制药工艺学期末复习资料.doc

制药微生物发酵过程分为菌体生长期、产物合成期和菌体自溶期三个阶段。
① 菌体生长期 (发酵前期)：是指从接种至菌体达到一定临界浓度的时间，包括延滞期、对数生长期和减速期。代谢特征：菌体的主要代谢是进行碳源、氮源等分解代谢，培养基质不断消耗，浓度减少；生长特征：菌体不断地生长和繁殖，浓度增加。溶氧变化：不断下降，在菌体临界值时，溶解氧浓度最低；pH变化：开始适当上升，然后下降--首先用氨基酸作为碳源释放出氨，而后氨被利用；开始适当下降，然后上升—首先利用糖作为碳源，释放出丙酮酸等有机酸，后又被利用所致。
② 产物合成期 (发酵中期or产物分泌期)：主要进行代谢产物或目标产物的生物合成。产物量逐渐增加，生产速率加快，直至达最大高峰，随后合成能力衰退。呼吸强度无明显变化，菌体在增重，但不增加数目。对外界变化敏感，容易影响代谢过程，从而影响整个发酵进程。发酵条件如pH、温度、溶解氧等参数也要严格控制。
③ 菌体自溶期 (发酵后期)：菌体衰老，细胞开始自溶，氨基氮含量增加，pH上升，产物合成能力衰退，生产速率减慢。发酵必须结束，否则产物被破坏，同时菌体自溶给过滤和提取等带来困难。
发酵培养的操作方式：按操作方式和工艺流程可把发酵培养分为 分批式操作、流加式操作、半连续式操作、连续操作等几种。
1. 分批式操作 又称间歇式操作或不连续操作，是指把菌体和培养液一次性装入发酵罐，在最佳条件下进行发酵培养。经过一段时间，完成菌体的生长和产物的合成与积累后，将全部培养物取出，结束发酵培养。然后清洗发酵罐，装料、灭菌后再进行下一轮分批操作。
2. 流加式操作 又称补料-分批式操作，是指在分批式操作的基础上，连续不断地补充新培养基，但不取出培养液。
3. 半连续式操作 又称反复分批式操作或换培养液，是指菌体和培养液一起装入发酵罐，在菌体生长过程中，每隔一定时间，取出部分发酵培养物（带放），同时在一定时间内补充同等数量的心培养基；如此反复进行，放料4~5次，直至发酵结束，取出全部发酵液。
4. 连续式操作 是指菌体与培养液一起装入发酵罐，在菌体培养过程中，不断补充新培养基，同时取出包括培养液和菌体在内的发酵液，发酵体积和菌体浓度的等不变，使菌体处于恒定状态，促进了菌体的生长和产物的累积。
制药微生物的生长动力学：在批式发酵操作过程中，菌体的生物量与时间的关系是S形曲线。根据生物量的变化，可以把这个过程分为 ：
1、延滞期（适应期）：是指接种后，菌体的生物量没有明显增加的一段时间。延滞期是菌体适应环境的过程。延滞期时间长短不一，与遗传和环境因素有关，由菌体与环境相互作用的程度决定。延滞期越短越好。μ= dX／Xdt=0
2、对数生长期：是菌体快速繁殖、生物量的增加呈现对数速度增长的过程。特点是生长速率达到最大值，并保持不变。细胞的化学组成与生理学性质稳定。菌体生长不受限制，细胞分裂繁殖和代谢极其旺盛。可以认为细胞组分恒定，菌体细胞的生长速率与生物量是一级动力学关系：dX／dt＝μmaxX
3、减速期：是指菌体生长速率下降的一段时间。由培养基中基质浓度下降、有害物质积累等不利因素引起。在减速期内，生长速率与菌体浓度任然仍符合一级动力学关系，但受基质浓度限制。一般生物的减速期较短。dX／dt＝μmaxX
4、静止期（稳定期）：是指菌体净生长速度为零的一段时间。由于营养耗竭、代谢产物或毒害物质的积累，菌体浓度不增加，细胞的分裂与死亡同步进行，生长速率与死亡速率相等，达到平衡。符合方程dX／dt＝(μ-kd)X＝0
5、衰亡期：是指菌体死亡速率大于生产速率的一段时间。表现为细胞自溶、死亡加速，细胞浓度迅速下降。菌体死亡速率也符合一级动力学：dX／dt＝-kdX
反应物浓度与配料比的确定：
1.凡属可逆反应，可采取增加反应物之一的浓度（即增加其配料比），或从反应系统中不断除去生成物之的办法，以提高反应速率和增加产物的收率。2.当反应生成物的生成量取决于反应液中某一反应物的浓度时，则应增加其配料比。最适合的配料比应在收率较高，同时又是单耗较低的某一范围内。3.倘若反应中有一反应物不稳定，则可增加其用量，以保证有足够量的反应物参与主反应。4.当参与主、副反应物不尽相同时，应利用这一差异，增加某一反应物的用量，以增加主反应的竞争能力。5.为防止连续反应和副反应的发生，有些反应的配料比小于理论配比，使反应进行到一定程度的基本程度后，停止反应。
菌种保存方法有哪些及分析比较：
(1)低温斜面保藏：低温降低新陈代谢。4℃，RH70％以下。短期保藏，1－6个月；易变异
(2)石蜡封存：隔绝氧气，减少蒸发。4℃，约1年。(3)砂土管保藏：干燥抑制生长。孢子吸附在砂土上，真空抽气干燥。置于冰箱，保存数年。(4)冷冻干燥保藏：保护剂降低菌体细胞冰点，减少冰晶对细胞伤害。低温避光，中期保藏，5～10年。(5)液氮保藏：培养物与冷冻保护剂混合，密封。液氮（－196℃）罐或－80℃冰箱。低温、缺氧、避光和营养缺乏环境。长期保藏。
工艺路线的评价标准：理想的药物合成工艺路线应该是：1.化学合成途径简洁，即原辅材料转化为药物的路线要简短；2.所需的原辅材料品种少且易得，并有足够数量的供应；3.中间体容易提纯，质量符合要求，最好是多不反应连续操作；4.反应在易于控制的条件下进行，如安全、无毒；5.设备条件要求不苛刻；6.“三废”少且易于治理；7.操作简单，经分离、纯化易达到药用标准；8.收率最佳、成本最低、经济效益最好。
化学制药工艺路线的设计：类型反应法、分子对称法、追溯求源法、模拟类推法。类型反应法是指利用常见的典型的有机化学反应和合成方法进行合成工艺路线设计的方法。
青霉素作用机理：青霉素主要作用于细胞壁的肽多糖合成第三阶段。线性肽多糖在转肽酶的催化下进行交联，肽多糖链之间每两条肽链结合时均释放出一个D-丙氨酸。青霉素与肽多糖的D-丙胺酰-D-丙氨酸二肽相似，竞争性与转肽酶结合，使转肽酶不能催化对肽链之间的交联而从起到抑菌作用。因此，青霉素对生长中的细胞有效、对静止细胞无效。
氨基酸的定义和结构通式：氨基酸是在羧酸中α-碳上的一个原子被氨基取代而成的一类化合物，属于氨基取代羧酸，②其结构通式为：

氨基酸的分类：①根据R基团的化学结构分：16种脂肪族氨基酸(R为脂肪族取代基)；2种芳香族氨基酸(R为芳香基取代)；3种杂环氨基酸(R为含氮的咪唑环和吲哚环)；2种亚氨基酸。②根据R基团的极性分：极性氨基酸；非极性氨基酸。③根据酸碱性分：2种酸性氨基酸；3种碱性氨基酸；15种中性氨基酸。④根据人体生理生化过程能否自合成分：必需氨基酸和非必需氨基酸，必需氨基酸由饮食和药物形式供给。
氨基酸的物化性质：无色晶体，熔点很高，200~300℃。一般溶于水、烯酸稀碱，不溶于乙醚、氯仿等有机溶剂，常用乙酸沉淀氨基酸。氨基酸是弱两性电解质，同一分子带有正负两种电荷的偶极离子或兼性离子，这是氨基酸在水和结晶状态的主要形式。
谷氨酸的分离纯化工艺过程：主要根据其两性电解质性质、溶解度和吸附剂的作用以及谷氨酸的成盐作用等。目前常用方法有等电点法、离子交换法、锌盐法、纳滤膜等。其中以等电点沉淀法最为常用。
临界菌体浓度是氧传递速率随菌体浓度变化曲线和摄氧速率随菌体浓度变化曲线交叉点处的菌体浓度。
临界氧浓度是不影响呼吸或产物合成的最低溶解氧浓度，一般在0.02~0.005mmol\L之间，发酵液的溶解氧浓度大于此浓度。
抗生素：早期的定义是由一种微生物产生的，能抑制或干扰其他微生物生长，甚至杀死其他微生物的一种化学物质。
现在定义 由微生物、植物和动物产生的（或化学合成获得的），能在低微浓度下选择性抑制或杀灭其他生物的有机物质。
化学全合成工艺：是由简单的化工原料经过一系列的化学合成和物理处理，生产药物的过程。
半合成工艺：是由已知的具有一定基本结构的天然产物经过化学结构改造和物理处理，生产药物的过程。
发酵制药的基本过程？
（1）生产菌种选育与保存阶段 采用各种选育技术，获得高产，性能稳定，容易培养的优良菌种，并进行有效的妥善保藏，为生产提供源泉。（2）发酵阶段 发酵阶段包括生产菌活化、种子制备、发酵培养，是生物加工工程过程。保藏的菌种需要活化、扩大繁殖，制备各级种子。（3）分离纯化阶段 包括发酵液预处理与过滤、分离提纯、精制、成品检验、包装、出厂检验，是生物分离工程过程。
青霉素作用机理：1）干扰细菌细胞壁中的肽多糖合成 ；（2）青霉素结构类似于肽多糖的D-丙氨酰-D-丙氨酸二肽 ；（3）竞争性与转肽酶结合，使转肽酶不能催化多肽链之间的交联，无法合成细胞壁。
青霉素的分离纯化的工艺过程有：青霉素的提取采用溶剂萃取法，其原理是青霉素游离酸易溶于有机溶剂，而青霉素盐易溶于水。青霉素不稳定，遇酸、碱、热分解失活；水溶液中不稳定，非极性溶剂中稳定；易溶于有机溶剂，水中溶解度很小；青霉素盐很稳定；降解产物具有致敏性。
青霉素的发酵培养基主要添加：碳源（乳糖、蔗糖、葡萄糖、淀粉和天然油脂）、氮源（玉米浆、花生饼粉棉籽饼粉、硫酸铵、氨水、尿素）、无机盐（硫、磷、镁、钾等）、添加前体（苯乙酰胺、苯乙胺、苯乙酰甘氨酸）
赖氨酸的提取方法：离子交换树脂吸附工艺。铵型强酸性阳离子交换树脂。赖氨酸是碱性氨基酸，等电点为9.74，在酸性溶液中以阳离子形式存在，能被阳离子树脂吸附，然后氨水洗脱，树脂不必再生。
维生素的种类：根据溶解性，将其分为（水溶性）和（脂溶性）两大类。水溶性维生素包括B族维生素和维生素C，其衍生物多为辅酶和辅基。脂溶性维生素包括A、D、E、K等在食物中与脂肪共存。
维生素C生产工艺路线分为：1.莱氏法化学合成工艺：D-葡萄糖为原料催化氢化 D-山梨醇生物氧化 L-山梨糖酸性液中丙酮化 保护α，β-二仲醇KMnO4、碱性溶液 双丙酮-L-古龙酸除去丙酮、内酯化、烯醇化 L-抗坏血酸
2.两步发酵工艺：D-葡萄糖H2，氢化D-山梨醇O2，Acetobacter L-山梨糖Pseudomonas 二丙酮-L-古龙酸内酯化、烯醇化Vc
基元反应：反应物分子在碰撞中一步转化为生成物分子的反应。
非基元反应：反应物分子要经过若干步，即若干个基元反应才能转化为生成物的反应。
简单反应：由一个基元反应组成的化学反应（单分子反应、双分子反应、零级反应）。
复杂反应：两个或两个以上基元反应构成的化学反应（可逆反应、平行反应、连续反应）。
生化需氧量（BOD）：是一定条件下微生物分解水中有机物时所需的氧量。
化学需氧量（COD）：是指在一定条件下用强氧化剂使污染物氧化所消耗的氧量，单位mg/L.
5日生化需氧量（BOD5）：表示20℃下，培养5d，1L水中溶解氧的减少量，单位为mg氧/L。
COD与BOD之差表示未能被微生物降解的的污染物含量。
温度对反应温度的影响：Ⅰ一般反应；Ⅱ爆炸反应；Ⅲ催化加氢或酶反应；Ⅳ反常反应
溶剂的分类：按溶剂发挥氢键给体作用的能力：质子溶剂和非质子溶剂。
影响催化剂活性的因素：温度、助催化剂（或促进剂）、载体（担体）、催化毒物。
书写手性异构体：透视式、费歇尔投影式。
中试放大的方法：逐级经验放大、相似模拟放大、数学模拟放大。
含尘废弃处理技术：1. 机械除尘：是利用机械力(重力、惯性力、离心力)将固体悬浮物从气流中分离出来。常用的机械除尘设备有重力沉降室、惯性除尘器、旋风分离器等。
2. 洗涤除尘 又称湿式除尘，它是用水(或其它液体)洗涤含尘气体，利用形成的液膜、液滴或气泡捕获气体的尘粒，尘粒随液体排出，气体得到净化。 填料式洗涤除尘器
3. 过滤除尘 使含尘气体通过多孔材料，将气体中的尘粒截留下来，使气体得以净化。
袋式除尘器的基本结构是在除尘器的集尘室内悬挂若干个圆形或椭圆形的滤袋，当含尘气体穿过时，尘粒被袋壁截留，在袋的内壁或外壁聚集而被补集。
“直线方式”和“汇聚方式”两种主要的装配方式。
反应条件与收率的关系有两种类型：“平顶型”反应和“尖顶型”反应。
搅拌釜的设计：要点：确定反应釜的体积、确定传热面积
外消旋体的拆分：①播种结晶法：又称诱导结晶拆分法，它仅适用于外消旋混合物的拆分。②形成非对称异构结晶拆分法：本法对外消旋混合物、外消旋化合物及外消旋固体溶液均可使用；③生物法或酶法拆分：是利用酶对光学异构体具有选择性的酶解作用，使外消旋体中一个光学异构体进行反应，之后进行分离，进而达到拆分；④色谱分离法：用手性化合物作为色谱的固定相，有可能将外消旋体拆分为单一的旋光体。
抗生素工艺化生产途径：抗生素的工艺化生产有3条途径。1.微生物发酵生产工艺，即生物合成途径，目前大多数抗生素品种采用发酵生产工艺，其特点是成本较低，周期较长。2.化学全合成生产工艺，结构相对简单的抗生素可采用此途径如氯霉素和磷霉素。3.半合成生产工艺，利用化学方法修饰改良生物合成的抗生素，扩大抗菌谱提高疗效和降低毒副作用等，获得新抗生素，如半合成青霉素、半合成头孢菌素等。
按反应器内物料流动状况的不同，反应器可分为理想反应器和非理想反应器。
对于连续反应器，有两种理想的流动模型：全混流反应器（CSTR）、平推流、活塞流或柱塞流反应器（PFR）。
物料衡算过程：
1. 生成目标产物？？X的反应方程式为 相对分子质量
2. 生成副产物？？a的反应方程式为 相对分子质量
3. 生成副产物？？b的反应方程式为 相对分子质量
4. 原料甲苯中甲苯量w；原料甲苯中的水量y；浓硫酸中硫酸量z；浓硫酸中水量h；
进料总量：原料甲苯+浓硫酸；其中含甲苯？，硫酸？，水？。反应消耗的甲苯量i，未反应的甲苯量l
5. .反应生成的X量为 （kg）
6. 反应生成的a量为 （kg）
7. 反应生成的b量为 （kg）
8. 反应生成的水量为 c
9. 经脱水器排出的水量为 d
10. 磺化液中剩余的水量为 e
11. 反应消耗的硫酸为 f
12. 未反应的硫酸为 g
13. 磺化液总量为 X+a+b+l+e+g

物料名称
质量/kg
质量组成/%
纯品质量/kg
原料甲苯

浓硫酸

总计

磺化液

脱水器排水

总计