生物制药工艺技术基础3.ppt
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1、第二章第二章 生物制药工艺技术基础生物制药工艺技术基础第一节第一节 生化制药工艺技术基础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疗效效好好,几乎无无副作用副作用的独特优点。但由由于于以以人人体体组组织织提提供供的的原原料料受受到到法法律律或或伦伦理理方方面面的的严严格格限限制制,因此有许多的生化药物已更多地采用生物工程技术生物工程技术 目前已生产应用的制品主要有血血液液制制品品类类、人人胎胎盘制品类和人尿制品类盘制品类和人尿制品类。动动物物来来源源的生化药物是天然生化药物的主主要要品品种种,它具有原料来源丰富、价格低廉,便于综综合合利利用用和和批批量生产量生产的优点。生物制药工艺技
2、术基础(3)但由于提供原料的动物种种族族差差异异较较大大,所以对原原料的品质料的品质和制品的质控制品的质控要比一般药物更为严格。植植物物来来源源的生化药物品种正逐年增加,如酶酶、蛋蛋白质白质 多糖和核酸多糖和核酸等。海海洋洋生生物物来来源源的生化药物是发展最快的一大类生化药物。海洋生物种类繁多,是丰富的药药物物资资源源宝宝库库,具有很大发展潜力。生物制药工艺技术基础(3)一、生物材料与生化活性物质一、生物材料与生化活性物质(一)生化制药的生物材料来源(一)生化制药的生物材料来源 供生产生生化化药药物物的生物资源主要有动动物物、植植物物、海海洋洋生生物物和和微微生生物物的的组组织织、器器官官、细
3、细胞胞与与代代谢谢产产物物。应用动动、植植物物细细胞胞培培养养与与微微生生物物发发酵酵技技术术也是获得生生化制药原料化制药原料的重要途径。基基因因工工程程技技术术与与细细胞胞工工程程技技术术和和酶酶工工程程技技术术更是开发生化制药资源生化制药资源的新途径新途径。生物制药工艺技术基础(3)1、动物脏器、动物脏器 以动动物物组组织织器器官官为原料可以综综合合利利用用制制备备100多多种种生化药品。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脏器。l)胰胰脏脏 胰脏是动物体内不可替代的实实质质性性腺腺体体之之一一。它兼有其他器官所没有的内内分分泌泌和和外外分分泌泌两种功能。2)脑脑
4、脑组织富含脂质。脑组织中脂脂类类占13.5,蛋蛋白质白质占810,还有少量黏多糖少量黏多糖 脑组织中的主主要要脂脂类类物物质质是脑脑磷磷脂脂、肌肌醇醇磷磷脂脂、神神经经磷磷脂脂、脑脑苷苷脂脂、神神经经节节苷苷脂脂和和胆胆固固醇醇。还有神神经经递质和多种神经肽递质和多种神经肽。生物制药工艺技术基础(3)(3)胃胃黏黏膜膜 胃是动物的消消化化器器官官,主要分泌消消化化液液、胃黏膜胃黏膜。(4)肝肝脏脏 肝脏是机体内最大的不可替代的实实质质性性腺腺体体,是机体的“生化反应器”。肝脏含有复复杂杂的的酶酶系系,已知肝脏酶达数数百百种种,有些是其他组织所没有或者含量极少的。如鸟鸟氨氨酸酸氨氨基基甲甲酰酰转
5、转移移酶酶仅存在于肝细胞的微粒体中。肝脏还含有不不饱饱和和脂脂肪肪酸酸、磷磷脂脂类类和和胆胆固固醇醇。肝脏富有肝糖原及维生素肝糖原及维生素A、D、E、B12等。生物制药工艺技术基础(3)(5)脾脾脏脏 脾脏是体内最最大大的的免免疫疫器器官官,已用于生产的药物有脾脾水水解解物物,脾脾RNA和和脾脾转转移移因因子子。人脾混合淋巴因子制剂淋巴因子制剂对原发性肝癌具有良好疗效。(6)小小肠肠 小肠是消消化化和和吸吸收收的主要场所,含有丰富的淋巴组织和多种内分泌细胞淋巴组织和多种内分泌细胞。(7)脑脑垂垂体体 脑垂体是重要的内内分分泌泌腺腺体体,由两部分组成:脑脑垂垂体体(前前叶叶)包括远侧部、结节及中
6、间部;神经垂体(后叶)神经垂体(后叶)包括神经部及漏斗部。垂体激素垂体激素品种不少于10种种。(8)心脏)心脏 心脏含有丰富的糖原、激素和酶类糖原、激素和酶类。生物制药工艺技术基础(3)其其他他动动物物脏脏器器如如肺肺、肾肾、胸胸腺腺、肾肾上上腺腺、扁扁桃桃体体、甲甲状状腺腺、睾睾丸丸、胎胎盘盘、羊羊精精囊囊、气气管管软软骨骨、眼眼球球、鸡鸡冠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 血液约占占体体重重的的610,血血液液中中水水分分占占80,干干物物质质占占20。血液资源丰富,可用于生产药品、生化试剂、营养食品、医用化妆品及饲料添加剂等。尿液、胆汁、蛇毒、蜂毒尿液、胆汁、蛇
7、毒、蜂毒等也是重要的生物材料。生物制药工艺技术基础(3)3、海洋生物、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重要生物材料。主要有:(1)海海藻藻 海藻是海洋水水生生植植物物类类,分绿藻门、褐藻门、蓝藻门、红藻门、甲藻门等10门,共门,共10000多种多种。(2)腔腔肠肠动动物物 腔肠动物是原始多细胞动物,有有9000多种。多种。(3)节节肢肢动动物物 节肢动物门中的某些甲壳动物可供药用。甲壳动物有甲壳动物有25 000多种。多种。生物制药工艺技术基础(3)(4)软软体体动动物物 软体动物有有80 000种种,包括螺、蚌类和乌贼等。(5)棘棘皮皮动动物物 棘皮动物有
8、有6000多多种种,包括海星、海胆、海参。(6)鱼类)鱼类 鱼类有有20000多种多种,可制造多种药物。(7)爬爬行行动动物物 爬行动物多数为陆陆生生脊脊椎椎动动物物。海生的主要有海蛇、海龟等。(8)海海洋洋哺哺乳乳动动物物 用鲸鱼和海豚类的脏脏器器和和腺腺体体已制成多种药物。其他海海洋洋生生物物还有环环节节、海海绵绵、扁扁形形、纽纽形形、两两栖栖等也都是重要生物材料。生物制药工艺技术基础(3)4、植物、植物 药用植物品种繁多,除含有生生物物碱碱、强强心心苷苷、黄黄酮酮、皂皂苷苷、挥挥发发油油、树树脂脂、鞣鞣质质等等有有效效药药理理成成分分外外,还含有氨基酸,蛋白质、酶、激素、糖类、脂类、维生
9、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蛋白酶抑制剂。生物制药工艺技术基础(3)5、微生物、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总数数的的10左左右右。微生物的代谢物有1300多多种种,已大量生产的才近近百百种种。微微生生物物酶酶有有几几千千种种,已被应用的才几十种,可见其应用前景很大。(1)细菌)细菌 常用细菌发酵法生产发酵法生产。主要发展领域有:氨基酸氨基酸。有机酸有机酸。糖类。糖类。生物制药工艺技术基础(3)核苷酸类核苷酸类。维维生生素素。用细菌可制取多多种种维维生生素素如如VB1、YB2、VB6、烟酸、生物
10、素、烟酸、生物素等。酶酶。(2)放线菌)放线菌 放线菌是最重要的抗生素产生菌,己有的1000多多种种抗抗生生素素约约23产产自自放放线线菌菌。其代谢产物也是重要的生物制药资源。氨基酸。氨基酸。核苷酸类。核苷酸类。生物制药工艺技术基础(3)维维生生素素。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。酶。放线菌能产生众多品种的酶。(3)真菌)真菌酶酶有机酸有机酸。氨基酸氨基酸。核酸及其有关物质。核酸及其有关物质。维生素。维生素。促生素。促生素。多糖。多糖。生物制药工艺技术基础(3)(4)酵母菌)酵母菌维生素。维生素。蛋白质与多肽。蛋白质与多肽。核酸。核酸。6、开发生物新
11、资源、开发生物新资源(1)动动植植物物细细胞胞的的大大规规模模培培养养 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细胞工程技术的一大应用领域。(2)应应用用基基因因重重组组技技术术建建立立“工工程程菌菌”或或“工工程程细细胞胞”,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。生物制药工艺技术基础(3)(二)生物材料的准备(二)生物材料的准备1、生物材料的选择、生物材料的选择 生化药物生产原料的选选择择原原则则是:有效成分含含量量高高,原原料料新新鲜鲜、无无污污染染;来来源源丰丰富富、易易得得;原料产地较近,价格低廉;原料中杂质含量少,便于分离纯化便
12、于分离纯化等。(1)有效成分的含量)有效成分的含量 生物品种生物品种 根据目目的的物物的分布,选择富富含含有有效效成成分分的生物品种是选材的关键。生物制药工艺技术基础(3)合适的组织器官。合适的组织器官。另外动物的年年龄龄、性性别别、营营养养状状况况、产产地地、季季节节对活性物质的含量也有影响。植物原料要注意采采集集地地点点、季季节节,微生物原料要注意其对对数数生生长长期期时时间间与活性成分的关系与活性成分的关系。(2)杂质情况)杂质情况 选选材材时时,应避免与与目目的的物物性性质质相相似似的的杂杂质质对对纯纯化化过程过程的干扰。(3)来源)来源 应选用来源丰富的材料,尽量不与其他产品争原料,
13、最好能一物多用,一物多用,综合利用综合利用。生物制药工艺技术基础(3)2、生物材料的、生物材料的采集、预处理与保存采集、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新鲜鲜,防防止止腐腐败败、变变质质与与微微生生物物污污染。染。生物材料采摘选取后,必须快快速速及及时时速速冻冻,低低温温保保存存,防防止止生生物物活活性性成成分分的的变变性性、失失活活,酶酶原原提提取取要要及时进行,防止酶原激活转变为酶及时进行,防止酶原激活转变为酶。植植物物原原料料采集后可就地去去除除不不用用的的部部分分,将有有用用部分保鲜处理部分保鲜处理。收集微生物原料时,要及时将菌体细胞与培养液分
14、开,根据有效成分存在部位及时进行保鲜处理。根据有效成分存在部位及时进行保鲜处理。生物制药工艺技术基础(3)生物材料的保存方法生物材料的保存方法主要有:主要有:冷冷冻冻法法。本法适用于所有生物材料。一一般般先先速速冻后置于冻后置于40处低温保存处低温保存。有机溶剂脱水法有机溶剂脱水法,常用的有机溶剂常用的有机溶剂是是丙酮丙酮。防腐剂保鲜法防腐剂保鲜法。常用乙醇、苯酚乙醇、苯酚等。二、生化活性物质的提取二、生化活性物质的提取()生化活性物质常用的提取方法()生化活性物质常用的提取方法1、酸、碱、盐水溶液提取法、酸、碱、盐水溶液提取法 生物制药工艺技术基础(3)2、表面活性剂提取法与反胶束提取法、表
15、面活性剂提取法与反胶束提取法 表表面面活活性性剂剂分子兼有亲亲水水与与疏疏水水基基团团,分布于水水油界面油界面时有分散、乳化和增溶作用分散、乳化和增溶作用。生生物物提提取取常用的表表面面活活性性剂剂,其HLB多在1020之间。在适适当当pH及及低低离离子子强强度度的条件下,表表面面活活性性剂剂能能与脂蛋白形成微泡,使膜的渗透性改变或使之溶解与脂蛋白形成微泡,使膜的渗透性改变或使之溶解。生物制药工艺技术基础(3)反反胶胶束束也也称称为为反反胶胶团团。反胶束是表面活性剂分散于连续的有机相中自发形成的纳纳米米尺尺度度的一种聚聚集集体体。反胶束系统反胶束系统作为液液萃取方法,更具选择性液液萃取方法,更
16、具选择性。此法的优点是使热热敏敏感感性性的,亲水蛋白质在一种近似水相的环境中被提取出来,最最大大限限度度地地保保持持了了蛋蛋白白质质的的生生物物活活性性,蛋白质通过中中间间反反胶胶束束从一个主体相中转移到另一个水相中,并在瞬间完成瞬间完成。生物制药工艺技术基础(3)3、有机溶剂提取、有机溶剂提取 用有机溶剂提取生化物质可分为固固液液提提取取和和液液液提取(萃取)液提取(萃取)二类。(1)固液提取)固液提取 在生物制药中常用的有机溶剂有甲甲醇醇、乙乙醇醇、丙丙酮酮、丁丁醇醇等等极极性性溶溶剂剂以以及及乙乙醚醚、三三氯氯甲甲烷烷、苯苯等等非非极极性溶剂性溶剂。极性溶剂既有亲水基团又有疏水基团,从广
17、义上说,也是一种表面活性剂。甲甲醇醇、乙乙醇醇、丙丙酮酮能同水混溶,同时又有较强的亲脂性,对某些蛋白质、类脂起增增溶溶作用作用,乙醚、三氯甲烷、苯乙醚、三氯甲烷、苯是脂质化合物的良好溶剂脂质化合物的良好溶剂。生物制药工艺技术基础(3)在选用有机溶剂时一般采用采用“相似相溶相似相溶”的原则的原则。丁醇在水溶液中解离脂蛋白的能力更强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,制制成成“丙丙酮酮粉粉”,其作用是使材料脱脱水水,脱脱脂脂,使使细细胞胞结结构构松松散散,增加了某些物质的稳定性,便于贮存和运输。有机溶剂既既能能抑抑制制微微生生物物的的生生长长和和某某些些酶酶的的作作用用
18、也能阻止大量无关蛋白质的溶出阻止大量无关蛋白质的溶出,有利于进一步纯化。生物制药工艺技术基础(3)(2)液液萃取)液液萃取 液液液液萃萃取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分配配比(分配系数比(分配系数)和有机溶剂的用量)和有机溶剂的用量等。生物制药工艺技术基础(3)溶剂萃取的注意事项:溶剂萃取的注意事项:(1)pH 在萃取操作中正确选择pH很重要。所以,酸酸性性物物质质在在酸酸性性条条件件下下萃萃取取,碱碱性性物物质质在在碱碱性性条条件件下下萃萃取取,对氨基酸等两性电解质,则采用pH在等电点在等
19、电点时进行提取较好。(2)盐盐析析 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提高高萃萃取取率率:盐盐析析作作用用也能减减少少有有机机溶溶剂剂在在水中的溶解度水中的溶解度,使提取液中的水分含量减少水分含量减少。生物制药工艺技术基础(3)(3)温度)温度 一般在室温或低温下在室温或低温下进行萃取操作。(4)乳乳化化 液液萃取时,常发生乳乳化化作作用用。去去乳乳化化的的常常用用方方法法有:过过滤滤与与离离心心;轻轻轻轻搅搅动动;改改变变两两相相的的比例比例;加热;加电解质加热;加电解质;加吸附剂(如碳酸钙)
20、加吸附剂(如碳酸钙)等。液液萃取时溶剂的选择液液萃取时溶剂的选择要注意以下几点:(1)选用的溶剂必须具有较高选择性较高选择性。(2)选用的溶剂,溶质与溶剂要容易分离与回收。溶质与溶剂要容易分离与回收。生物制药工艺技术基础(3)(3)两种溶剂的密密度度相相差差不不大大时时,易易形形成成乳乳化化,选溶剂时应注意。(4)要选用无毒,不易燃烧的价廉易得无毒,不易燃烧的价廉易得的溶剂。4、双水相萃取法、双水相萃取法 双水相系统是两两种种亲亲水水性性的的聚聚合合物物都加在一个水溶液中,当超过某一浓度时,就会产生两相,两两种种聚聚合合物分别溶于互不相溶的两相中物分别溶于互不相溶的两相中。其操作是向水相中加入
21、溶于水的高分子化合物,如聚聚乙乙二二醇醇(PEG)或或葡葡聚聚糖糖,可以形成密密度度不不同同的的两两相相(有时甚至是多相),因两相都含有较多的水,所以称为双双水水相相,常用的双水相系统为PEG葡葡聚聚糖糖和和PEG无机盐无机盐两种,后者应用更广泛。生物制药工艺技术基础(3)一般认为,成相是由于聚聚合合物物之之间间的的不不溶溶性性,即聚聚合合物物分分子子的的空空间间阻阻碍碍作作用用,无无法法相相互互渗渗透透,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,上上相相中中含右旋糖酐0.39,含甲基纤维素0.65,而下下相相中中含右旋糖
22、酐1.58,含甲基纤维素0.15。生物制药工艺技术基础(3)5、超临界萃取技术、超临界萃取技术 超超临临界界流流体体萃萃取取技技术术的优点是节能,对生化活性物质不不产产生生热热变变性性作作用用,可使用生生理理惰惰性性溶溶剂剂在低温下分离活性组分。当在某一温度和压力时,气气体体和和液液体体的的物物理理特特性性就会趋于相同。两相变为一相,此时称为临临界界点点,物质的临界点常数包括:临界温度、临界压力和临界密度。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和和0.47gml,当温度和压力高于临界点值时,物质处于液体和气体的中中间间状状态态,在超临界状态下的流体称为超超临
23、临界流体界流体,超临界流体最常用的萃取剂是超临界流体最常用的萃取剂是CO2。生物制药工艺技术基础(3)超超临临界界流流体体的物物理理特特性性、传传质质特特性性通常介于液体和气体之间,适于作为萃取溶剂。超超临临界界流流体体具有与液体同样的凝凝聚聚力力、溶溶解解力力。密密度与液体比较接近度与液体比较接近。随着温温度度和和压压力力的连续变化,超临界流体扩扩散散系系数数接接近近于于气气体体,是通常液体的近近百百倍倍,超临界流体的黏黏度度大大大大低低于于液液体体的的黏黏度度,接接近近气气体体的的黏黏度度,有利于物质的扩散。超临界流体的溶溶解解力力与与其其密密度度有有很很大大关关系系,而密密度度又又受受到
24、到体体系系温温度度或或压压力力的的影影响响,所以压压力力或或温温度度的的变变化都会直接改变其溶解能力化都会直接改变其溶解能力。生物制药工艺技术基础(3)(二)提取效率(二)提取效率 提取时,总希望提提取取率率愈愈高高愈愈好好,但实际上这种“相转移相转移”的提取效率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,残残留留量量的多寡取决于所选择的溶剂系统的种种类类、用用量量、提提取取次次数数以及操作条件。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分次提取法予以弥补。一般生产上多多用用23次次提提取取。溶溶剂剂用用量量(L)为为生生物物材材料料的的25倍倍,少数情况
25、也有用1020倍倍量量溶溶剂剂作一次性提取。目的是节省提取时间,降低有有害害酶酶的作用。生物制药工艺技术基础(3)当提取物由固相转入液相或从细胞内转到细胞外时,提取率还与物物质质的的扩扩散散作作用用有关。为了提高提提取取速速度度,常采取一些措施,如增加材料的破破碎碎程程度度,进进行搅拌行搅拌,延长提取时间延长提取时间,提高提取温度提高提取温度。(三)影响提取效率的因素(三)影响提取效率的因素1、温度、温度 多数物质的溶溶解解度度随随提提取取温温度度的的升升高高而而增增加加。另外较高的温度可以降降低低物物料料的的黏黏度度,有有利利于于分分子子扩扩散散和机械搅拌和机械搅拌。应用有机溶剂提取生化成分
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