微生物制药β内酰胺类抗生素课件.ppt

1、微生物制药微生物制药b b-内酰胺抗生素内酰胺抗生素第一节第一节 定义定义分子中含有分子中含有-内酰内酰胺环并具有抗菌胺环并具有抗菌作用的一类化学作用的一类化学物质。物质。第二节第二节 分类和命名分类和命名青霉烷青霉烷(penams)青霉烯青霉烯(penems)碳青霉烯碳青霉烯(carbapenems)头孢烯头孢烯(cephems)碳头孢烯碳头孢烯(carbacephems)氧头孢烯氧头孢烯(oxocephems)一、一、b b-内酰胺抗生素的分类内酰胺抗生素的分类一、一、b b-内酰胺抗生素的分类（续）内酰胺抗生素的分类（续）单环单环b b-内酰胺内酰胺(monobactams)青霉烷砜青霉

2、烷砜(penicillanic acid)氧青霉烷氧青霉烷(棒烷棒烷)(oxopenams)二、二、b b-内酰胺抗生素的命名内酰胺抗生素的命名u青霉烷类（青霉烷类（cillin，西林）西林）u头孢烯类（头孢烯类（cef，头孢，头孢）u青霉烯类（青霉烯类（penem，配能）配能）u氧头孢烯类（氧头孢烯类（oxef，氧头孢）氧头孢）u碳头孢烯类（碳头孢烯类（carbef，碳头孢）碳头孢）u单环内酰胺类（单环内酰胺类（onam，喃）喃）ub b-内酰胺酶抑制剂类（内酰胺酶抑制剂类（b b-lactamase inhibitors）u复合复合b b-内酰胺抗生素（内酰胺抗生素（b b-内酰胺抗生素内

3、酰胺抗生素+b b-内酰胺酶抑制剂）内酰胺酶抑制剂）三、青霉素的分类三、青霉素的分类类别类别抗菌谱抗菌谱举例举例天然青霉素天然青霉素不产生青霉素酶不产生青霉素酶的的G(+)细菌细菌（包括（包括除拟杆菌以外的厌氧菌）和螺旋菌除拟杆菌以外的厌氧菌）和螺旋菌青霉素青霉素G青霉素青霉素V氨基青霉素氨基青霉素 不产生不产生b b-内酰胺酶内酰胺酶的的G(+)和和G(-)细菌细菌（包括除拟杆菌以外的厌氧菌）（包括除拟杆菌以外的厌氧菌）氨苄西林氨苄西林(Ampicillin)阿莫西林阿莫西林(Amoxicillin)耐青霉素酶耐青霉素酶青霉素青霉素用于上述用于上述青霉素耐药菌青霉素耐药菌感染，但对感染，但对

4、MRSA无效无效甲氧西林甲氧西林(Methicillin)氯唑西林氯唑西林(Cloxacillin)扩大抗菌谱扩大抗菌谱的青霉素的青霉素（抗绿脓杆（抗绿脓杆菌）菌）对对G(+)细菌的活性不如天然青霉素细菌的活性不如天然青霉素和氨基青霉素，故主要用于和氨基青霉素，故主要用于绿脓杆绿脓杆菌感染菌感染羧苄西林羧苄西林(Carbenicillin)替卡西林替卡西林(Ticarcillin)脒基青霉素脒基青霉素主要用于主要用于G(-)细菌细菌引起的泌尿道感引起的泌尿道感染染脒基西林脒基西林(amidinocillin)生物合成的生物合成的b b-内酰胺抗生素内酰胺抗生素第三节第三节 生物合成与代谢调控生

5、物合成与代谢调控n青霉素与头孢菌素的生物合成途径青霉素与头孢菌素的生物合成途径n生物合成中的调控反应生物合成中的调控反应青霉素青霉素G苯乙酸苯乙酸（侧链）（侧链）6-氨基青霉烷酸（氨基青霉烷酸（6-APA)(母核母核)苯乙酸苯乙酸半胱氨酸半胱氨酸缬氨酸缬氨酸青霉素与头孢菌素的生物合成途径（一）青霉素与头孢菌素的生物合成途径（一）L-氨基己二酸氨基己二酸L-半胱氨酸半胱氨酸L-缬氨酸缬氨酸ACV合成酶合成酶LLD-ACVIPN合成酶合成酶IPN异青霉素异青霉素N青霉素与头孢菌素的生物合成途径（二）青霉素与头孢菌素的生物合成途径（二）IPN酰基转移酶酰基转移酶IPN酰化酶酰化酶青霉素青霉素G6-A

6、PA青霉素与头孢菌素的青霉素与头孢菌素的生物合成途径（三）生物合成途径（三）异构酶异构酶DOCPC羟化酶羟化酶DOCPC合酶合酶DCPC乙酰转移酶乙酰转移酶异青霉素异青霉素N青霉素青霉素N脱乙酰氧头孢菌素脱乙酰氧头孢菌素C脱乙酰头孢菌素脱乙酰头孢菌素C头孢菌素头孢菌素Cu碳源调控（葡萄糖效应）：速效碳源碳源调控（葡萄糖效应）：速效碳源 青霉素、青霉素、头孢菌素、棒酸发酵头孢菌素、棒酸发酵uNH4+调控：调控：NH4+青霉素、头孢菌素青霉素、头孢菌素发发酵酵u氨基酸调控：赖氨酸氨基酸调控：赖氨酸 青霉素、头孢菌素青霉素、头孢菌素发发酵酵，蛋氨酸蛋氨酸 头孢菌素头孢菌素发发酵酵upH调控（影响通透

7、酶）调控（影响通透酶）u磷酸盐调控（一般与碳源调控相联系）磷酸盐调控（一般与碳源调控相联系）注：注：“”表示抑制或阻遏，表示抑制或阻遏，“”表表示示促进促进或刺激。或刺激。u调控反应的控制：用流加方法控制效应物在发酵液调控反应的控制：用流加方法控制效应物在发酵液中的残留浓度中的残留浓度生物合成中的调控反应生物合成中的调控反应第四节第四节 青霉素的工业生产青霉素的工业生产工艺流程工艺流程发酵发酵产黄青霉产黄青霉真空冷冻干燥或液氮保藏孢子真空冷冻干燥或液氮保藏孢子斜面孢子斜面孢子琼脂培养基上琼脂培养基上25培养培养79天天米孢子米孢子用斜面孢子悬浮液接种于大米或小米基质上用斜面孢子悬浮液接种于大米

8、或小米基质上25培养培养67天天种子罐种子罐用孢子米粒或孢子悬液接种，用孢子米粒或孢子悬液接种，26通气、搅拌培养通气、搅拌培养6068小时小时发酵罐发酵罐用种子罐按用种子罐按10%15%体积接种，在体积接种，在25及通气、及通气、搅拌下补料分批培养搅拌下补料分批培养200240小时小时发酵液发酵液冷却至冷却至5左右，絮凝、过滤左右，絮凝、过滤发酵滤液发酵滤液补料：补料：葡萄糖葡萄糖硫酸铵硫酸铵氨水氨水苯乙酸或苯乙酸或苯氧乙酸苯氧乙酸消沫剂消沫剂第四节第四节 青霉素的工业生产青霉素的工业生产工艺流程工艺流程提炼提炼第四节第四节 青霉素的工业生产青霉素的工业生产青霉素发酵的主要工艺控制点青霉素发

9、酵的主要工艺控制点操作变量操作变量工艺控制点工艺控制点操作变量操作变量工艺控制点工艺控制点发酵罐容积发酵罐容积150200 m3发酵温度发酵温度25装料率装料率80%发酵液发酵液pH6.5搅拌输入功率搅拌输入功率34 kW/m3初始菌体浓度初始菌体浓度1.51.8 kg(干干重重)/m3通气率通气率4060 Nm3/(m3h)葡萄糖料液浓度葡萄糖料液浓度 45kg/m3空气压力（表压）空气压力（表压）0.2 MPa葡萄糖补加率葡萄糖补加率1.02.5 kg/(m3h)发酵液上方压力发酵液上方压力（表压）（表压）0.030.06 MPa发酵液中铵氮浓发酵液中铵氮浓度度0.250.34 kg/m3

10、液相氧体积传递系液相氧体积传递系数数(kLa)200 h-1-1发酵液中苯乙酸发酵液中苯乙酸浓度浓度0.1 kg/m3发酵液中溶氧浓度发酵液中溶氧浓度 30%饱和度饱和度发酵时间发酵时间180240 h青霉素生产菌青霉素生产菌种种产黄青产黄青霉霉(Penicillium chrysogenum)的的分生孢子分生孢子第四节第四节 青霉素的工业生产青霉素的工业生产第四节第四节 青霉素的工业生产青霉素的工业生产青霉素发酵过程主要变量的典型变化曲线青霉素发酵过程主要变量的典型变化曲线青霉素生产工艺要点（一）青霉素生产工艺要点（一）生产菌种的生产菌种的长期保存长期保存要采用孢子悬浮液要采用孢子悬浮液液氮

11、低温液氮低温（-196）存放或真空冷冻干燥管冷藏（存放或真空冷冻干燥管冷藏（4）的方法，而不采用）的方法，而不采用传统的沙土管保藏方法，以便在较长时间（传统的沙土管保藏方法，以便在较长时间（510年）内年）内保持菌种的存活和保持菌种的存活和生产能力稳定生产能力稳定。琼脂斜面种子（孢子）密封后在琼脂斜面种子（孢子）密封后在415下可以短时间保下可以短时间保存，但最好存，但最好不要超过不要超过3个月个月。米孢子的基质可以是大米或小米，培养成熟后密封可以在米孢子的基质可以是大米或小米，培养成熟后密封可以在415下保存下保存不超过不超过3个月个月；如果在密封前真空干燥，；如果在密封前真空干燥，则可以保

12、存不超过则可以保存不超过6个月。个月。种子罐以达到对数生长的后期为培养成熟指标，不能随意种子罐以达到对数生长的后期为培养成熟指标，不能随意延长或缩短培养时间；同时要考虑培养液的流动性，以延长或缩短培养时间；同时要考虑培养液的流动性，以不影响通过管道向发酵罐接种的速度为宜。不影响通过管道向发酵罐接种的速度为宜。青霉素生产工艺要点（二）青霉素生产工艺要点（二）u发酵罐的发酵条件要严格按工艺要求进行控制，特别是各项发酵罐的发酵条件要严格按工艺要求进行控制，特别是各项补料补料要适应工艺对溶氧、要适应工艺对溶氧、pH及维持量的要求，不能过量，也不及维持量的要求，不能过量，也不能不足；为了减少过程空气湿度

13、对发酵液体积的影响，在湿度能不足；为了减少过程空气湿度对发酵液体积的影响，在湿度偏高或偏低的季节，要适当提高或降低用于补料的偏高或偏低的季节，要适当提高或降低用于补料的糖液浓度。糖液浓度。u氨水既作为发酵的氮源，又用来调节发酵过程中的氨水既作为发酵的氮源，又用来调节发酵过程中的pH，它的，它的补入要根据发酵液的补入要根据发酵液的pH和铵氮含量与补硫酸铵协调进行。和铵氮含量与补硫酸铵协调进行。u发酵液过滤要尽量提高速度，缩短时间，为此一般需要在过发酵液过滤要尽量提高速度，缩短时间，为此一般需要在过滤前对发酵液进行絮凝处理，絮凝剂的加入量随絮凝剂种类不滤前对发酵液进行絮凝处理，絮凝剂的加入量随絮凝

14、剂种类不同而异，以达到最大絮凝效果而不过量为宜。同而异，以达到最大絮凝效果而不过量为宜。u除种子制备和发酵过程要严防杂菌侵入外，提取的各工序也除种子制备和发酵过程要严防杂菌侵入外，提取的各工序也应应尽量保持无菌，因为污染细菌极有可能产生能破坏青霉素的尽量保持无菌，因为污染细菌极有可能产生能破坏青霉素的青霉素酶青霉素酶；特别是过滤，由于操作时间长，料液营养丰富，容；特别是过滤，由于操作时间长，料液营养丰富，容易滋生杂菌，故必须定期对设备和过滤介质进行清洗和灭菌，易滋生杂菌，故必须定期对设备和过滤介质进行清洗和灭菌，必要时可在过滤前加入必要时可在过滤前加入4福尔马林防腐。福尔马林防腐。青霉素生产工

15、艺要点（三）青霉素生产工艺要点（三）u青霉素对青霉素对热、酸、碱热、酸、碱都不稳定，而萃取操作正好处于不稳定都不稳定，而萃取操作正好处于不稳定pH范围内，故萃取过程要尽量降低温度，缩短时间，以减少范围内，故萃取过程要尽量降低温度，缩短时间，以减少青霉素的降解；离心萃取速度快，青霉素在不稳定青霉素的降解；离心萃取速度快，青霉素在不稳定pH下维持下维持时间短，是目前生产上普遍采用的方法。时间短，是目前生产上普遍采用的方法。u由于一次萃取对象的发酵滤液中含有不少可溶性蛋白质，容由于一次萃取对象的发酵滤液中含有不少可溶性蛋白质，容易在萃取界面形成乳化层，影响萃取和相分离，故应尽可能提易在萃取界面形成乳

16、化层，影响萃取和相分离，故应尽可能提高发酵液过滤质量，并在萃取过程中加入适量破乳剂。高发酵液过滤质量，并在萃取过程中加入适量破乳剂。u结晶操作要掌握好晶体形成的速度，以达到理想的晶形和晶结晶操作要掌握好晶体形成的速度，以达到理想的晶形和晶粒大小；为此，必须控制结晶时的温度和结晶反应剂加入的速粒大小；为此，必须控制结晶时的温度和结晶反应剂加入的速度，并保持适当转速的搅拌。度，并保持适当转速的搅拌。u提取过程中使用的过程水、溶媒及其它原辅料，都要有严格提取过程中使用的过程水、溶媒及其它原辅料，都要有严格的质量要求，设备、周围环境和操作人员也要严格保持清洁，的质量要求，设备、周围环境和操作人员也要严

17、格保持清洁，以避免带进以避免带进杂质和杂菌杂质和杂菌，影响产品质量。，影响产品质量。第五节第五节 头孢菌素头孢菌素C的工业生产的工业生产生产菌种：枝顶头孢（生产菌种：枝顶头孢（Cephalosporium acremonium），又称产黄枝顶孢），又称产黄枝顶孢（Acremonium chrysogenum）。）。生产流程：枝顶头孢生产流程：枝顶头孢 斜面培养斜面培养 摇瓶培摇瓶培养养 种子罐种子罐 发酵发酵 过滤过滤 超滤超滤 吸附吸附 解吸解吸 吸附吸附 解吸解吸 锌络合锌络合 结晶结晶 过滤过滤 干燥干燥 头孢菌素锌盐头孢菌素锌盐第五节第五节 头孢菌素头孢菌素C的工业生产的工业生产工艺控

18、制点：工艺控制点：发酵液残油：微量，但离心后肉眼可见；发酵液残油：微量，但离心后肉眼可见；铵氮：铵氮：0.50.7 g/L；pH：6.5。物质名称物质名称 消耗量消耗量(kg/m3发酵液发酵液)物质名称物质名称 消耗量消耗量(kg/m3发酵液发酵液)氧氧80160玉米浆玉米浆5075豆油豆油70130无机盐无机盐1723糖糖30120氨氨1020原料消耗原料消耗Cephalosporium acremonium 的气生菌丝和孢子囊的气生菌丝和孢子囊Cephalosporium acremonium 的菌丝和节孢子的菌丝和节孢子节孢子第六节第六节 半合成青霉素和头孢菌素半合成青霉素和头孢菌素的生

19、产的生产6-氨基青霉烷酸（氨基青霉烷酸（6-APA）的酶法生产工艺原理：的酶法生产工艺原理：青霉素青霉素G6-APA苯乙酸苯乙酸青霉素酰胺酶作用点青霉素酰胺酶作用点+第六节第六节 半合成青霉素和头孢菌素的生产半合成青霉素和头孢菌素的生产 6-氨基青霉烷酸（氨基青霉烷酸（6-APA）的酶法生产的酶法生产工艺流程：工艺流程：E.coli 或或 Bacillus megaterium 培养培养 青霉素酰胺酶分离、纯化青霉素酰胺酶分离、纯化 酶包埋酶包埋 青霉素青霉素G钾钾 磷酸盐缓冲液磷酸盐缓冲液*固定化酶柱固定化酶柱 萃取萃取 结晶结晶 (*pH 8.4)苯乙酸苯乙酸 结晶结晶 萃取萃取 母液母液

20、 以上各步的收得率为：青霉素以上各步的收得率为：青霉素G裂解裂解95%96%，6-APA分分离和纯化离和纯化97%，苯乙酸分离和纯化，苯乙酸分离和纯化80%。生产。生产1 kg 6-APA约需约需2 kg青霉素青霉素G钾。回收的苯乙酸可用作青霉素发酵前体。固定化钾。回收的苯乙酸可用作青霉素发酵前体。固定化酶柱可反复使用，使用次数不少于酶柱可反复使用，使用次数不少于500次。次。6-APA第六节第六节 半合成青霉素和头孢菌素的生产半合成青霉素和头孢菌素的生产7-氨基脱乙酰氧头孢烯酸（氨基脱乙酰氧头孢烯酸（7-ADCA）的生产）的生产注：注：裂解所用的酶与制备裂解所用的酶与制备6-APA的酶是同一种酶，的酶是同一种酶，并采用同样的方法固定、装柱。按目前的生产水平，并采用同样的方法固定、装柱。按目前的生产水平，生产生产1 kg 7-ADCA大约需要消耗大约需要消耗 2.5 kg青霉素青霉素G钾。钾。苯乙酸的回收率为苯乙酸的回收率为75%80%。