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发酵工程产物

发酵工程产物——抗生素

随着现在医疗技术的飞速发展，抗生素在医疗上的运用越来越多和越来越广泛。

我们随之是否关注过在这医疗上起了重大作用的抗生素是怎样来的？

其实抗生素的生产主要靠微生物发酵法生产，少数是化学合成，也有的是两者的结合，先用一种方法生产出半成品，再用另一种方法生产成品。

就目前市场而言，绝大部分用放线菌发酵生产，因此，抗生素生产是发酵工程的核心内容之一。

说道发酵工程，我们是这样来定义它的：

是指采用现代工程技术手段，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。

发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。

而微生物是发酵工程的灵魂。

近年来，对于发酵工程的生物学属性的认识愈益明朗化，发酵工程正在走近科学。

继而才有了现在的抗生素。

所以发酵工程最基本的原理是发酵工程的生物学原理。

具体细分来说是指采用工程技术手段，利用生物（主要是微生物）和有活性的离体酶的某些功能，为人类生产有用的生物产品，或直接用微生物参与控制某些工业生产过程的一种技术。

人们熟知的利用酵母菌发酵制造啤酒、果酒、工业酒精，乳酸菌发酵制造奶酪和酸牛奶，利用真菌大规模生产青霉素等都是这方面的例子。

随着科学技术的进步，发酵技术也有了很大的发展，并且已经进入能够人为控制和改造微生物，使这些微生物为人类生产产品的现代发酵工程阶段。

现代发酵工程作为现代生物技术的一个重要组成部分，具有广阔的应用前景。

例如，用基因工程的方法有目的地改造原有的菌种并且提高其产量；利用微生物发酵生产药品，如人的胰岛素、干扰素和生长激素等。

已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。

现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶、维生素和单细胞蛋白等。

从广义上讲，发酵工程由三部分组成：

是上游工程，中游工程和下游工程。

其中上游工程包括优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶氧和营养组成）的确定，营养物的准备等。

中游工程主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。

这里要有严格的无菌生长环境，包括发酵开始前采用高温高压对发酵原料和发酵罐以及各种连接管道进行灭菌的技术；在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气的空气过滤技术；在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速度的计算机控制技术；还有种子培养和生产培养的不同的工艺技术。

此外，根据不同的需要，发酵工艺上还分类批量发酵：

即一次投料发酵；流加批量发酵：

即在一次投料发酵的基础上，流加一定量的营养，使细胞进一步的生长，或得到更多的代谢产物； 连续发酵：

不断地流加营养，并不断地取出发酵液。

在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物形成的动力学模型，并根据这个模型设计中试的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模生产的动力学模型。

由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试，从中试到大规模生产过程中会出现许多问题，这就是发酵工程工艺放大问题。

下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术：

包括固液分离技术（离心分离，过滤分离，沉淀分离等工艺），细胞破壁技术（超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和溶壁酶等），蛋白质纯化技术（沉淀法、色谱分离法和超滤法等），最后还有产品的包装处理技术（真空干燥和冰冻干事燥等）。

此外，在生产药物和食品的发酵工业中，需要严格遵守美国联邦食品和药物管理局所公布的cGMPs的规定，并要定时接受有关当局的检查监督。

所以随着时间推移和科技的发展，当代发酵工程的产物品种越来越多，利用价值越来越高，发酵技抗生素的生产工艺和应用进展

摘要：

抗生素是由生物（包括某些微生物﹑植物和动物）产生的次级代谢产物，如青霉素﹑头孢霉素﹑链霉素﹑四环素﹑红霉素等一类化学物质的总称。

大多数抗生素是丝状真菌和细菌（特别是放线菌）产生的。

现在已经从不同的生物体中分离出4000余种抗生素。

工业生产主要采用微生物发酵法，属于次级代谢产

术也越来越成熟。

即如现在中国又出现了一种难以治愈的疾病H7N9。

所以发酵工程产物——抗生素的研究显的愈发的重要。

所以接下来让我们进入主题来研究抗生素的研究技术。

抗生素的生产工艺和应用进展

摘要：

抗生素是由生物（包括某些微生物﹑植物和动物）产生的次级代谢产物，如青霉素﹑头孢霉素﹑链霉素﹑四环素﹑红霉素等一类化学物质的总称。

大多数抗生素是丝状真菌和细菌（特别是放线菌）产生的。

现在已经从不同的生物体中分离出4000余种抗生素。

工业生产主要采用微生物发酵法，属于次级代谢产数如氯霉素、磷霉素亦可用化学合成法生产 。

关键词：

抗生素 青霉素 生产工艺 应用进展

一﹑用途简介

抗生素以前被称为抗菌素，事实上它不仅能杀灭细菌而且对霉菌、支原体、衣原体等其它致病微生物也 有良好的抑制和杀灭作用，近年来通常将抗菌素改称为抗生素。

抗生素可以是某些微生物生长繁殖过程中产生的一种物质，用于治病的抗生素除由此直接提取外；还

有完全用人工合成或部分人工合成的。

通俗地讲，抗生素就是用于治疗各种细菌感染或抑制致病微生物感染的药物。

 但是过量使用会抑制体内的有益菌，使肠道菌群失衡。

导致疾病的引起。

重复使用一种抗生素可能会使致病菌产生抗药性。

之所以现在提出杜绝滥用抗生素此乃是原因之一。

科学地使用抗生素是有的放矢。

通常建议做细菌培养并作药敏试验，根据药敏试验的结果选用极度敏感药物，这样就避免了盲目性，而且也能收到良好的治疗效果。

㈡﹑简单分类

随着新的抗生素的不断出现，为了便于研究，有必要对抗生素进行适

当的分类。

可以从各种不同的角度对抗生素进行分类，如生物来源作 用化学结构作用机制生物合成途径等方面。

㈢、抗生素的生产工艺：

 抗生素一般主要是利用微生物发酵法进行工业化生产，极少数抗 生素图氯霉素、磷霉素等可用化学法生产。

此外，还可以用天然抗生 素进行化学结构改造，制成各种衍生物。

发酵法生产抗生素的主要工 艺步骤包括菌种的制备、种子的扩大培养、发酵、发酵液的处理、代谢谢产物的分离纯化干燥，最后制的产品。

下面以青霉素的生产为例介绍抗生素的生产工艺。

㈠、青霉素生产菌株一般为产黄青酶，根据深层培养中的菌丝体的形态，分为球状菌和丝状菌。

在发酵过程中，产黄青霉的生长发育可分成6个阶段。

① 分生孢子的Ⅰ期；

② 菌丝繁殖，原生质嗜碱性很强，有类脂肪小颗粒产生为Ⅱ期；

③ 原生质嗜碱性仍很强，形成脂肪粒，积累贮藏物为Ⅲ期；

④ 原生质嗜碱性很弱，脂肪粒减少，形成中、小空泡为Ⅳ期；

⑤ 脂肪粒消失，形成大空泡为Ⅴ期；

⑥ 细胞内看不到颗粒，并有个别自溶细胞出现为Ⅵ期。

镜检：

规定时间取样，显微镜观察7个时期的形态变化，控制发酵。

Ⅰ-Ⅳ期为菌丝生长期，Ⅲ期的菌体适宜为种子。

Ⅳ-Ⅴ期为生产期，生产能力最强，通过工程措施，延长此期，获得高产。

在第Ⅵ期到来之前结束发酵。

㈡、青霉素的生产流程：

冷冻孢子→琼脂斜面→米孢子→种子罐→发酵罐→过滤→醋酸丁酯提取→脱水脱色→结晶→洗涤晶体→工业盐→菌丝体→综合利用。

在发酵过程中补料（碳源、氮源、前体），加消沫剂。

㈢、培养基

生产的培养基包括碳源、氮源、前体、无机盐等。

碳源的选择：

生产菌能利用多种碳源，乳糖，蔗糖，葡萄糖，阿拉伯糖，甘露糖，淀粉和天然油脂。

其中大约百分之六十五的碳源用于维持细胞的代谢，百分之二十五的用于生长，百分之十的用于产生青霉素。

过去用葡萄糖和乳糖的混合物，葡萄糖可以获得良好的细胞生长，但只有很低的青霉素的收率，而乳糖则有相反的效果。

碳源的流加方式极其重要，因为它会影响这种次级代谢产物的产量。

氮源：

玉米浆是最好的，是玉米淀粉生产时的副产品，含有多种氨基酸及其前体苯乙酸和衍生物。

玉米浆除作为氮源外，还提供附加营养和侧链前体。

补加无机氮源。

无机盐：

硫、磷、镁、钾等。

由于铁离子对青霉菌有毒害作用，所以必须严格控制铁离子浓度，控制在30µg/ml以下。

流加控制：

补糖，根据残糖、pH、尾气中CO2和O2含量。

残糖在0.6％左右，pH开始升高时加糖。

补氮：

流加酸酸铵、氨水、尿素，控制氨基氮0.05%。

添加前体：

合成阶段，苯乙酸及其衍生物，苯乙酰胺、苯乙胺、苯乙酰甘氨酸等均可为青霉素侧链的前体，直接掺入青霉素分子中。

也具有刺激青霉素合成作用。

但浓度大于0.19％时对细胞和合成有毒性。

还能被细胞氧化。

策略是流加低浓度前体，一次加入量低于0.1%，保持供应速率略大于生物合成的

需要。

㈣、发酵条件的控制

（1）温度

一生长适宜温度30℃，分泌青霉素温度20℃。

但20℃青霉素破坏少，周期很长。

生产中采用变温控制，不同阶段不同温度。

前期控制25－26℃左右，后期降温控制23℃。

过高则会降低发酵产率，增加葡萄糖的维持消耗，降低葡萄糖至青霉素的转化得率。

有的发酵过程在菌丝生长阶段采用较高的温度，以缩短生长时间，生产阶段适当降低温度，以利于青霉素合成。

（2）pH

合成的适宜pH6.4－6.6左右，避免超过7.0，青霉素在碱性条件下不稳定，易水解。

缓冲能力弱的培养基，pH降低，意味着加糖率过高造成酸性中间产物积累。

pH上升，加糖率过低不足以中和蛋白产生的氨或其他生理碱性物质。

前期pH控制在5.7~6.3，中后期pH控制6.3~6.6，通过补加氨水进行调节。

pH较低时，加入CaCO3、通氨调节或提高通气量。

pH上升时，加糖或天然油脂。

一般直接加酸或碱自动控制，流加葡萄糖控制。

（3）溶氧

溶氧＜30％饱和度，产率急剧下降，低于10％，则造成不可逆的损害。

所以不能低于30％饱和溶氧浓度。

通气比一般为1：

0.8VVM。

溶氧过高，菌丝生长不良或加糖率过低，呼吸强度下降，影响生产能力的发挥。

适宜的搅拌速度，保证气液混合，提高溶氧，根据各阶段的生长和耗氧量不同，对搅拌转速调整。

（4）菌丝生长速度与形态、浓度

对于每个有固定通气和搅拌条件的发酵罐内进行的特定好氧过程，都有一个使氧传递速率（OTR）和氧消耗率（OUR）在某一溶氧水平上达到平衡的临界菌丝浓，超过此浓度，OUR＞OTR，溶氧水平下降，发酵产率下降。

在发酵稳定期，湿菌浓可达15~20%，丝状菌干重约3%，球状菌干重在5%左右。

另外，因补入物料较多，在发酵中后期一般每天带放一次，每次放掉总发酵液的10%左右。

有丝状生长和球状生长两种。

前者由于所有菌丝体都能充分和发酵液中的基质及氧接触，比生产率高，发酵粘度低，气/液两相中氧的传递率提高，允许更多菌丝生长。

球状菌丝形态的控制，与碳、氮源的流加状况，搅拌的剪切强度及稀释度相关。

（5）消沫

发酵过程泡沫较多，需补入消沫剂。

天然油脂：

玉米油；化学消沫剂：

泡敌。

少量多次。

不适在前期多加入，影响呼吸代谢。

青霉素的发酵过程控制十分精细，一般2 h取样一次，测定发

酵液的pH、菌浓、残糖、残氮、苯乙酸浓度

青霉素效价等指标，同时取样做无菌检查，发现染菌

即结束发酵，视情况放过滤提取。

㈤、青霉素的分离纯化

在发酵结束时，青霉素分泌到培养基中，然后进行回收。

青霉素发酵液可以通过各种过滤器如板框过滤器进行过滤；过滤效率受培养基组分，特别是蛋白质类物质的影响。

回收菌丝在作为动物饲料或肥料之前，要再进行洗涤，以除去残余的青霉素。

一般采用溶剂抽提无细胞发酵液，回收抗生素，收率在百分之九十以上，其程序是首先加入硫酸或磷酸，将滤液的PH降至2.0-2.5，然后用乙酸戊脂 乙酸乙酯或甲基异丁酮在0-3℃进行快速两步连续逆流抽提。

由于是在低PH抽提，所以低温对于降低对青霉素的损害是必要的。

或者在PH5-7条件下进行离子对抽提，在这个PH范围，青霉素是稳定的，随后，通过活性炭处理除去所有的色素和痕量的杂质。

醋酸丁酯萃取液按照150-200g/10亿单位的量加入活性炭，然后过滤除去活性炭，再用错酸钠或醋酸钾从溶剂中回收青霉素，这可以降低青霉素的可溶性，使其以钾盐或钠盐形式沉淀，产生的青霉素晶体再用转鼓式真空过滤器分离，从分离的液体和使用的其他材料中回收溶剂，这对降低生产成本是非常重要的。

青霉素晶体与挥发性溶剂混合，以进一步除去杂质。

采用过滤和空气干燥等方法收集晶体。

在这个阶段，青霉素达到99.5%的纯度， 这种产品可以进一步加工，生产医药产品或用于生产半合成青 霉素。

通过以上研究总结展望 现在滥用抗生素非常严重，在最近的十年里，由于对广泛 的抗生素有多重抗性的病原菌不断出现，这种状况令人担忧。

 为了扭转滥用抗菌素的现状，世卫组织今年推出了6项政策一揽子 计划， 包括与社会多方合作并制定国家计划、 加强监测和实验室能力、 确保有质量保证的基本药物的连续可及、 减少抗菌素在食用动物中的 使用、强化感染预防与控制、支持创新和研发新工具等。

科技在不断的发展，时代在不断的进步。

同时我们应当与时俱进。

不断的完善和充实自己，用自己所学的知识发挥到实处。

为这个社会为这个国家的繁荣与美好做出一份贡献。

姓名：

罗宇奇

班级：

酿酒11201

学号：

201219850