3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Introduction4根據(jù)抗生素的作用機(jī)制分類(ModesofActionofAntibiotics)

抑制細(xì)胞壁合成(CellWallSynthesis)

：青霉素抑制細(xì)胞膜功能(CellMembraneDamage)

：多烯類抗生素抑制蛋白質(zhì)合成(ProteinSynthesis)

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

：絲裂霉素

分類Classification1.概述Introduction5復(fù)制翻譯轉(zhuǎn)錄6根據(jù)抗生素的化學(xué)結(jié)構(gòu)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Introduction7

HNONSCH3CH3HCOO-H-lactamringβ-內(nèi)酰胺環(huán)RnaturalpenicillinR=CH2-CO-8β-內(nèi)酰胺環(huán)9兩性霉素Antibioticsare

socomplextheycanonlybesynthesized

inalivingsystem10產(chǎn)生菌的篩選選抗菌性試驗(yàn)提取、精制、、鑒定毒性試驗(yàn)藥理和臨床試試驗(yàn)ScreeningofastrainAntimicrobialtrialIsolation,purificationandidentificationToxicologicaltrialMedicinal&clinicaltrial2．生產(chǎn)前期研究究ResearchinLab11Agardiffusionassayagarplate瓊脂培養(yǎng)基lawnoftestbacteria測試菌苔filterpaperssoakedwithtestcompounds含藥物濾紙zonesofinhibition(nogrowth)

抑菌圈12分析儀器器Analyticalinstruments現(xiàn)代分析儀器器：核磁共振毛細(xì)管電泳氣相色譜高效液相色譜譜質(zhì)譜Modernanalyticalinstruments:Nuclearmagneticresonance(NMR)Capillaryelectrophoresis(CE)Gaschromatography(GC)Highperformanceliquidchromatography(HPLC)Massspectroscopy(MS)AutomationSensitivityAccuracy自動(dòng)靈靈敏準(zhǔn)準(zhǔn)確13人工誘變法：：紫外線、X-線、r-線照射亞硝基胍、亞硝酸、秋秋水仙素、氮氮芥等誘變劑劑處理ConventionalstrainselectionPhysicalmutageneg.UltravioletRadiationChemicalmutageneg.Nitrosoguanidine(NTG)Improvedstraincanbeselectedempirically3.抗生素生產(chǎn)菌改良StrainImprovement14基因工程GeneticEngineering3.抗生素生產(chǎn)菌改良StrainImprovementRecombinantDNATechnology（DNA重組技術(shù)）克隆15StrainImprovementScale-upStrain出發(fā)菌株Agarplate平板技術(shù)PrimaryshakeflaskEvaluation搖瓶培養(yǎng)Secondaryshakeflaskevaluationdifferentmedia二級搖瓶培養(yǎng)養(yǎng)各種培養(yǎng)基LabfermentorevaluationProductionCondition小型發(fā)酵罐模擬生產(chǎn)條件件MastercellbankWorkingcellbankInoculumDevelopment菌種擴(kuò)大培養(yǎng)養(yǎng)PilotplantEvaluation中試生產(chǎn)ProductionEvaluation生產(chǎn)60003003031Possiblerecycle1617Scale-up（比擬放大）modelsELGaddenJr<10dm3GoodproductGoodproductivity>200m3Sameproductivity?Limitations?模擬18搖瓶發(fā)酵酵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合物慢常壓緩沖液控制pH在線取樣難容量減少瓶壁上結(jié)垢無需消泡攪拌受限制無法控制溶解解氧19攪拌罐罐發(fā)酵酵Stirredtankfermentation10-100,000升容量間歇和補(bǔ)料培培養(yǎng)連續(xù)控制：pH，溫度需要銨鹽或氨氨氣2大氣壓無需緩沖液在線取樣易補(bǔ)料,容量增加生長均勻一致致需消泡多種攪拌控制溶解氧:通氣,加壓10-100,000litervesselsBatchandfeedpossibleContinuouscontrol:pH,temperatureAmmoniumsaltsorammonianeededPressureattwoatmospherespossibleNobuffersnecessaryIn-processsamplingeasyVolumeincreasebysugarfeedVeryuniformgrowthAntifoamoftenrequiredWidevarietyofimpellersandbafflesDissolvedoxygencontrolledbyaeration,pressure20搖瓶發(fā)酵酵Shake-flask裝液量：10%(~250ml)間歇培養(yǎng)溫控受限制代謝碳水化合合物慢常壓緩沖液控制pH在線取樣難容量減少瓶壁上結(jié)垢無需消泡攪拌受限制無法控制溶解解氧10-100,000升容量間歇和補(bǔ)料培培養(yǎng)連續(xù)控制：：pH，溫度需要銨鹽或或氨氣2大氣壓無需緩沖液在線取樣易易補(bǔ)料,容量增加生長均勻一一致需消泡多種攪拌控制溶解氧氧:通氣,加壓攪拌罐罐發(fā)酵酵Stirredtank21菌種→種子制備→發(fā)酵→發(fā)酵液預(yù)處處理→提取及精制制→成品包裝Strain→Preparationofseed→Fermentation→Treatmentofbroth→Isolation&purification→Packageofproduct4.抗生素生產(chǎn)產(chǎn)工藝過程程AntibioticsProductionProcessing22Aschemeofthematerialflowinanantibioticproduction23Aschemeofthematerialflowinanantibioticproduction連消發(fā)酵罐緩沖罐種子罐24發(fā)酵生產(chǎn)原原料MaterialsforFermentationCarbonsource:Beet&canemolassesGlucose,lactose,starchEthanol,methanolGlycerolMaltosesyrup,cornsyrupCottonseedoil,peanutoil,soyoilLardoilMethyloleateTallow碳源源:甜菜菜和和甘甘蔗蔗糖糖蜜蜜葡萄萄糖糖，，乳乳糖糖，，淀淀粉粉乙醇醇，，甲甲醇醇甘油油麥芽芽糖糖漿漿，，玉玉米米糖糖漿漿綿籽油，，花花生生油油，，豆豆油油豬油油油酸酸甲甲酯酯油脂脂25氮源源:綿籽粉玉米米粉粉和和玉玉米米浸浸出出液液大豆豆粉粉和和大大豆豆面面花生生粉粉菜籽籽粉粉牛血血，，酪酪蛋蛋白白水水解解液液乳清清魚粉粉酵母母酵母母膏膏肉粉粉和和骨骨粉粉Nitrogensource:CottonseedmealCornmeal&steepliquorSoybeanmeal&flourPeanutmealRapeseedmealBeefblood,CaseinhydrolysateWheyFishmealWholeyeastYeastextractMeat&bonemeal發(fā)酵酵生生產(chǎn)產(chǎn)原原料料MaterialsforFermentation26培養(yǎng)養(yǎng)基基MediaforCellGrowth&FinalproductionComponentsRange%組成成Glucose/sucrose3.0-5.0葡萄萄糖糖/蔗糖糖Starch淀粉粉3.0-5.0Cornsteepliquor3.0-5.0Calciumcarbonate0.5-1.0碳酸酸鈣鈣Phosphate磷酸酸鹽鹽0.1-0.5Ammoniumsulphate0.1-1.0硫酸酸胺胺Urea尿素素0.1-0.5Oil油0.1-0.5Fermentation發(fā)酵酵培培養(yǎng)養(yǎng)基基ComponentsRange%組成成Glucose0.5-1.0Starch0.5-5.0Cornsteepliquor5.0-8.0玉米米浸浸提提液液Soyflour1.0-5.0Phosphate0.1-1.0Ammoniumsulphate0.5-1.0andfedperiodicallyOil1.0andfedcontinuouslyCornsyrupfedcontinuously玉米米糖糖漿漿連連續(xù)續(xù)加加料料Tankseed種子子培培養(yǎng)養(yǎng)基基27StirredtankFermentation攪拌發(fā)發(fā)酵285.發(fā)酵酵控控制制FermentationControlSampleAnalysispHDOSugarAmmoniaPhosphateSulphateProductsPrecursorsContaminationPressureprobeLevelprobepHprobeTbeDOprobeAntifoamAcid/BaseCoolingAir/agitationSugar/Oilfeed29ScaleWeightSignalPumpSpeedAmplifierControllerSupervisoryComputerFlowRateControl流量控制30發(fā)酵控控制Fermentationcontrol31菌種(strain)：產(chǎn)黃青霉霉菌(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)墙抵林?.6％青霉素素發(fā)酵酵(1)PenicillinFermentation32補(bǔ)氮(nitrogenfeeding)：氨控制在在0.01-0.05％前體(precursor)：殘余苯乙乙酰胺0.05-0.08％溫度控制(temperature)：前期25-26oC后期23oC通氣與攪拌拌(aeration&stir)：1:0.8VVM泡沫(foam)：天然油脂脂,如豆油青霉素素發(fā)酵酵(2)PenicillinFermentation33PenicillinFermentationProfile變化曲線349、靜夜四無鄰鄰，荒居舊業(yè)業(yè)貧。。12月-2212月-22Tuesday,December20,202210、雨中黃葉樹樹，燈下白頭頭人。。11:47:4911:47:4911:4712/20/202211:47:49AM11、以我獨(dú)沈沈久，愧君君相見頻。。。12月-2211:47:4911:47Dec-2220-Dec-2212、故人江海海別，幾度度隔山川。。。11:47:4911:47:4911:47Tuesday,December20,202213、乍見翻疑夢夢，相悲各問問年。。12月-2212月-2211:47:4911:47:49December20,202214、他鄉(xiāng)生白發(fā)發(fā)，舊國見青青山。。20十二月月202211:47:49上午午11:47:4912月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。十二二月月2211:47上上午午12月月-2211:47December20,202216、行動(dòng)出成果果，工作出財(cái)財(cái)富。。2022/12/2011:47:4911:47:4920December202217、做前，能夠夠環(huán)視四周；；做時(shí)，你只只能或者最好好沿著以腳為為起點(diǎn)的射線線向前。。11:47:49上午午11:47上上午11:47:4912月-229、沒有失失敗，只只有暫時(shí)時(shí)停止成成功！。。12月-2212月-22Tuesday,December20,202210、很多事事情努力力了未必必有結(jié)果果，但是是不努力力卻什么么改變也也沒有。。。11:47:4911:47:4911:4712/20/202211:47:49AM11、成功就就是日復(fù)復(fù)一日那那一點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)小小努努力的積積累。。。12月-2211:47:4911:47Dec-2220-Dec-2212、世間間成事事，不不求其其絕對對圓滿滿，留留一份份不足足，可可得無無限完完美。。。11:47:4911:47:4911:47Tuesday,December20,202213、不不知知香香積積寺寺，，數(shù)數(shù)里里入入云云峰峰。。。。12月月-2212月月-2211:47:5011:47:50December20,202214、意意志志堅(jiān)堅(jiān)強(qiáng)強(qiáng)的的人人能能把把世世界界放放在在手手中中像像泥泥塊塊一一樣樣任任意意揉揉捏捏。。20十十二二月月202211:47:50上上午午11:47:5012月月-2215、楚塞三湘接接，荊門九派派通。。。十二月2211:47上上午12月-2211:47December20,202216、少年十五二二十時(shí)，步行行奪得胡馬騎騎。。2022/12/2011:47:5011:47:5020December202217、空山新雨后后，天氣晚來來秋。。11:47:50上午午11:47上上午11:47:5012月-229、楊柳散和和風(fēng)，青山山澹吾慮。。。12月-2212月-22Tuesday,December20,202210、閱讀一切切好書如同同和過去最最杰出的人人談話。11:47: