生物制药工艺技术基础课件.ppt
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1、生物制药工艺技术基础,章节提要,第一节 生化制药工艺技术基础一、生物材料与生化活性物质二、生化活性物质的提取三、生化活性物质的浓缩与干燥四、生化活性物质的分离与纯化第二节微生物制药工艺技术基础(重点)一、微生物菌种的选育与菌种保藏二、微生物的培养三、发酵过程的控制第三节 生物技术制药工艺技术基础(自学),第四节 生物制药中试放大工艺设计一、生物制药中试放大工艺设计二、中试放大方法与内容第五节 生物药物的研究与新药申报一、生物药物的研究开发过程二、生物药物的新药申报,1 生化制药工艺技术基础,天然生化药物:是以人体组织、动物、植物、微生物和海洋生物为原料,应用生物化学的原理、方法与生物分离工程技
2、术加工制造的一大类天然生物药物。特点:来源广,疗效好,几乎无副作用。,1.1 生物材料与生化活性物质,1.1.1 生物材料来源动物脏器血液海洋生物植物微生物生物新资源, 动物脏器来源,胃粘膜:胃蛋白酶、凝乳酶等。,肝脏:肝RNA、造血因子、肝脏解毒素。,血液、分泌物和其他代谢物来源,海洋生物来源, 植物来源,生物碱、强心苷、黄酮、皂苷、挥发油氨基酸、蛋白质、酶、激素、糖类、脂类、维生素等。如:木瓜木瓜蛋白酶 菠萝菠萝蛋白酶 人参人参多糖 黄芪黄芪多糖,微生物来源,生物新资源,动植物细胞大规模培养基因重组技术构建“工程菌”、“工程细胞”转基因动物、植物,eg. 植物转基因疫苗,找出编码抗原蛋白的
3、基因,转入载体质粒,转入土壤杆菌,转染植物细胞,整合到细胞染色体中,生成新植株,eg. 动物乳腺生物反应器,上海交大医学遗传研究所研究构建了30多种乳腺特异表达载体,如大鼠、羊、奶牛等。,1.1.2 生物材料的准备,.一、生物材料的选择有效成分含量高;原料新鲜、无污染;来源丰富;价格低廉;杂质少。二、生物材料的采集、预处理与保存材料采摘及时、完整,低温保存。保存方法:冷冻法、有机溶剂脱水法、防腐剂保鲜法。,1.2 生化活性物质的提取,(一)常用提取方法酸、碱、盐水溶液提取法表面活性剂提取法与反胶束提取法有机溶剂提取法双水相萃取法超临界萃取技术,酸、碱、盐水溶液提取法,提取各种水溶性、盐溶性的生
4、化物质。应用举例:雄鸡冠中透明质酸的提取相关实验项目:银耳多糖的提取、细胞色素C的提取,丙酮脱水鸡冠,提取液,水相,水(提取),氯化钠,氯仿(除蛋白),沉淀物,乙醇(沉淀),透明质酸粗品,(脱水、干燥),表面活性剂提取法,常用:SDS,Tween、Span系列等非离子表面活性剂。原理:增溶、乳化、分散,有机溶剂提取,分为固-液提取和液-液萃取两大类。(1)固-液提取常用于水不溶性的脂类、脂蛋白、膜蛋白结合酶等。溶剂选择原则:“相似相溶”常用:甲醇、乙醇、丙酮、丁醇、乙醚、三氯甲烷丙酮:脱水、脱脂(丙酮粉)相关实验项目:蛋黄中卵磷脂的提取,有机溶剂提取应用举例,应用举例:冻胰中胰岛素的提取,粗制
5、冻胰,胰片,酸醇提取液,刨碎,乙醇(87%左右、2.3-2.6倍;草酸(5%),pH2.5-3,13-16,(2)液-液萃取,利用溶质在两个互不相溶的溶剂中溶解度的差异将溶质从一个溶剂相向另一个溶剂相转移的操作。影响因素:pH、盐析、温度、乳化溶剂选择:K值、易于回收、安全价廉。eg:青霉素的提取浓缩,双水相萃取法,双水相萃取法:利用物质在互不相溶的两水相间分配系数的差异来进行萃取的方法。针对蛋白质易失活;部分蛋白质具较强亲水性,不溶于有机溶剂。类型:聚合物聚合物水系统:空间阻碍作用聚合物无机盐水系统:盐析作用,超临界萃取技术,超临界流体萃取技术:利用处于临界压力和临界温度以上的一些溶剂流体所
6、具有的特异增加物质溶解能力来进行分离纯化的技术。,超临界流体性质,密度与液体相当萃取能力强黏度接近气体传质性能好扩散系数介于气体和液体之间。比液体大数百倍。,超临界流体萃取的基本思想,利用超临界流体的特殊性质,使其在超临界状态下与待分离物料接触,萃取出目的产物,然后通过降压或升温的方法,使萃取物得以分离,CO2超临界流体,物料,萃取,降压,升温,CO2流体,萃取物,1.2.2 影响提取效率的因素,温度耐热生化成分:50-90;不耐热:0-10;一般20-25酸碱度:一般49,避免在等电点附近提取盐浓度:“盐析”,“盐溶”作用,1.2.3 提取方法的选择,针对生物材料和目的物得性质选择合适溶剂系
7、统与提取条件。考虑因素:溶解性质、分子量、等电点、存在方式、稳定性、含量、杂质种类及相关性质等。选择依据:文献参考、试验探索,eg.胸腺素的提取,结构性质:80热稳定的40-50种多肽组成的混合物,分子量1000-15000,等电点3.5-9.5分离工艺:,胸腺,胸腺碎块,提取液,上清液,丙酮粉,上清液,盐析物,超滤液(M15000,胸腺素,绞碎,捣碎、提取生理盐水,加热去杂蛋白80,15min,沉淀丙酮-10,H7磷酸缓冲液、硫酸铵、饱和度0.25,硫酸铵、饱和度0.5,pH4,超滤PH8,脱盐、干燥,1.3 生化活性物质的浓缩与干燥,1.3.1 浓缩方法:盐析浓缩有机溶剂沉淀浓缩葡聚糖凝胶
8、浓缩聚乙二醇浓缩超滤浓缩真空减压浓缩与薄膜浓缩,盐析浓缩,添加中性盐使某些蛋白质(或酶)从稀溶液中沉淀,从而达到浓缩目的。常用盐:硫酸铵、硫酸钠、氯化钠、硫酸镁等,有机溶剂沉淀浓缩,加入有机溶剂使生化物质溶解度明显降低而沉淀析出的方法。优点:不必除盐、溶剂易回收缺点:可能造成蛋白质变性,葡聚糖凝胶浓缩,聚乙二醇浓缩,聚乙二醇,样品溶液,透析袋,超滤浓缩,应用不同型号超滤膜浓缩不同分子量的生物大分子。, 真空减压浓缩与薄膜浓缩,优点:蒸发温度低、速度快,1.3.2 干燥,使物质从固体或半固体状经除去存在的水分或他种溶剂,从而获得干燥物品的过程。目的:提高药物或药剂稳定性,利于保存和运输使药物或制
9、剂有一定规格标准便于进一步处理,干燥方法,减压干燥喷雾干燥冷冻干燥,减压干燥(真空干燥),密闭容器中抽去空气后进行干燥的方法。加速干燥、降低湿度、使干燥产品疏松和易于粉碎,提高产品质量,箱式真空干燥机,双锥真空干燥机,喷雾干燥,待干燥物质经浓缩成一定浓度的液体后经设备喷雾后形成极大表面,在短时间内干燥的技术。,喷雾干燥流程,冷冻干燥,低温低压条件下、利用水的升华性能而进行的一种干燥方法。,1.4 生化活性物质的分离与纯化,1.4.1 生化制药工艺中分离制备方法的特点生物材料组成复杂化合物含量低生物活性成分稳定性差溶液各参数对组分影响难以预估逐级分离方法操作时间长,工艺复杂,1.4.2 分离纯化
10、基本原理,根据分子形状和大小不同进行分离:膜分离、超滤、凝胶过滤、差速离心根据分子电离性质的差异:离子交换法、电泳法根据分子极性大小及溶解度不同:溶剂提取法、盐析法、有机溶剂沉淀法根据物质吸附性质的不同:吸附层析根据配体特异性:亲和层析,1.4.3 分离纯化方法设计基本程序,确定制备物的研究目的及建立相应的分析鉴定方法制备物的理化性质和稳定性的预备实验材料处理及抽提方法的选择分离纯化方法的摸索产物的均一性测定,2 微生物制药工艺技术基础,菌种获得途径:自然选育、人工诱变2.1 菌种的选育与保藏2.1.1 菌种的分离与筛选菌种的分离:收集富集培养分离纯化菌种的筛选:文献参考、经验参考,2.1.2
11、 菌种的选育,选育手段:自然选育、诱变育种、杂交育种、原生质体融合、基因工程技术选育目的:提高发酵产量改进菌种性能产生新的发酵产物去除多余的组分,(1)自然选育,自然选育:利用微生物在一定条件下产生自发突变的原理,通过分离、筛选排除衰退型菌株,从中选出维持或高于原有生产水平菌株的过程。以达到稳定和提高生产能力的目的。优点:简单易行缺点:效率低、进展慢自然突变频率仅10-6-10-10左右。,自然选育的一般过程,生产菌种斜面制备单孢子(或细胞)悬浮液涂布平板、培养后挑取单菌落斜面种子培养摇瓶发酵高产菌株初选菌种保藏斜面种子培养摇瓶种子培养摇瓶发酵高产菌株复选高产菌株验证,初筛,复筛,(2)诱变育
12、种,诱变育种:利用物理或化学诱变剂处理均匀分散的微生物细胞群体,促进其突变率大幅提高,然后采用简便、高效的筛选方法,从中选出少数具有优良性状的突变菌株。优点:速度快、收效大、方法简单,诱变的主要环节,出发菌株的选择诱变处理突变株的筛选,出发菌株的选择,纯种,性状优良,诱变敏感,适宜发育时期,诱变处理(重点),诱变剂的选择:防止诱变效应饱和。诱变剂用量的选择:高致死剂量、中等剂量影响诱变效果的因素:菌种生理状态、被处理菌株的预培养和后培养条件、诱变处理时外界条件等。,诱变剂,出发菌株的培养,孢子悬液或菌悬浮液的制备,紫外线照射,后培养,稀释涂平板,eg. 紫外线诱变过程,eg. 亚硝基胍诱变处理
13、方法:制备菌悬液配制NTG母液NTG与菌体的作用NTG作用的终止稀释涂平皿,13mg/ml、30120min、2632,生理盐水洗涤菌体,离心后重新制备菌悬液,突变株的筛选,筛选:将分离培养后的各型单菌落中性状优良、具有高发酵能力的突变菌株挑选出来过程。初筛:从大量菌株中发现有苗头的优良菌株,筛选量大,准确度要求不是很高。复 筛:注重准确性和可重复性。一支菌种要接种35个发酵摇瓶,采用二级发酵,力求试验结果准确可靠,筛选方法,随机筛选:随机挑选平板分离后的单菌落,从中筛选具有优良性状的菌株。理性化筛选,摇瓶筛选,琼脂块筛选,摇瓶筛选法,操作步骤,平板分离单菌落,接种斜面培养,摇瓶发酵,测定生物
14、活性物质含量,高产菌株的筛选,初筛复筛,琼脂块筛选法,b 理性化筛选:根据产物已知或可能的生物合成途径、代谢调控机制和分子结构设计的一些筛选方法。打破微生物原有代谢调控机制,获得能大量形成发酵产物的高产突变株。,突变株中高丝氨酸脱氢酶失活,不能合成高丝氨酸,使其全部用于赖氨酸的生物合成,有利于赖氨酸的合成。,天冬氨酸,天冬氨酰磷酸,天冬氨酰半醛,高丝氨酸,蛋氨酸,苏氨酸,丙酮酸,异亮氨酸,天冬氨酸激酶,反馈抑制,赖氨酸,高丝氨酸脱氢酶(HD),争夺底物,解除反馈抑制,高丝氨酸的营养缺陷型突变菌株,(3)杂交育种,杂交育种:将两个基因型不同的菌株经吻合(或接合)使遗传物质重新组合,从中分离和筛选
15、具有新性状菌株的过程。,杂交过程,两亲本菌株细胞间接合染色体部分转移形成部分结合子交换、重组重组体的产生,接合:是细菌通过性菌毛相互连接沟通,将遗传物质从供体菌转移给受体菌。,(4)原生质体融合育种,原生质体融合技术(P68):把两个亲株的原生质体混合在一起,在融合剂PEG和Ca+作用下,发生原生质体的融合,促使两亲本的遗传物质进行交换,从而实现遗传重组。在适宜条件下,进行融合细胞的再生,获得具有新的遗传性状的重组菌株。,原生质体融合,(5)基因工程技术,将某一生物体(供体)的遗传信息在体外经人工与载体相接(重组),构成重组DNA分子,然后转入另一微生物体(受体)细胞中,使外源DNA片段在后者
16、内部得以表达和遗传。,eg. 人胰岛素生产的原理,2.1.3 菌种的保藏,目的: 不死亡 不生长、不污染使菌种: 不降低或不丧失其优良性状 以尽延长其使用时间意义:有利于基础研究和实际应用原理 根据微生物的生理特征,人为地创造不利于微生物的生长条件,使微生物处于代谢不活跃,生长繁殖受抑制地休眠状态,减少菌种地变异。,菌种保藏的方法,斜面保藏法液体石蜡保藏法砂土管保藏法麸皮保藏法冷冻干燥保藏法液氮超低温保藏法甘油保藏法孢子滤纸保藏法,斜面保藏法:,菌种接种于适宜斜面培养基中或进行穿刺培养,菌体生长成熟后,放入4冰箱保存。间隔一定时间需重新移植培养。保藏时间:放线菌46、3个月,酵母菌46个月优点
17、:简单方便,成本低,能随时观察菌株是否死亡、变异、退化或染菌。缺点:变异、退化、染菌几率增大广泛用于细菌、放线菌、酵母菌等的短期保存。,液体石蜡保藏法(矿油保藏法),用石蜡覆盖生长丰满的斜面菌种上。加塞并用石蜡封口,直立低温保存。,石蜡灭菌、烘干,倾注或移入生长成熟、丰满的斜面菌种上,加塞并用固体石蜡封口、直立低温保存,0.1Mpa,3060min16012h,特点:防止水分蒸发,隔绝氧气,降低微生物代谢,延长保存时间,效果更好。缺点:占空间较大;容易造成生产力降低;不适合以石蜡为碳源的微生物。,菌种保藏期间要定期做存活率和活性试验,一般2-3年一次。,冷冻干燥保藏法,将菌液在冻结状态下升华其
18、中的水分,获得干燥的菌体样品。优点:保藏期长,变异小、适用范围广。缺点:操作烦琐、技术要求高、需冷冻干燥设备,冻干管,液氮超低温保藏法,操作方法:配液:将浓的菌悬液加入灭菌的保护剂中,分装到安瓶中(0.2-1ml)封口冷冻:至-25左右放入液氮罐中。在-150- -196保藏。解冻:快速解冻,将安瓶立即放在38-40温水中震荡1-2min,有利于细胞复苏。优点:操作简便、高效,适合各种微生物。保藏时间长。缺点:需购置超低温液氮设备,液氮消耗量多,操作费用较高。,10甘油、5二甲基亚砜,液氮保藏管,液氮罐,甘油保藏法,保藏方法:将拟保藏菌种的对数期培养液直接与经121蒸汽灭菌20min的甘油混合
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