毕业论文头孢氨苄的生产与研究进展

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1、目 录 摘要1第一章绪论2第一节概述2第二节 头孢氨苄的发现及研究历史4第二章 头孢氨苄的传统生产方法6第三章 头孢氨苄的生产工艺改进8第一节酶法制备头孢氨苄8第二节 酶催化酰胺化缩合制备头孢氨9第三节 酶催化氯化制备头孢氨苄12第四节 酶法反应-萃取耦合技术13第四章 头孢氨苄的生产与发展前景14第六章 结论18参考文献：19致谢20头孢氨苄的生产与研究进展摘要头孢氨苄的生产在医药工业中占有十分重要的地位。青霉素酰化酶是半合成-内酰。胺类抗生素的重要用酶。由于酶法合成与化学法合成相比具有一定的优越性,随着酶工程技术的发展,酶法合成头孢菌素类抗生素已日益受到重视。提高合成产率,降低侧链消耗,从

2、而降低生产成本是酶法合成头孢菌素类抗生素研究的关键问题。平衡控制和动力学控制是酶法合成过程的两大研究策略,通过改变底物、降低水活度、添加高聚物、采用固定化技术及新型反应体系等措施可改善酶促反应的微环境,改变酶的动力学特性,从而起到强化合成途径的作用。本文旨在综述了该领域的一些研究进展并进行了展望。关键词：头孢菌素，青霉素酰化酶，酶法合成，合成控制第一章 绪论第一节概述 头孢氨苄（cephalexin,1,头孢立新、头孢菌素）经过多年的发展，已成为头孢菌素类抗生素中一个主要品种。 1998年世界年产量达2450t，预计直至2012年后还会以2.5的速度增长，仍将是世界上消耗量最大的头孢菌素类抗生

3、素。我国从上世纪80年代开始进行生物转化-内酰胺类抗生素方面的研究，并取得了一些成果。但由于在酰化酶的提取、分离和固定化技术及产物、原料的分离回收技术等方面没有取得实质性的突破，难以形成技术及经济优势，因此也难以在生产中实际应用。近年来，随着生物工程技术和固定化酶技术的快速发展，酶法制备头孢氨苄的技术水平也不断得到提高。目前，不仅在青霉素酰化酶的固定化技术方面取得了突破性进展，已经有性能稳定的工业用固定化酶制品在生产中得到广泛的应用如德国Boehringer Mannheim公司生产的商品名为 EnZygel及名称为 pGA150和 pGA450的固定化酶；意大利米兰Recordati公司生产

4、的固定化酶；德国Rohm Pharma公司生产的商品名为Eupergit的固定化酶和荷兰DSM公司（原GistBrocades公司）生产的商品名为AssemblaseTM的固定化酶等，而且在反应底物、酶缩合条件以及产物分离技术等方面的研究也取得了重要进展，具备了大规模工业化生产的条件。荷兰DSM公司在西班牙的一家工厂已于1998年开始用酶法合成头孢氨苄，设计年生产能力为500t，收率已超过化学法水平，达到90以上。另外美国礼莱公司酶法合成1的技术也已达到同等水平。 酶法合成头孢氨苄过程中所排放的废水仅含有一些简单无机盐，对人类生存环境不会构成危害，因此被誉为“绿色路线”（green route

5、）。而传统的化学法因需使用到二氯甲烷及其他溶剂、化学计算量的硅烷化剂（或其它羧基保护剂，如DBU、TMG等）邓氏盐的侧链保护剂和乙酰化反应的激活剂（如特戊酰氯）等，而形成大量的三废。酶法合成头孢氨苄技术探讨酶法制备-内酰胺类抗生素的技术经过30多年的发展，在酶缩合反应技术、产品分离、过量反应原料的回收以及固定化酶技术等方面都取得很大的进展，配套技术也日臻完善。酶法制备-内酰胺类抗生素的研究还涉及到阿莫西林、氨苄西林、头孢克洛、头孢拉定、头孢羟氨苄、头孢噻肟、头孢唑啉等品种。 酶催化缩合反应 酶催化缩合技术的发展水平已相当令人满意：侧链与母核7ADCA的投料摩尔比已经降至2：1以下，底物的浓度可

6、以达到300600mmolL， 7ADCA的转化率可以达到93以上，反应温度535。 在酶法制备1的过程中，一般使用经固定化技术处理得到的固定化青霉素酸化酶，而早期使用的固定化细胞（细菌）等形态的酶，因其形态结构和性能方面的缺陷，目前已不再使用。随着固定化酶技术的进步和对固定化酶在反应中失活原因的深入研究，固定化酶的使用寿命已经大大延长，半数失活（half-life）批次已经达到50100批。在制备1的酶缩合反应过程中，不可避免地会发生逆反应酶解反应，即反应产物由于酶的作用再逆分解成原料，这对提高正反应产率是很不利的。为提高酶缩会反应的产率，侧链对母核的投料量，有的甚至过量46倍（摩尔比），才

7、能得到工业上可以接受的产率，这造成了侧链的过高消耗，并在产品中引入了不需要的杂质，对生产来说仍是不经济的。目前人们已发现向反应体系中加入少量的酶抑制剂（苯乙酸、苯氧乙酸、扁桃酸等），可降低酶解作用，同时又不会对酶催化缩合反应产生太大的影响，从而可以得到较高的反应产率，大大降低侧链的投料量，使侧链与母核的投料比例降到2：1以下。 产品的分离与纯化 在酶法制备1的技术中，产品的分离及纯化是一项关键性技术，由于所用原料（苯甘氨酸衍生物、7ADCA）和1的理化性质相近，采用普通方法难以达到分离提纯的目的，因此该问题一直是酶法合成1工业化生产的一大障碍。目前使用的回收纯化方法有多种，如：酸碱结晶法、浓缩

8、结晶法、化学法（如萘酚复合物法）、柱色谱法、纳米滤膜法等。这些方法各有优缺点，还需进一步的改进和完善。 采用酸碱结晶法分离产品，可以不用有机溶剂避免了对环境的污染。但是此法不能把产品一次分离干净，母液中残留的产品仍需通过浓缩结晶或其他方法加以回收处理，而且产品纯度也不够理想，需要进一步精制。 利用1与-萘酚形成复合物的方法比较简单可行，反应体系中的1可以定量地与-萘酚形成复合物，从而得到完全分离。此法非常适合有酶存在的反应体系（图2）。如能解决回收-萘酚的问题，这将是一个非常好的分离纯化工艺。 采用柱色谱方法分离提纯1可得到高纯度的产品，回收率高，同时也可以回收得到其他可利用的原料。但此法的生

9、产能力有限，同时还产生大量的废水。 过量原料的回收 在酶法制备的工艺中，使用的侧链均是D-苯甘氨酸及其衍生物。主要有：甘氨酸、苯甘氨酸酯（甲酯、乙酯等）及其盐、苯甘氨酰胺及其盐（硫酸盐、盐酸盐等）。为了提高7ADCA的转化率，侧链化合物往往要相对过量。因此为保障1产品的质量并降低生产成本，须对未反应的侧链进行回收利用。 由于在反应中加入的侧链形态不同，回收方法也不尽相同。目前比较成熟、已运用于生产的回收方法有：采用苯甘氨酰胺或其无机酸盐的，反应完毕后加入适当的醛类物质（如苯甲醛等），使未反应的苯甘氨酰胺与醛反应，生成苯甘氨酰胺席夫碱结晶，从而使未反应的苯甘氨酸胺得到分离回收，回收率可达85。生

10、物催化剂应用于头孢氨苄的合成，不仅可大大减少反应步骤，还可大大减少有机废弃物的产生，有利于保护环境，降低生产成本。因此21世纪半合成头孢菌素类抗生素的酶法合成将是发展的必然趋势。当然，还须更多地在分子水平了解酶的作用机理，合理地设计出高催化活性的酶（包括酶的固定化技术），使其具有高专一性、高活性、低成本、低失活和高耐受性的特点；对酶法合成工艺的下游工序（如通过各种适当技术寻找选择性吸附终产品的试剂等）的研究，也有待于进一步深入。第二节 头孢氨苄的发现及研究历史1929年以后，抗生素作为新型抗菌药物相继问世，并以其强烈的杀菌能力而备受青睐，但由于长期大量使用，细菌的耐药性日益增强，同时也因一些抗

11、生素有抗菌谱窄或毒副作用大等缺点，临床应用也受到一定限制。因此，必须对原有抗生素的化学结构进行改造，以使其增加疗效，减少毒副作用。所谓半合成抗生素是指用化学或生物化学等方法改变已知抗生素的化学结构或引入特定的功能基团后，所获得的具有某种优越性能的新抗生素品种或其衍生物。对抗生素的化学改造主要有以下几个方面：增强抗菌力，扩大抗菌谱，对耐药菌有效，便于吸收和口服，降低毒性和副作用，改善药理性质，提高生物利用度。其中前三点最重要，尤其第三点寻找对耐药菌有效的化合物是今后的主要改造方向。于是逐渐发现并合成了第三代抗生素，头孢氨苄。头孢氨苄的合成有两种方法，即化学半合成法（简称化学法，包括混酐法和酰氯法

12、）和酶半合成法（简称酶法）。传统合成方法是从苯甲醛开始经化学合成制得侧链；从青霉菌发酵得到青霉素G，经化学扩环、裂解制得母核7ADCA。（近期利用微生物发酵制备7ADCA的技术得到了较快的发展，预计2000年会有工业产品问世），再把母核和侧链经化学方法缩合而得到。现在世界上绝大多数生产头孢氨苄的企业仍沿用这一方法，整个生产过程大约需要经过10步化学反应，最终每kg产品所产生的三废高达30kg以上。 头孢氨苄 的酶法合成技术始于上世纪70年代。日本东洋酿造公司采用巨大芽孢杆菌B400和无色杆菌B402产生的青霉素酸化酶（penicillin acylase，青霉素酰基转移酶、青霉素酰胺酶、青霉素

13、乙酰化酶）为催化剂，缩合制得头孢氨苄，并于1973年开始进行工业化研究。该反应可在水溶液中进行，所用有机溶剂极少，反应条件温和，因此该技术得到了广泛的重视。但由于当时酶的性能较差，把反应产物和过量的原料从反应混合物中分离的技术问题也一直未能很好地解决，因此多年来酶法合成技术仍处于研究和试生产阶段。国内外文献对此已有详细介绍。 我国从上世纪80年代开始进行生物转化-内酰胺类抗生素方面的研究，并取得了一些成果。但由于在酰化酶的提取、分离和固定化技术及产物、原料的分离回收技术等方面没有取得实质性的突破，难以形成技术及经济优势，因此也难以在生产中实际应用。 近年来，随着生物工程技术和固定化酶技术的快速

14、发展，酶法制备头孢氨苄的技术水平也不断得到提高。目前，不仅在青霉素酰化酶的固定化技术方面取得了突破性进展，已经有性能稳定的工业用固定化酶制品在生产中得到广泛的应用如德国Boehringer Mannheim公司生产的商品名为 EnZygel及名称为 pGA150和 pGA450的固定化酶；意大利米兰Recordati公司生产的固定化酶；德国Rohm Pharma公司生产的商品名为Eupergit的固定化酶和荷兰DSM公司（原GistBrocades公司）生产的商品名为AssemblaseTM的固定化酶等，而且在反应底物、酶缩合条件以及产物分离技术等方面的研究也取得了重要进展，具备了大规模工业化

15、生产的条件。 荷兰DSM公司在西班牙的一家工厂已于1998年开始用酶法合成1，设计年生产能力为500t，收率已超过化学法水平，达到90以上。另外美国礼莱公司酶法合成1的技术也已达到同等水平。 酶法合成头孢氨苄过程中所排放的废水仅含有一些简单无机盐，对人类生存环境不会构成危害，因此被誉为“绿色路线”（green route）。而传统的化学法因需使用到二氯甲烷及其他溶剂、化学计算量的硅烷化剂（或其它羧基保护剂，如DBU、TMG等）邓氏盐的侧链保护剂和乙酰化反应的激活剂（如特戊酰氯）等，而形成大量的三废。 第二章 头孢氨苄的传统生产方法头孢氨苄的传统合成有方法，即化学半合成法（简称化学法，包括混酐法和酰氯法）。传统合成方法是从苯甲醛开始经化学合成制得侧链；从青霉菌发酵得到青霉素G，经化学扩环、裂解制得母核7ADCA。（近期利用微生物发酵制备7ADCA的技术得到了较快的发展，预计2000年会有工业产品问世），再把母核和侧链经化学方法缩合而得到。现在世界上绝大多数生产头孢氨苄的企业仍沿用这一方法，整个生产过程大约需要经过10步化学反应，最终每kg产品所产生的三废高达30kg以上。 半合成青霉素的制备半合成青霉素是以青霉素发酵液中分离得到的6-氨基青霉烷酸为基础，用化学或生物化学