[工程科技]第二章 生物制药工艺技术基础1

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1、第二章 生物制药工艺技术基础 第一节 生化制药工艺技术基础 由人体组织来源的生化药物具有疗效好，几乎无副作用的独特优点。 但由于以人体组织提供的原料受到法律或伦理方面的严格限制，因此有许多人源性的生化药物已更多地采用生物工程技术生产。 目前已生产应用的制品主要有血液制品类、人胎盘制品类和人尿制品类。 动物来源的生化药物是天然生化药物的主要品种，它具有原料来源丰富、价格低廉，便于综合利用和批量生产的优点。,但由于提供原料的动物种族差异较大，所以对原料的品质和制品的质控要比一般药物更为严格。 植物来源的生化药物品种正逐年增加，如酶、蛋白质 多糖和核酸等。 海洋生物来源的生化药物是发展最快的一大类生

2、化药物。海洋生物种类繁多，是丰富的药物资源宝库，具有很大发展潜力。,一、生物材料与生化活性物质 （一）生化制药的生物材料来源 供生产生化药物的生物资源主要有动物、植物、海洋生物和微生物的组织、器官、细胞与代谢产物。应用动、植物细胞培养与微生物发酵技术也是获得生化制药原料的重要途径。 基因工程技术与细胞工程技术和酶工程技术更是开发生化制药资源的新途径。,1、动物脏器 以动物组织器官为原料可以综合利用制备100多种生化药品。动物组织器官的主要来源是猪，其次是牛、羊、家禽和鱼类等的脏器。 l）胰脏 胰脏是动物体内不可替代的实质性腺体之一。它兼有其他器官所没有的内分泌和外分泌两种功能。 2）脑 脑组织

3、富含脂质。脑组织中脂类占13.5，蛋白质占810，还有少量黏多糖 脑组织中的主要脂类物质是脑磷脂、肌醇磷脂、神经磷脂、脑苷脂、神经节苷脂和胆固醇。还有神经递质和多种神经肽。,（3）胃黏膜 胃是动物的消化器官，主要分泌消化液、胃黏膜。 （4）肝脏 肝脏是机体内最大的不可替代的实质性腺体，是机体的“生化反应器”。肝脏含有复杂的酶系，已知肝脏酶达数百种，有些是其他组织所没有或者含量极少的。 如鸟氨酸氨基甲酰转移酶仅存在于肝细胞的微粒体中。肝脏还含有不饱和脂肪酸、磷脂类和胆固醇。肝脏富有肝糖原及维生素A、D、E、B12等。,（5）脾脏 脾脏是体内最大的免疫器官，已用于生产的药物有脾水解物，脾RNA和脾

4、转移因子。人脾混合淋巴因子制剂对原发性肝癌具有良好疗效。 （6）小肠 小肠是消化和吸收的主要场所，含有丰富的淋巴组织和多种内分泌细胞。 （7）脑垂体 脑垂体是重要的内分泌腺体，由两部分组成：脑垂体（前叶）包括远侧部、结节及中间部；神经垂体（后叶）包括神经部及漏斗部。 垂体激素品种不少于10种。 （8）心脏 心脏含有丰富的糖原、激素和酶类。,其他动物脏器如肺、肾、胸腺、肾上腺、扁桃体、甲状腺、睾丸、胎盘、羊精囊、气管软骨、眼球、鸡冠等也都是重要的生物制药原料。 2、血液、分泌物和其他代谢物 血液约占体重的610，血液中水分占80，干物质占20。血液资源丰富，可用于生产药品、生化试剂、营养食品、医

5、用化妆品及饲料添加剂等。 尿液、胆汁、蛇毒、蜂毒等也是重要的生物材料。,3、海洋生物 海洋生物是开发防治常见病、多发病和疑难病药物的重要生物材料。主要有： （1）海藻 海藻是海洋水生植物类，分绿藻门、褐藻门、蓝藻门、红藻门、甲藻门等10门，共10000多种。 （2）腔肠动物 腔肠动物是原始多细胞动物，有9000多种。 （3）节肢动物 节肢动物门中的某些甲壳动物可供药用。甲壳动物有25 000多种。,（4）软体动物 软体动物有80 000种，包括螺、蚌类和乌贼等。 （5）棘皮动物 棘皮动物有6000多种，包括海星、海胆、海参。 （6）鱼类 鱼类有20000多种，可制造多种药物。 （7）爬行动物

6、爬行动物多数为陆生脊椎动物。海生的主要有海蛇、海龟等。 （8）海洋哺乳动物 用鲸鱼和海豚类的脏器和腺体已制成多种药物。 其他海洋生物还有环节、海绵、扁形、纽形、两栖等也都是重要生物材料。,4、植物 药用植物品种繁多，除含有生物碱、强心苷、黄酮、皂苷、挥发油、树脂、鞣质等有效药理成分外，还含有氨基酸，蛋白质、酶、激素、糖类、脂类、维生素类等众多生化成分。 由植物材料寻找有效生物药物已逐渐引起重视，品种逐年增加，以及各种蛋白酶抑制剂。,5、微生物 微生物资源非常丰富，已研究的品种仅占自然界中微生物总数的10左右。微生物的代谢物有1300多种，已大量生产的才近百种。微生物酶有几千种，已被应用的才几十

7、种，可见其应用前景很大。 （1）细菌 常用细菌发酵法生产。主要发展领域有： 氨基酸。 有机酸。 糖类。,核苷酸类。 维生素。用细菌可制取多种维生素如VB1、YB2、VB6、烟酸、生物素等。 酶。 （2）放线菌 放线菌是最重要的抗生素产生菌，己有的1000多种抗生素约23产自放线菌。其代谢产物也是重要的生物制药资源。 氨基酸。 核苷酸类。,维生素。利用放线菌可产生维生素B12、B族维生素、胡萝卜素、蕃茄素及食品染料。 酶。放线菌能产生众多品种的酶。 （3）真菌 酶 有机酸。 氨基酸。 核酸及其有关物质。 维生素。 促生素。多糖。,（4）酵母菌 维生素。 蛋白质与多肽。 核酸。 6、开发生物新资源

8、 （1）动植物细胞的大规模培养 利用动植物细胞大规模培养产生生物药品是细胞工程技术的一大应用领域。 （2）应用基因重组技术建立“工程菌”或“工程细胞”，使所需要的基因在宿主细胞内表达，制造各种生物活性物质，是生物制药工业的重要发展领域。,（二）生物材料的准备 1、生物材料的选择 生化药物生产原料的选择原则是：有效成分含量高，原料新鲜、无污染；来源丰富、易得；原料产地较近，价格低廉；原料中杂质含量少，便于分离纯化等。 （1）有效成分的含量 生物品种 根据目的物的分布，选择富含有效成分的生物品种是选材的关键。,合适的组织器官。 另外动物的年龄、性别、营养状况、产地、季节对活性物质的含量也有影响。植

9、物原料要注意采集地点、季节，微生物原料要注意其对数生长期时间与活性成分的关系。 （2）杂质情况 选材时，应避免与目的物性质相似的杂质对纯化过程的干扰。 （3）来源 应选用来源丰富的材料，尽量不与其他产品争原料，最好能一物多用，综合利用。,2、生物材料的采集、预处理与保存 生物材料采集时必须保证环境卫生符合要求，并尽力保持原材料的新鲜，防止腐败、变质与微生物污染。 生物材料采摘选取后，必须快速及时速冻，低温保存，防止生物活性成分的变性、失活，酶原提取要及时进行，防止酶原激活转变为酶。 植物原料采集后可就地去除不用的部分，将有用部分保鲜处理。 收集微生物原料时，要及时将菌体细胞与培养液分开，根据有

10、效成分存在部位及时进行保鲜处理。,生物材料的保存方法主要有： 冷冻法。本法适用于所有生物材料。一般先速冻后置于40处低温保存。 有机溶剂脱水法，常用的有机溶剂是丙酮。 防腐剂保鲜法。常用乙醇、苯酚等。 二、生化活性物质的提取 （）生化活性物质常用的提取方法 1、酸、碱、盐水溶液提取法,2、表面活性剂提取法与反胶束提取法 表面活性剂分子兼有亲水与疏水基团，分布于水油界面时有分散、乳化和增溶作用。 生物提取常用的表面活性剂，其HLB多在1020之间。 在适当pH及低离子强度的条件下，表面活性剂能与脂蛋白形成微泡，使膜的渗透性改变或使之溶解。,反胶束也称为反胶团。反胶束是表面活性剂分散于连续的有机相

11、中自发形成的纳米尺度的一种聚集体。反胶束系统作为液液萃取方法，更具选择性。 此法的优点是使热敏感性的，亲水蛋白质在一种近似水相的环境中被提取出来，最大限度地保持了蛋白质的生物活性，蛋白质通过中间反胶束从一个主体相中转移到另一个水相中，并在瞬间完成。,3、有机溶剂提取 用有机溶剂提取生化物质可分为固液提取和液液提取（萃取）二类。 （1）固液提取 在生物制药中常用的有机溶剂有甲醇、乙醇、丙酮、丁醇等极性溶剂以及乙醚、三氯甲烷、苯等非极性溶剂。 极性溶剂既有亲水基团又有疏水基团，从广义上说，也是一种表面活性剂。甲醇、乙醇、丙酮能同水混溶，同时又有较强的亲脂性，对某些蛋白质、类脂起增溶作用， 乙醚、三

12、氯甲烷、苯是脂质化合物的良好溶剂。,在选用有机溶剂时一般采用“相似相溶”的原则。 丁醇在水溶液中解离脂蛋白的能力更强。 在生化物质提取前，有时还用丙酮处理原材料，制成“丙酮粉”，其作用是使材料脱水，脱脂，使细胞结构松散，增加了某些物质的稳定性，便于贮存和运输。 有机溶剂既能抑制微生物的生长和某些酶的作用，也能阻止大量无关蛋白质的溶出，有利于进一步纯化。,（2）液液萃取 液液萃取是利用溶质在两个互不混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。 影响液液萃取的因素主要有目的物在两相的分配比（分配系数）和有机溶剂的用量等。,溶剂萃取的注意事项： （1）pH 在萃取操作中正确选

13、择pH很重要。 所以，酸性物质在酸性条件下萃取，碱性物质在碱性条件下萃取，对氨基酸等两性电解质，则采用pH在等电点时进行提取较好。 （2）盐析 加入中性盐如硫酸铵、氯化钠等可以使一些生化物质溶解度减少，这种现象称作盐析。 在提取液中加入中性盐，可以促使生化物质转入有机相从而提高萃取率：盐析作用也能减少有机溶剂在水中的溶解度，使提取液中的水分含量减少。,（3）温度 一般在室温或低温下进行萃取操作。 （4）乳化 液液萃取时，常发生乳化作用。去乳化的常用方法有：过滤与离心；轻轻搅动；改变两相的比例；加热；加电解质；加吸附剂（如碳酸钙）等。 液液萃取时溶剂的选择要注意以下几点： （1）选用的溶剂必须具

14、有较高选择性。 （2）选用的溶剂，溶质与溶剂要容易分离与回收。,（3）两种溶剂的密度相差不大时，易形成乳化，选溶剂时应注意。 （4）要选用无毒，不易燃烧的价廉易得的溶剂。 4、双水相萃取法 双水相系统是两种亲水性的聚合物都加在一个水溶液中，当超过某一浓度时，就会产生两相，两种聚合物分别溶于互不相溶的两相中。 其操作是向水相中加入溶于水的高分子化合物，如聚乙二醇（PEG）或葡聚糖，可以形成密度不同的两相（有时甚至是多相），因两相都含有较多的水，所以称为双水相，常用的双水相系统为PEG葡聚糖和PEG无机盐两种，后者应用更广泛。,一般认为，成相是由于聚合物之间的不溶性，即聚合物分子的空间阻碍作用，无

15、法相互渗透，不能形成均一相，从而具有相分离的倾向。 如用等量的11的右旋糖酐溶液和0.36甲基纤维素溶液混合，静止后，产生两相，上相中含右旋糖酐0.39，含甲基纤维素0.65，而下相中含右旋糖酐1.58，含甲基纤维素0.15。,5、超临界萃取技术 超临界流体萃取技术的优点是节能，对生化活性物质不产生热变性作用，可使用生理惰性溶剂在低温下分离活性组分。 当在某一温度和压力时，气体和液体的物理特性就会趋于相同。两相变为一相，此时称为临界点，物质的临界点常数包括：临界温度、临界压力和临界密度。 如CO2的临界点分别为31.1、7.3MPa和0.47gml，当温度和压力高于临界点值时，物质处于液体和气

16、体的中间状态，在超临界状态下的流体称为超临界流体，超临界流体最常用的萃取剂是CO2。,超临界流体的物理特性、传质特性通常介于液体和气体之间，适于作为萃取溶剂。 超临界流体具有与液体同样的凝聚力、溶解力。密度与液体比较接近。 随着温度和压力的连续变化，超临界流体扩散系数接近于气体，是通常液体的近百倍，超临界流体的黏度大大低于液体的黏度，接近气体的黏度，有利于物质的扩散。 超临界流体的溶解力与其密度有很大关系，而密度又受到体系温度或压力的影响，所以压力或温度的变化都会直接改变其溶解能力。,（二）提取效率 提取时，总希望提取率愈高愈好，但实际上这种“相转移”的提取效率不可能达到100。 在生物材料中总要残留部分目的物，残留量的多寡取决于所选择的溶剂系统的种类、用量、提取次数以及操作条件。 在实际工作中，溶剂的用量有一定限量，所以一般用分次提取法予以弥补。 一般生产上多用23次提取。溶剂用量（L）为生物材料的25倍，少数情况也有用1020倍量溶剂作一次性提取。