Giáo án môn học Công nghệ dược phẩm

Chia sẻ: Bluesky_12 Bluesky_12 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:63

Thêm vào BST

Báo xấu

324
lượt xem 86
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo án môn học Công nghệ dược phẩm cung cấp đế người đọc những kiến thức cơ bản trong công nghệ sản xuất thuốc kháng sinh như: Công nghệ sản xuất Penicillin, công nghệ sản xuất vacxin cho người, công nghệ sản xuất vitamin,... Đây là tài liệu cần thiết cho các bạn sinh viên chuyên ngành Dược và bào chế dược, mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo án môn học Công nghệ dược phẩm

I H C À N NG TRƯ NG I H C BÁCH KHOA KHOA HÓA - B MÔN CÔNG NGH TH C PH M B MÔN CÔNG NGH SINH H C GIÁO ÁN MÔN H C CÔNG NGH DƯ C PH M ( 5 ƠN V H C TRÌNH) BIÊN SO N: GVC.TS. TRƯƠNG TH MINH H NH À N NG 2007 1
TÀI LI U THAM KH O [1] Nguy n Văn Cách, Công ngh lên men các ch t kháng sinh, Nhà xu t b n Khoa h c K thu t, Hà N i 2005 [2] Nguy n Lân Dũng, Nguy n ình Quy n, Ph m Văn T , Vi sinh v t h c, Nhà xu t b n giáo d c1997 [3] Lê văn Hi p: Văcxin ho gà Mi n d ch và công ngh , Nhà xu t b n y h c Hà N i 2004 [4] Bài gi ng v kháng sinh, trư ng i h c Dư c Hà N i [5] Erick j. Vandamme, Marcel Dekker, Biotechnology of industrial Antibiotic, Inc., New York 1984 [6] McKane, Larry, McGraw-Hill, Microbiology, Inc.1996 [7] Harvey W. Blanch, Stephen Drew and Daniel I. C. Wan, Comprehensive Biotechnology, Pergamon Press, 1985 [8] H.. Weide, J. Páca und W. A. Knorre,, Biotechnology, VEB Gustav Fischer Verlag Jena, 1987 2
N I DUNG CHƯƠNG TRÌNH PH N M U: I CƯƠNG V KHÁNG SINH 1.1. Gi i thi u l ch s các ch t kháng sinh. 1.2. nh nghĩa kháng sinh. 1.3. ơn v o kháng sinh. 1.4. Phân lo i kháng sinh. 1.5. Phương pháp nh lư ng kháng sinh. 1.6. Giá tr s d ng i u tr c a kháng sinh. 1.7. Ch c năng sinh h c c a kháng sinh (cơ ch sinh kháng sinh). 1.8. Hi n tư ng và b n ch t c a s kháng thu c. 1.9. Nguyên t c i u hoà sinh t ng h p kháng sinh. PH N 2: CÔNG NGH S N XU T M T S KHÁNG SINH CHƯƠNG 1: CÔNG NGH S N XU T PENICILLIN 1.1. iêm l ch s phát hi n và công ngh s n xu t Penicillin. 1.1.1. i m l ch s ( phát hi n năm1928; tinh ch thành công 1939; s n xu t công nghi p 1940; lên men chìm penicillin G 1942; tinh ch ư c a xit 6- aminopenicillanic 1959...) 1.1.2. nh nghĩa và công th c hoá h c t ng quát c a penicillin. 1.2. Cơ s công ngh sinh t ng h p penicillin. 1.2.1. Tuy n ch n ch ng công nghi p. 1.2.2. Cơ ch sinh t ng h p penicillin n m m c Penicillium chrysogenum. 1.2.3. Phương pháp ki m tra và nh lư ng penicillin. 1.2.4. Tác ng c a các thông s công ngh n quá trình lên men. - S phát tri n h hơi và c i m hình thái s i. - c tính nhi t ng c a d ch lên men. - Thành ph n môi trư ng lên men. - i u ki n ti n hành lên men (nhi t , pH, oxy, khu y tr n, CO2). 1.3. Qui trình s n xu t penicillin công nghi p. * c i m chung c a qui trình ( 4 công o n: Lên men, tinh ch , s n xu t các ch ph m bán t ng h p, s n xu t thu c Penicillin bán t ng h p. 1.4. Lên men 1.4.1. Chu n b lên men ( nhân gi ng, chu n b môi trư ng và thi t b ...). 3
1.4.2. Các k thu t lên men ( gián o n, bán liên t c, c i m v thi t b ...). 1.4.3. Hi u qu kinh t chung c a quá trình lên men. 1.5. X lý d ch lên men và tinh ch thu penicillin. 1.5.1. L c . 1.5.2. Trích ly. 1.5.3. T y màu. 1.5.4. K t tinh và s y thu penicillin t nhiên. 1.6. S n xu t các ch ph m beta-lac tam bán t ng h p t penicillin G. 1.6.1. Nhu c u s n xu t ch ph m bán t ng h p. - Cơ ch tác d ng. - S kháng thu c và hư ng gi i quy t. - M r ng c tính và hi u qu i u tr cho ch ph m. 1.6.2. S n xu t 6 - APA và s n xu t các penicillin bán t ng h p. - S n xu t 6- AP A (phương pháp hoá h c, phương pháp enzim). - S n xu t penicillium bán t ng h p (Phương pháp hoá h c, phương pháp enzim) 1.6.3. S n xu t các cephalosporin bán t ng h p t penicillin G. 1.6.4. S n xu t các ch ph m beta - lactam bán t ng h p có ho t tính kìm hãm beta- lactamase CHƯƠNG 2: CÔNG NGH S N XU T M T S CH T KHÁNG SINH KHÁC PH N 3: CÔNG NGH S N XU T VACXIN CHO NGƯ I 3.1. Cơ s sinh hóa c a công ngh s n xu t vacxin 3.1.1. H th ng mi n d ch c a cơ th - H th ng mi n d ch t nhiên - H th ng mi n d ch thu ư c - Các cơ quan và t bào tham gia ph n ng mi n d ch 3.1.2. Tính c hi u và ghi nh mi n d ch 3.2. Vacxin 3.2.1. Vài nét v l ch s và hư ng phát tri n c a công ngh vacxin 3.2.2. Nguyên lý s d ng vacxin 43.2.3. c tính cơ b n c a m t vac xin: tính mi n d ch, tính kháng nguyên, hi u l c, tính không c 4
4.2.4. Các vac xin: vacxin b t ho t, vaxin dư i t h p, vacxin tái t h p, gi i ct 4.3. Công ngh s n xu t vac xin 4.3.1. Cơ s cho vi c thi t k các lo i vaxin: thông tin v m m b nh, con ư ng lây nhi m, d ch t h c. 4.3.2. M t s k thu t thông d ng ư c s d ng trong s n xu t vac xin: K thu t nuôi t bào, k thu t gây nhi m virus, k thu t lên men, k thu t ADN tái t h p, k thu t tách tinh ch protein. 4.3.3.Ki m tra ch t lư ng c a vacxin. 4.4. Minh h a m t vài qui trình s n xu t vacxin 4.4.1. Vacxin s ng gi m c l c (Vacxin b i li t u ng trên t bào th n kh ) 4.4.2. Vacxin dư i ơn v (Vacxin viêm gan ch t huy t thanh ngư i) 4.4.3. Vacxin b t ho t tinh ch (Vacxin viêm não Nh t B n) 4.4.4.Vacxin tam liên (Vacxin DPT: B ch h u, ho gà, u n ván) 4.4.5. Vacxin tái t h p (Vacxin viêm gan B tái t h p PH N 4: CÔNG NGH S N XU T VITAMIN 3.1. CNSX Ergosterol ( vitamin D2). 3.2. CNSX vitamin B12 ( riboflavin). 3.3. CNSX vitamin B12.( Cyanocobanamin 3.4. CNSX beta- caroten và vitamin C. 5
CHƯƠNG 1 I CƯƠNG V CH T KHÁNG SINH 1.1. I CƯƠNG V CH T KHÁNG SINH: S phát tri n v vi sinh v t h c nói chung, và vi sinh v t công nghi p nói riêng, v i bư c ngo c l ch s là phát minh vĩ i v ch t kháng sinh c a Alexander Fleming (1982) ã m ra k nguyên m i trong y h c: khai sinh ra ngành công ngh s n xu t ch t kháng sinh và ng d ng thu c kháng sinh vào i u tr cho con ngư i. Thu t ng " ch t kháng sinh" l n u tiên ư c Pasteur và Joubert (1877) s d ng mô t hi n tư ng kìm hãm kh năng gây b nh c a vi khu n Bacillus anthracis trên ng v t nhi m b nh n u tiêm vào các ng v t này m t s lo i vi khu n hi u khí lành tính khác. Babes (1885) ã nêu ra nh nghĩa ho t tính kháng khu n c a m t ch ng là c tính t ng h p ư c các h p ch t hoá h c có ho t tính kìm hãm các ch ng i kháng. Nicolle (1907) là ngư i u tiên phát hi n ra ho t tính kháng khu n c a Bacillus subtilis có liên quan n quá trình hình thành bào t c a lo i tr c khu n này. Gratia và ng nghi p (1925) ã tách ư c t n m m c m t ch ph m có th s d ng i u tr hi u qu các b nh truy n nhi m trên da do c u khu n. M c dù v y, trong th c t mãi t i năm 1929 thu t ng " Ch t kháng sinh" m i ư c Alexander Fleming mô t m t cách y và chính th c trong báo cáo chi ti t v penicillin. Th p k 40 và 50 c a th k XX ã ghi nh n nh ng bư c ti n vư t b c c a ngành công ngh s n xu t kháng sinh non tr , v i hàng lo t s ki n như : Khám phá ra hàng lo t Ch t kháng sinh, thí d như Griseofulvin (1939), gramicidin S (1942) , Streptomycin (1943), bacitracin (1945), cloramphenicol và polymicin (1947), clotetracyclin và Cephalosporin (1948), neomycin (1949), oxytetracyclin và nystatin (1950), erythromycin (1952), cycloserin (1954), amphotericin B và Vancomycin (1956), metronidazol, kanamycin và rifamycin (1957)... Áp d ng ph i h p các k thu t tuy n ch n và t o gi ng tiên ti n ( c bi t là các k thu t gây t bi n, k thu t dung h p t bào, k thu t tái t h p gen ...) ã t o ra nh ng bi n ch ng công nghi p có năng l c "siêu t ng h p" các ch t kháng sinh cao g p hàng ngàn v n l n các ch ng ban u. 6
Tri n khai thành công công ngh lên men chìm quy mô s n xu t công nghi p s n xu t Penicillin G (1942) và vi c hoàn thi n công ngh lên men này trên các s n ph m khác. Vi c phát hi n, tinh ch và s d ng axit 6 - aminopenicillanic (6-APA, 1959) làm nguyên li u s n xu t các ch t kháng sinh penicilin bán t ng h p ã cho phép t o ra hàng lo t d n xu t penicilin và m t s kháng sinh β - lactam bán t ng h p khác. 1.1.1. nh nghĩa kháng sinh: Ch t kháng sinh ư c hi u là các ch t hoá h c xác nh, không có b n ch t enzym, có ngu n g c sinh h c (trong ó ph bi n nh t là t vi sinh v t), v i c tính là ngay n ng th p (ho c r t th p) ã có kh năng c ch m nh m ho c tiêu di t ư c các vi sinh v t gây b nh mà v n m b o an toàn cho ngư i hay ng v t ư c i u tr . 1.1.2. Cơ ch tác d ng: Cơ ch tác d ng lên vi sinh v t gây b nh ( hay các i tư ng gây b nh khác - g i t t là m m b nh) c a m i ch t kháng sinh thư ng mang c i m riêng, tùy thu c vào b n ch t c a kháng sinh ó; trong ó, nh ng ki u tác ng thư ng g p là làm r i lo n c u trúc thành t bào, r i lo n ch c năng i u ti t quá trình v n chuy n v t ch t c a màng t bào ch t, làm r i lo n hay ki m to quá trình sinh t ng h p protein, r i lo n quá trình tái b n ADN, ho c tương tác c hi u v i nh ng giai o n nh t nh trong các chuy n hóa trao i ch t (hình 1.1) Hình 1.1. V trí tác d ng chính c a m t s ch t kháng sinh 7
1.1.3. ơn v kháng sinh: Năng l c tích t kháng sinh c a ch ng hay n ng ch t kháng sinh thư ng ư c bi u th b ng m t trong các ơn v là : mg/ml, µg/ml, hay ơn v kháng sinh UI/ml (hay UI/g, International Unit . ơn v c a m i kháng sinh ư c nh nghĩa là lư ng kháng sinh t i thi u pha trong m t th tích quy ư c dung d ch có kh năng c ch hoàn toàn s phát tri n c a ch ng vi sinh v t ki m nh ã ch n, thí d , v i penicillin là s miligam penicillin pha vào trong 50 ml môi trư ng canh thang và s d ng Staphylococcus aureus 209P làm ch ng ki m nh; v i Streptomicin là s miligam pha trong 1 ml môi trư ng canh thang và ki m nh b ng vi khu n Escherichia coli). 1.1.4. Ho t tính kháng sinh c hi u: Ho t tính kháng sinh c hi u là c tính cho th y năng l c kìm hãm hay tiêu di t m t cách ch n l c các ch ng vi sinh gây b nh, trong khi không gây ra các hi u ng ph quá ngư ng cho phép trên ngư i b nh ư c i u tr . c tính này ư c bi u th qua hai giá tr là: N ng kìm hãm t i thi u (Minimun Inhibitory Concentration - Vi t t t là MIC) và n ng di t khu n t i thi u (Minimun Bactericidal Concentration - Vi t t t là MBC), xác nh trên các i tư ng vi sinh v t gây b nh ki m nh l a ch n tương ng cho m i ch t kháng sinh. 1.1.5. Ph kháng khu n c a kháng sinh: Ph kháng khu n c a ch t kháng sinh bi u th s lư ng các ch ng gây b nh b tiêu di t b i kháng sinh này. Theo ó, ch t kháng sinh có th tiêu di t ư c nhi u lo i m m b nh khác nhau ư c g i là ch t kháng sinh ph r ng, ch t kháng sinh ch tiêu di t ư c ít m m b nh là ch t kháng sinh ph h p. 1.2. Hi n tư ng kháng thu c và b n ch t kháng thu c c a vi sinh v t: Hi n tư ng kháng thu c: Hi n tư ng m m b nh v n còn s ng sót sau khi ã i u tr kháng sinh ư c g i là hi n tư ng kháng thu c (trên phương di n ki m nghi m, vi sinh v t gây b nh ư c coi là kháng thu c n u n ng MIC c a ch t kháng sinh ki m nghi m in vitro trên i tư ng này cao hơn n ng i u tr t i a cho phép i v i b nh nhân. Có hai d ng kháng thu c: Kh năng kháng sinh h c: Kh năng kháng thu c c a vi sinh v t gây b nh có th ư c hình thành ng u nhiên trong qu n th , nghĩa là kh năng này ã ư c hình 8
thành m m b nh ngay khi chúng chưa ti p xúc v i môi trư ng ch a ch t kháng sinh. D ng kháng thu c này ư c g i là kh năng kháng sinh h c. Nguyên nhân c a hi n tư ng này có th do t bi n ng u nhiên trong nhi m s c th làm trong qu n th vi sinh v t gây b nh xu t hi n các t bào (hay th m chí ch c n m t vài t bào) có kh năng kháng thu c. Do ó, khi b nh nhân ư c i u tr kháng sinh trong m t th i gian nh t nh thì ch có các t bào thư ng b tiêu di t, còn các t bào kháng thu c này v n còn s ng sót, ti p t c sinh trư ng phát tri n d n bù ep cho c s t bào ã b tiêu di t. K t qu làm thay i hoàn toàn b n ch t vi sinh c a b nh và vô hi u hóa tác d n g i u tr c a thu c kháng sinh ó. Kh năng kháng i u tr : Kh năng kháng thu c c a vi sinh v t gây b nh thư ng xu t hi n ph bi n hơn nhi u sau khi chúng ã ti p xúc v i kháng sinh, vì v y trư ng h p này còn ư c g i là kh năng kháng i u tr . Nguyên nhân c a hi n tư ng này là do trong t bào vi sinh v t có ch a các y u t kháng thu c R ti m n (Resistance Factor). Y u t kháng thu c R có b n ch t plasmid. Khi vi sinh v t s ng trong môi trư ng có kháng sinh, các plasmid kháng thu c c a chúng s ư c ho t hoá, t sao chép t ng h p ra vô s plasmid m i. Chính ho t tính c a các plasmid này s làm tăng s c kháng cho t bào ch , nh v y chúng v n có th t n t i và phát tri n trong môi trư ng có kháng sinh. Do có b n ch t plasmid nên các y u t kháng thu c R này r t d dàng v n chuy n qua l i gi a các loài g n gũi nhau qua bi n n p, t i n p hay ti p h p. Nguyên nhân hi n tư ng kháng thu c: - Vi c s d ng cùng lo i kháng sinh kéo dài ho c l m d ng thu c kháng sinh (tuỳ ti n s d ng thu c không úng li u lư ng, không úng ch nh và không th i gian c n thi t) ã vô tình t o ra ưu th phát tri n c nh tranh cho các ch ng vi sinh v t có kh năng kháng thu c, ng th i tr thành li u pháp kích thích các ch ng kháng thu c này t ng h p ra vô s plasmid m i. - Xu th s d ng tuỳ ti n ch t kháng sinh trong chăn nuôi, c bi t là b sung vào khi ch bi n th c ăn gia súc, gia c m nuôi l y th t, tr ng, s a ... Khi ó, ngoài các tác d ng có l i d ki n, chính ch t kháng sinh b sung s t o ra môi trư ng phát tri n ch n l c cho các ch ng mang y u t kháng thu c R trên ng v t nuôi. Khi s d ng th t, tr ng, s a ... c a chúng làm nguyên li u ch bi n, các ch ng kháng thu c này s kéo theo vào trong các s n ph m th c ph m. K t qu khi ngư i tiêu dùng s d ng các th c ph m này, m t m t h ph i ti p nh n ph n dư lư ng kháng sinh trong s n ph m; nhưng m t khác, nguy hi m hơn là các lo i vi sinh v t kháng thu c trong các s n ph m th c ph m thu c nhóm này có ưu th t n t i, phát tri n cao hơn và các plasmid kháng thu c c a chúng l i ang trong tr ng thái ho t hoá. 9
Cơ ch c a s kháng thu c: Cơ ch c a s kháng thu c r t a d ng và thư ng khác nhau i v i t ng ch ng vi sinh v t: * M t s loài vi sinh v t có kh năng kháng thu c t nhiên v i m t s kháng sinh nh t nh, do thu c này không tác ng lên chúng ( thí d như: n m, virus, nguyên sinh ng v t, do trên thành t bào không có l p peptidoglucan nên không ch u ng c a các kháng sinh β – lactam). tác * M t s ch ng v n nh y c m v i ch t kháng sinh tr nên kháng thu c khi chúng thu nh n ư c m t trong các c tính m i như: Có kh năng vô ho t hay phá h y ch t kháng sinh (b ng cách t ng h p ra các enzym ngo i bào làm phá v c u trúc c a ch t kháng sinh hay liên k t v i ch t kháng sinh t o ra d ng kém hi u l c kháng sinh hơn). Có th t i u ch nh kh năng h p th c a màng t bào ch t làm gi m ho c ngăn ng a ch t kháng sinh xâm nh p vào t bào ch t. Có kh năng làm bi n i c u trúc phân t c a nơi ho c v trí mà ch t kháng sinh tác d ng vào T i u ch nh thay i ư ng hư ng trao i ch t vô hi u hóa tác d ng c a ch t kháng sinh ó… Hi n tư ng kháng chéo: Bên c nh hai hi n tư ng kháng thu c nêu trên, trong th c ti n còn t n t i hi n tư ng kháng chéo (hay kháng nhóm), nghĩa là m t ch ng khi ã kháng l i ch t kháng sinh nh t nh thì chúng cũng có kh năng kháng luôn m t s ch t kháng sinh khác cùng nhóm c u trúc hay có các c tính tương ng v i ch t kháng sinh y, thí d như m t s ch ng vi sinh v t gây b nh ã kháng ư c penicillin thì cũng có trư ng h p kháng luôn nhi u kháng sinh β - lactam khác. Kh c ph c hi n tư ng kháng thu c c a vi sinh v t gây b nh: gi i pháp tr c quan và ơn gi n là s d ng các d ng kháng sinh m i. Tuy nhiên, vi c tìm ki m, phát hi n và s n xu t m t kháng sinh m i là c m t kh i lư ng công vi c kh ng l , tiêu t n r t nhi u th i gian, nhân l c và ti n b c Trư c h t c n tri t tôn tr ng ba nguyên t c s d ng thu c kháng sinh là: Ch nh i u tr kháng sinh úng (làm kháng sinh ch n úng kháng sinh thích h p ch nh i u tr ; dùng thu c úng li u, úng phác , th i gian i u tr ; chú ý phát hi n s m d u hi u kháng thu c); Không l m d ng kháng sinh khi chưa c n thi t (không l m d ng " i u tr phòng ng a" b ng thu c kháng sinh, nghiêm c m b nh nhân t ch nh i u tr thu c kháng sinh thay bác sĩ); 10
Nghiêm c m s d ng tràn lan ch t kháng sinh trong chăn nuôi và giám sát ch t ch vi c s d ng kháng sinh trong thú y. 1.3. I U CH NH SINH T NG H P CH T KHÁNG SINH: Cũng như v i t t c quá trình lên men khác, vi c i u ch nh sinh t ng h p ch t kháng sinh trên nguyên t c có th ư c th c hi n qua hàng lo t cơ ch khác nhau, thí d , cơ ch c m ng, cơ ch ki m to , cơ ch c ch ngư c ...Trong th c ti n c n ph i ph i h p hàng lo t các gi i pháp khoa h c và công ngh , c th có th phân chia thành hai nhóm l n là: Tuy n ch n và t o ra các ch ng công nghi p siêu t ng h p ch t kháng sinh ; T i ưu hoá thành ph n môi trư ng, thi t b lên men và i u ki n v n hành quá trình lên men. 1.3.1. Tuy n ch n và t o ra các ch ng công nghi p siêu t ng h p ch t kháng sinh : ây là thành qu c a s ph i h p ng b hàng lo t gi i pháp k thu t tuy n ch n gi ng và t o ch ng tiên ti n như: k thu t gây t bi n, k thu t dung h p t bào, k thu t tái t h p và các gi i pháp k thu t gen khác Nhìn chung, quá trình tuy n ch n t o ch ng công nghi p siêu t ng h p kháng sinh cũng thư ng tr i qua sáu giai o n cơ b n là: - Phân l p t thiên nhiên. - Nghiên c u x lý t o các bi n ch ng " Siêu t ng h p" có ho t l c cao. - Tuy n ch n sơ b . - Tuy n ch n l i thu các ch ng có ho t tính cao quy mô phòng thí nghi m. - Th nghi m và tuy n ch n l i trên quy mô s n xu t th nghi m pilot. - Th nghi m và ch n l c l i các ch ng phù h p v i i u ki n lên men s n xu t l n công nghi p. Trong các giai o n trên, bư c tuy n ch n l i quy mô phòng thí nghi m là công o n tuy n ch n toàn di n và k lư ng nh t; M c tiêu c a quá trình tuy n ch n t o bi n c ng công nghi p không ch d ng l i năng l c siêu t ng h p kháng sinh c a ch ng, mà còn nh hư ng ng th i vào các m c tiêu khác như: t o ra các bi n ch ng tích t ít các s n ph m không mong mu n, các bi n ch ng t ng h p ra các s n ph m hoàn toàn m i (nh t là các s n ph m 11
có c u trúc và c tính mong mu n theo "thi t k " c a con ngư i), các bi n ch ng r t nh y c m v i ch t kháng sinh hay các ch ng có s c kháng cao v i nh ng ch t kháng sinh nào ó .... Vi c tuy n ch n và t o ch ng công nghi p là công vi c lâu dài và tiêu t n r t nhi u nhân l c, òi h i ph i ư c ti n hành nghiêm túc, liên t c và thư ng xuyên. 1.3.2. T i ưu hoá thành ph n môi trư ng, thi t b lên men và i u ki n v n hành quá trình lên men: - Vi c t i ưu hóa thành ph n môi trư ng lên men có vai trò r t quan tr ng, quy t nh năng l c và hi u qu chung c a toàn quá trình: xác nh ngu n nguyên li u chính, thành ph n môi trư ng lên men, n ng tương ng c a t ng c u t trong t ng th i i m c th , u ư c xác nh qua con ư ng th c nghi m, trên cơ s ki m tra trên hàng lo t cơ ch t d ki n chính, các ti n ch t, các ch t dinh dư ng khác, các ch t ph gia k thu t… . Ngu n th c ăn cacbon thư ng ư c l a ch n là: các lo i b t và h t ngũ c c, cám mỳ, cám g o, v khoai tây, r ư ng, các lo i ư ng ( glucoza, fructoza, maltoza, lactoza …) dextrin, glycerin, axit axetic, manit, các lo i rư u, d ch th y phân g , nư c th i h sunfit… . Ngu n th c ăn nitơ có th là: b t u tương, nư c chi t ngô, cao n m men, nư c chi t n m nem, pepton, các mu i NO3-, NH4+… Các nguyên t khoáng a lư ng thư ng g p như: photpho, lưu huỳnh, ma nhê, s t, canxi, kali, natri; các nguyên t vi lư ng như: ng, k m, coban, molipden… và các ch t sinh trư ng.. .Vi c thay i thành phân môi trư ng, n ng các c u t và s bi n thiên n ng c a chúng trong su t quá trình có quan h ch t ch v i ho t ng trao i ch t c a vi sinh v t, vì v y quan h ch t ch n các s n ph m t o thành c a quá trình. - Ngoài ra, trong quá trình lên men, ngư i ta còn khai thác hi u qu tác ng c a các y u t khác trong môi trư ng như: nhi t lên men t i ưu, pH, n ng oxy, th oxy hóa kh , cư ng s c khí, cư ng khu y tr n d ch lên men .. Như v y hi u qu sinh t ng h p s n ph m thu ư c bao gi cũng là k t qu c a s ph i h p tác d ng c a t t c các y u t , các i u ki n trang thi t b công ngh c u thành nên công ngh lên men các s n ph m ó. 12
CHƯƠNG 2 CÔNG NGH LÊN MEN KHÁNG SINH PENICILLIN 2.1. I M L CH S PHÁT HI N VÀ S N XU T PENICILLIN - Phát hi n tình c vào năm 1928 do Alexander Fleming, khi nh n th y m t h p petri nuôi Staphylococcus b nhi m n m m c Penicillium notatum có xu t hi n hi n tư ng vòng vi khu n b tan xung quanh khu n l c n m. Ông ã s d ng ngay tên gi ng n m Penicillin t tên cho ch t kháng sinh này (1929). M ã tri n khai lên men thành công penicillin theo phương pháp lên men b m t (1931). Tuy nhiên, cũng trong kho ng th i gian ó m i n l c nh m tách và tinh ch penicillin t d ch lên men u th t b i do không b o v ư c ho t tính kháng sinh c a ch ph m tinh ch và do ó v n penicillin t m th i b lãng quên. Năm 1938 Oxford, khi tìm l i các tài li u khoa h c ã công b , Ernst Boris Chain quan tâm n phát minh c a Fleming và ông ã ngh Howara Walter Florey cho ti p t c tri n khai nghiên c u này. Ngày 25/05/1940 penicillin ã ư c th nghi m r t thành công trên chu t. 1942: ã tuy n ch n ư c ch ng công nghi p Penicillium chrysogenum NRRL 1951 (1943) và sau ó ã ư c bi n ch ng P. chrysogenum Wis Q - 176 (ch ng này ư c xem là ch ng g c c a h u h t các ch ng công nghi p ang s d ng hi n nay trên toàn th gi i ); ã thành công trong vi c i u ch nh ư ng hư ng quá trình lên men lên men s n xu t penicillin G (b ng s d ng ti n ch t Phenylacetic, 1944).... 13
Hình 2.1. Các tác gi gi i thư ng Nobel y h c năm 1945 v công trình penicillin Penicillin ư c xem là lo i kháng sinh ph r ng, ư c ng d ng r ng rãi trong i u tr và ư c s n xu t ra v i lư ng l n nh t trong s các ch t kháng sinh ã ư c bi t hi n nay. Chúng tác d ng lên h u h t các vi khu n Gram dương và thư ng ư c ch nh i u tr trong các trư ng h p viêm nhi m do liên c u khu n, t c u khu n, thí d như viêm màng não, viêm tai - mũi - h ng, viêm ph qu n, viêm ph i, l u c u, nhi m trùng máu...Th i gian u penicillin ư c ng d ng i u tr r t hi u qu . Tuy nhiên, ch vài năm sau ã xu t hi n các trư ng h p kháng thu c và hi n tư ng này ngày càng ph bi n hơn. Vì v y 1959, Batchelor và ng nghi p ã tách ra ư c axit 6- aminopenicillanic. ây là nguyên li u s n xu t ra hàng lo t ch ph m penicillin bán t ng h p khác nhau. Ngày nay trên th gi i ã s n xu t ra ư c trên 500 ch ph m penicillin ( trong ó ch lên men tr c ti p hai s n ph m là penicillin V và penicillin G) và ti p t c tri n khai s n xu t các ch ph m penicillin bán t ng h p khác. Hình 2.2: S n ph m penicillin lên men t nhiên nh P.chrysogenum 14
2.2. CƠ S CÔNG NGH SINH T NG H P PENICILLIN NH N M M C: 2.2.1. L ch s tuy n ch n ch ng công nghi p P. chrysogenum : Vào nh ng năm u, vi c nghiên c u s n xu t penicillin thư ng s d ng các ch ng có ho t l c cao thu c loài P. notatum và P. baculatum. Nhưng t khi trư ng i h c Wisconsin (M ) phân l p ư c ch ng P.chrysogenum có ho t tính cao hơn thì ch ng này d n d n ã thay th và t kho ng sau nh ng năm 50 c a th k XX n nay t t c các công ty s n xu t penicillin trên th gi i u s d ng các bi n ch ng P.chrysogenum công nghi p. - Vi c tuy n ch n ch ng công nghi p lên men s n xu t penicillin trên nguyên t c cũng tr i qua sáu giai o n cơ b n ã mô t trong m c 1.3.1, trong ó gi i pháp k thu t ã ư c áp d ng hi u qu thu nh n bi n ch ng "siêu t ng h p" penicillin l i chính là các k thu t gây t bi n thư ng như: x lý tia Rơn - ghen, x lý tia c c tím và t o t bi n b ng hoá ch t, thí d như Metylbis - amin (metyl -2-β -clo- etylamin), N-mustar (tris - β -clo- etylamin), Sarcrolyzin, HNO2, Dimetylsulfat, 1,2,3,4 -diepoxybutan. 2.2.2. Cơ ch sinh t ng h p penicillin n m m c P. chrysogenum : Theo quan i m ph bi n hi n nay, quá trình sinh t ng h p penicillin nm m c P. chrysogenum có th tóm t t như sau: t ba ti n ch t ban u là α-aminoadipic, cystein và valin s ngưng t l i thành tripeptit δ -(α- aminoadipyl) - cysteinyl - valin ; ti p theo là quá trình khép m ch t o vòng β -lactam và vòng thiazolidin t o thành izopenicillin-N; ri trao i nhóm α-aminoadipyl v i phenylacetic (hay phenooxyacetic) t o thành s n ph m penicillin G (hay penicillin V, xem sơ t ng h p penicillin G trong hình 2.3. 15
Hình 2.3. Sơ cơ ch sinh t ng h p penicillin t axit L-α- aminoadipic, L- cystein và L-valin Trong 3 axit amin ti n ch t trên thì cystein có th ư c t ng h p b ng m t trong ba con ư ng là ư c t ng h p t xerin (hình 2.4), t homoxerin v i vi c tu n hoàn chuy n hóa α-cetobutyrat qua oxaloacetat (hình 2.5), hay t homoxerin v i s chuy n hóa α- cetobutyrat qua izolecin. ng th i α- aminoadipic ư c gi i phóng ra trong sơ hình 2.6 có th ư c tu n hoàn tham gia quá trình ngưng t ban u. . 16
Hình 2.4. Sơ cơ ch sinh t ng h p cystein t xerin Hình 2.5. Sơ cơ ch sinh t ng h p cistein t homoxerin v i s bi n i α- cetobutyrat thành oxaloacetat Tuy nhiên, cũng có th nó ư c gi i phóng ra và tích t trong môi trư ng (vì trong quá trình lên men s n xu t penicillin V bao gi cũng phát hi n th y trong d ch lên men lư ng l n α- aminoadipic d ng vòng). Như v y, quá trình sinh t ng h p penicillin, ph 17
thu c vào i u ki n lên men c th nh t nh, có th x y ra theo sáu ư ng hư ng khác nhau. Do ó, hi u su t chuy n hoá cơ ch t - s n ph m cũng bi n i và ph thu c vào ư ng hư ng sinh t ng h p tương ng. Theo lý thuy t thì hi u su t lên men s trong kho ng 683 - 1544 UI penicillin/g glucoza; song, trong th c t , v i nh ng ch n g có ho t tính sinh t ng h p cao nh t cũng m i ch t kho ng 200 UI/g glucoza. Hình 2.6. Sơ cơ ch sinh t ng h p α- aminoadipic Hình 2.7. Sơ cơ ch sinh t ng h p valin 18
2.2.3. Tác ng c a các thông s công ngh n quá trình sinh t ng h p penicillin. 2.2.3.1. S phát tri n h s i và c i m hình thái h s i n m: S phát tri n h s i n m trong quá trình lên men bao g m: - S tăng trư ng v kích thư c h s i (tăng dài s i, s l n lên v kích thư c, m c phân nhánh c a h s i ... ) - S bi n thiên v s lư ng khóm s i n m trong môi trư ng: Thông thư ng, s phát tri n này ư c ánh giá qua hai ch tiêu là: hàm lư ng sinh kh i và t c bi n thiên hàm lư ng sinh kh i trong môi trư ng. Hai ch tiêu này có th xác nh b ng nhi u phương pháp khác nhau như: hàm lư ng sinh kh i (Sinh kh i tươi ho c sinh kh i khô), m t quang d ch lên men, tr l c l c c a d ch lên men, hàm lư ng nitơ, hàm lư ng hydratcacbon, hàm lư ng axit nucleic ... Trong các phương pháp trên, ư c áp d ng ph bi n hơn c trong s n xu t công nghi p là phương pháp xác nh qua hàm lư ng sinh kh i. Tc phát tri n h s i n m ph thu c hàng lo t các y u t khác nhau trong quá trình lên men và s tích t penicillin thư ng x y ra m nh m khi h s i phát tri n t tr ng thái cân b ng. Tr ng thái này có th xác l p ư c khi ch cung c p v a và liên t c lư ng th c ăn t i thi u cho n m m c. Thi u th c ăn, h s i n m s t phân, còn n u cung c p quá nhu c u trên, h s i s phát tri n, nhưng không tích t m nh penicillin mà tích t nhi u axit gluconic và axit malic. c i m hình thái và c u trúc h s i n m: Trong quá trình lên men, do nhi u nguyên nhân khác nhau, s lư ng khóm s i n m bao gi cũng có xu hư ng tăng lên, ngay c trong quá trình lên men tĩnh. Trong i u ki n lên men có s c khí và khu y tr n, do tác d ng va p cơ h c v i cánh khu y và các chuy n ng dòng xoáy trong môi trư ng, m t m t s t gãy h s i n m x y ra nhi u hơn và h s i n m bao gi cũng có xu hư ng vón cu n l i thành c u trúc búi s i cu n xo n, ư c g i là pellet. Pellet x p (fluffy loose pellets) là d ng pellet có ph n bên trong h s i cu n thành kh i ch c và m n, l p s i phía bên ngoài cu n l ng l o t o thành c u trúc x p hơn. Pellet ch c và m n (compact smooth pellets) có c i m là ph n s i phía bên trong pellet cu n tương i ch t ch ra n g n sát l p s i phía ngoài, l p s i phía ngoài cùng cũng cu n ch c thành l p s i m n. Pellet r ng (hollow pellets) là d ng pellet có ph n s i bên trong b t phân t o thành kho ng r ng, h s i phía bên ngoài cu n r t ch t thành l p s i m n và ch c ch n. - Hi u qu chung c a quá trình lên men có quan h h u cơ v i s lư ng, kích thư c và c u trúc pellet n m. Trong th c ti n s n xu t công nghi p, ngư i ta thư ng 19
i u ch nh các thông s công ngh theo hư ng ưu tiên t o ra d ng pellet nh và m n, h n ch t o pellet x p và ngăn ng a hình thành các pellet r ng. i u ki n công ngh tương ng v i m c tiêu trên thư ng áp d ng là : t l cây gi ng 10%, v i m t d ch gi ng (2-10).1011 bào t /m3; ph i h p i u ch nh gi a s c khí và khu y tr n m b o cung c p oxy hòa tan dư so v i nhu c u tương ng v i th i i m lên men, và t o ra pellet m n và nh (kích thư c pellet thích h p nh t kho ng 0,2 - 0,5mm), trong i u ki n ã cân i v i nhu c u ti t ki m m c tiêu t n năng lư ng do khu y tr n. 2.2.3.2. c tính nhi t ng c a d ch lên men: Trong các thi t b lên men dung tích l n có s c khí và khu t tr n, th c t không th xác l p ư c s ng u t i kh p các vùng th tích làm vi c c a thi t b . T i các vùng ch y r i (vùng g n cánh khu y), t c trao i nhi t, t c chuy n kh i x y ra m nh m hơn. Còn t i các vùng ch y màng (vùng sát thành thi t b , vùng g n các n g xo n trao i nhi t, vùng kém hi u qu hay vùng ch t c a thi t b …) t c chuy n kh i hay t c truy n nhi t cũng gi m i. Ngoài ra, t i nh ng khu v c nh t nh c a thi t b có th xu t hi n vùng xoáy c c b hay các dòng ch y th c p làm thi u h t v hàm lư ng oxy hòa tan. Các y u t nêu trên ây s tác ng tr c ti p n năng l c sinh t ng h p c a ch ng, hi u qu chuy n hóa t o s n ph m và hi u qu kinh t chung c a toàn quá trình lên men. Th c t thư ng ch n ch khu y tr n dư trên m c yêu c u. 2.2.3.3. Thành ph n môi trư ng lên men: Môi trư ng cơ s lên men penicillin, vào th i kỳ u trong nh ng năm 40 - 50, là môi trư ng lactoza - nư c chi t ngô, v i thành ph n chính nêu trong b ng 2.1. Ngu n cơ ch t chính: là lactoza có th ư c thay th t ng ph n ho c toàn b b ng các cơ ch t khác như: các lo i ư ng hexoza, ư ng pentoza, disaccarit, dextrin hay thay th b ng d u th c v t. Trong các cơ ch t nêu trên, hi u qu cao hơn c v n là glucoza. Ngoài ra, khi s d ng d u th c v t làm ch t phá b t ph i xét n hi u ng n m m c s d ng m t ph n d u th c v t làm ngu n cung c p th c ăn cacbon, tính toán i u ch nh n ng glucoza trong môi trư ng lên men (và c s c n tr quá trình chuy n kh i do nh hư ng c a d u phá b t). Ngu n cung c p th c ăn nitơ: có th s d ng là b t u tương, b t h t bông, các lo i d u cám. Nhu c u v th c ăn nitơ cũng có th ư c áp ng b ng cách cung c p liên t c (NH4)2SO4, nhưng duy trì n ng th p, kho ng 250 - 340g/l (n u dư th a hi u qu sinh t ng h p penicillin s gi m, n u thi u s x y ra hi n tư ng t phân h s i) . 20