生物制药工艺学（第3版）

第一篇　生物药物发酵工艺

第一章　绪论/ 2

一、 生物制药的发展历程/ 2

二、 生物制药工艺的改进与创新/ 3

三、 生物制药产品的类别/ 4

四、 生物制药的工艺过程/ 6

第二章　微生物代谢产物的生物合成与调控/ 9

第一节　微生物的代谢产物/ 9

一、 初级代谢产物及其特点/ 9

二、 次级代谢产物及其特点/10

三、 初级代谢产物与次级代谢产物的关系/ 13

第二节　次级代谢产物的构建单位与合成途径/15

一、 氨基酸及其衍生物/15

二、 糖及氨基糖/15

三、 聚酮体及其衍生物/17

四、 甲羟戊酸及其衍生物/18

五、 环多醇和氨基环多醇/19

六、 碱基及其衍生物/20

七、 莽草酸及其衍生物/21

八、 吩嗪酮/21

第三节　次级代谢产物的生物合成过程/23

一、 构建单位的合成/23

二、 构建单位的连接/23

三、 母核合成后的修饰/23

第四节　次级代谢产物生物合成的调控/24

一、 酶合成的诱导调节/25

二、 反馈调节/25

三、 磷酸盐调节/26

四、 碳分解产物调节/29

五、 氮分解产物调节/30

六、 菌体生长速率的调节/31

七、 化学调节因子的调节/32

八、 控制次级代谢产物生物合成的因素/ 33

第三章　菌种选育的理论与技术/35

第一节　概述/35

一、 菌种选育的目的/36

二、 菌种选育的基本理论/37

第二节　自然选育/41

一、 自然选育的一般过程/41

二、 自然选育的操作方法/41

第三节　诱变育种/42

一、 常用的诱变剂/42

二、 诱变处理过程/48

三、 突变菌株高产基因的表达/59

第四节　杂交育种/59

一、 细菌的杂交育种/60

二、 放线菌的杂交育种/61

三、 霉菌的杂交育种/62

第五节　原生质体育种/63

一、 原生质体的制备/64

二、 原生质体的再生/65

三、 原生质体融合育种/65

四、 原生质体诱变育种/67

五、 原生质体再生育种/67

第六节　核糖体工程育种/68

一、 核糖体工程的作用机制/68

二、 提高代谢产物产量/68

三、 产生新的代谢产物/69

第七节　分子育种/69

一、 提高代谢产物产量/69

二、 改善代谢产物组分含量/74

三、 改进代谢产物生产工艺/75

四、 产生新的代谢产物/77

第四章　菌种保藏/80

第一节　菌种保藏的目的和管理规程/80

一、 菌种保藏的目的/80

二、 菌种保藏的管理规程/80

三、 菌种的生物安全性分类/81

四、 菌种的防护级别/81

第二节　菌种保藏的原理、方法及注意事项/ /81

一、 菌种保藏的原理/82

二、 菌种保藏的方法/82

三、 菌种保藏的注意事项/86

第三节　国内外菌种保藏机构/87

第五章　培养基/89

第一节　培养基的成分/89

一、 碳源/89

二、 氮源/91

三、 磷源和硫源/92

四、 无机离子/93

五、 生长因子/94

六、 前体/94

七、 诱导物/95

八、 促进剂和抑制剂/95

九、 水和氧气/96

第二节　培养基的种类/96

一、 合成培养基和复合培养基/96

二、 固体培养基和液体培养基/97

三、 孢子培养基、种子培养基、发酵培养基和补料培养基/97

第三节　培养基的设计、筛选与优化/ /98

一、 培养基的设计/98

二、 培养基的筛选与优化/99

第四节　影响培养基质量的因素/ 108

一、 原材料质量/ 108

二、 水质/ 109

三、 培养基的灭菌/ 110

四、 培养基的黏度/ 110

第六章　灭菌与除菌/ 111

第一节　主要的灭菌与除菌方法及原理/ 111

一、 高温灭菌/ 111

二、 过滤除菌/ 112

三、 化学消毒和灭菌/ 113

四、 其他灭菌方法/ 113

第二节　培养基和发酵设备的灭菌/ 114

一、 培养基的灭菌方法/ 114

二、 培养基灭菌的影响因素/ 117

三、 发酵罐与发酵辅助设备/ 120

四、 发酵设备的灭菌方法/ 121

第三节　空气除菌/ 122

一、 空气过滤除菌的原理/ 122

二、 空气过滤器/ 125

三、 空气过滤除菌的工艺流程/ 126

第四节　无菌检查与染菌的处理/ 128

一、 无菌检查/ 128

二、 染菌原因的分析/ 129

三、 防止染菌的要点/ 130

四、 污染杂菌的处理/ 130

五、 污染噬菌体的处理/ 131

第七章　生产种子的制备/ 133

第一节　生产种子应具备的条件与制备过程/ 133

一、 生产种子应具备的条件/ 133

二、 生产种子的制备过程/ 133

第二节　孢子的制备/ 134

一、 孢子的制备工艺/ 134

二、 孢子制备过程中的要点/ 135

第三节　种子的制备/ 136

一、 摇瓶种子的制备/ 136

二、 种子罐种子的制备/ 136

第四节　生产种子质量控制与分析/ 137

一、 影响孢子质量的因素与控制/ 137

二、 影响种子质量的因素与控制/ 139

第五节　生产种子制备实例/ 141

第八章　发酵过程与控制/ 144

第一节　概述/ 144

一、 发酵过程的复杂性/ 144

二、 发酵过程控制的必要性/ 145

三、 发酵过程控制的模式/ 145

第二节　微生物的发酵类型/ 146

一、 按投料方式分类/ 146

二、 按与氧的关系分类/ 147

三、 按发酵动力学参数的关系分类/ 148

第三节　发酵过程的工艺参数控制/ 148

一、 物理参数/ 149

二、 化学参数/ 150

三、 生物参数/ 152

第四节　发酵过程中的代谢变化/ 153

一、 初级代谢产物发酵/ 154

二、 次级代谢产物发酵/ 154

三、 代谢曲线/ 156

第五节　菌体浓度的影响及其控制/ 156

一、 影响菌体浓度的因素/ 156

二、 菌体浓度对发酵产量的影响/ 157

三、 最适菌体浓度的确定与控制/ 157

第六节　营养基质的影响及其控制/ 159

一、 碳源的影响与控制/ 159

二、 氮源的影响与控制/ 160

三、 磷酸盐的影响与控制/ 161

第七节　温度的影响及其控制/ 161

一、 温度对发酵的影响/ 161

二、 影响发酵温度变化的因素/ 162

三、 发酵温度的控制/ 163

第八节　pH 的影响及其控制/ 164

一、 pH 对发酵的影响/ 164

二、 发酵液pH 的变化/ 165

三、 发酵液pH 的确定与控制/ 165

第九节　溶解氧的影响及控制/ 167

一、 发酵过程中氧的需求/ 168

二、 氧在溶液中的传递/ 171

三、 影响供氧的因素/ 172

四、 溶解氧浓度、摄氧率和液相体积

氧传递系数的测定/ 175

五、 溶解氧的控制/ 177

第十节　发酵过程的补料控制/ 180

一、 补料的作用/ 180

二、 补料的方式和控制/ 181

第十一节　泡沫的影响及其控制/ 182

一、 泡沫的性质与类型/ 182

二、 泡沫对发酵的影响/ 182

三、 影响泡沫形成的因素/ 182

四、 泡沫的控制/ 183

五、 常用的消泡剂/ 184

六、 消泡剂的增效措施/ 185

第十二节　发酵终点的控制/ 185

一、 从有利于提高经济效益的角度考虑/ 185

二、 从有利于提高产品质量的角度考虑/ 185

第九章　基因工程菌发酵/ 187

第一节　基因工程菌概述/ 187

一、 基因工程菌的特点/ 187

二、 基因工程菌在医药领域中的应用/ 188

第二节　基因工程菌的构建/ 188

一、 目的基因的获取/ 188

二、 宿主的选择/ 190

三、 载体的选择/ 190

四、 构建重组基因工程菌/ 191

五、 外源基因表达常见的问题/ 192

第三节　 基因工程菌的生长周期与发酵动力学/ 192

一、 基因工程菌的生长周期/ 193

二、 基因工程菌的发酵动力学/ 193

三、 基因工程菌的不稳定性及其控制/ 194

第四节　基因工程菌的发酵过程控制/ 195

一、 基因工程菌发酵条件的控制/ 195

二、 基因工程菌的培养方式/ 197

三、 基因工程菌的高密度发酵技术/ 197

第五节　基因工程菌发酵过程的放大/ 199

一、 发酵过程的优化/ 199

二、 发酵设备的选型/ 200

三、 发酵过程的放大/ 201

第六节　 合成生物学——工程菌发酵

技术发展新引擎/ 202

第十章　生物催化/ 204

第一节　生物催化概述/ 204

一、 生物催化发展史/ 204

二、 生物催化的特点/ 205

三、 生物催化的常用方法与反应体系/ 207

第二节　 生物催化反应类型及其在药物合成中的应用/ 210

一、 氧化酶及其在药物合成中的应用/ 210

二、 还原酶及其在药物合成中的应用/ 217

三、 水解酶及其在药物合成中的应用/ 219

四、 氨基转移酶及其在药物合成中的应用/ 221

五、 醛缩酶及其在药物合成中的应用/ 223

六、 其他酶及其在药物合成中的应用/ 224

第三节　工业生物催化反应实例/ 224

一、 阿托伐他汀重要中间体的工业生物催化制备案例/ 224

二、 西格列汀重要中间体的工业生物催化制备案例/ 227

三、 小结与展望/ 228

第二篇　生物制药分离纯化工艺

第十一章　生物制药的分离纯化概论/ 232

第一节　 生物制药中分离纯化的重要性与技术特点/ 232

一、 生物制药中分离纯化的重要性/ 232

二、 生物制药中分离纯化的技术特点/ 232

第二节　 生物制药分离纯化的一般工业过程与单元操作/ 235

一、 生物制药分离纯化的一般工业过程/ 235

二、 生物制药分离纯化的主要单元操作及原理/ 236

三、 生物制药分离纯化方法的选择依据/ 237

第三节　生物制药分离纯化的发展方向/ 239

一、 研究、开发、完善新型和经济高效的分离纯化技术/ 239

二、 各种单元操作的结合偶联/ 240

三、 新型介质的应用/ 240

四、 生物工程上游技术和下游技术结合/ 241

第十二章　液- 固分离技术/ 242

第一节　概述/ 242

第二节　物料性质/ 242

一、 固体颗粒的性质/ 242

二、 液体的性质/ 244

三、 悬浮液的性质/ 244

第三节　过滤分离/ 245

一、 过滤的基本概念和分类/ 245

二、 滤饼过滤/ 246

第四节　离心分离/ 250

一、 离心分离的原理/ 250

二、 离心分离的操作和基本计算/ 251

三、 离心沉降设备/ 252

第五节　 液- 固分离技术在生物制药过程中的应用/ 255

一、 发酵液的过滤分离/ 255

二、 活性炭脱色后药液的过滤/ 255

三、 结晶体的过滤/ 离心分离/ 255

第十三章　膜分离法/ 257

第一节　分类和定义/ 258

第二节　表征膜性能的参数/ 258

第三节　分离机制/ 260

第四节　 膜两侧溶液间的传递方程式——浓差极化- 凝胶层模型/ 262

第五节　膜分离影响因素及应用/ 263

一、 影响膜的因素/ 264

二、 膜分离装置/ 265

三、 超滤过程的操作方式/ 267

四、 膜的污染与清洗/ 268

五、 应用举例/ 269

第十四章　溶剂萃取法/ 272

第一节　溶剂萃取法的理论基础/ 272

一、 萃取体系/ 273

二、 溶剂提取的分配定律/ 273

三、 表征溶剂提取的重要参数/ 275

四、 影响溶剂萃取的因素/ 276

第二节　工业上常用的萃取方法/ 277

一、 单级萃取/ 277

二、 多级错流萃取/ 278

三、 多级逆流萃取/ 279

第三节　乳化与破乳/ 280

一、 化学破乳法/ 281

二、 物理破乳法/ 282

三、 其他破乳方法/ 282

第四节　溶剂回收/ 283

第五节　溶剂萃取法的应用/ 283

一、 溶剂萃取法提取克拉维酸/ 283

二、 溶剂萃取法提取红霉素/ 284

三、 溶剂萃取法提取替考拉宁/ 284

四、 溶剂萃取法提取利福霉素S 和利福霉素SV/ 284

五、 溶剂萃取法提取麦考酚酸/ 284

第六节　新型溶剂萃取技术/ 285

一、 超临界流体萃取技术/ 285

二、 离子液体萃取技术/ 287

第十五章　双水相萃取法/ 290

第一节　概述/ 290

一、 水溶性高聚物相系统/ 290

二、 双水相萃取的基本概念/ 291

三、 相图/ 292

第二节　双水相萃取理论/ 294

一、 布朗运动和界面张力引起的粒子分配/ 294

二、 分配系数与活度的关系/ 295

三、 相系统的道南电位/ 295

第三节　影响双水相萃取的因素/ 296

一、 成相高聚物浓度——界面张力/ 296

二、 成相高聚物的分子量/ 297

三、 电化学分配——盐类的影响/ 297

四、 生物亲和分配/ 298

五、 疏水效应/ 300

六、 温度及其他因素/ 300

第四节　双水相萃取技术的应用/ 300

一、 双水相分配进行粒子浓缩/ 301

二、 双水相系统萃取胞内酶/ 302

三、 双水相酶法/ 302

四、 双水相萃取干扰素的工业规模实例/ 303

第五节　双水相萃取技术的发展/ 303

一、 廉价双水相系统的开发/ 303

二、 双水相亲和分配/ 304

三、 液体离子交换剂/ 304

第十六章　离子交换法/ 306

第一节　离子交换树脂的基本概念/ 306

第二节　 离子交换树脂的分类、命名及理化性能/ 307

一、 分类/ 307

二、 命名/ 311

三、 理化性能/ 312

第三节　离子交换过程的理论基础/ 317

一、 离子交换平衡方程式/ 317

二、 离子交换速度/ 319

三、 离子交换过程的运动学/ 321

第四节　离子交换过程的选择性/ 323

一、 离子的水化半径（水合离子半径）/ / 324

二、 离子的化合价/ 324

三、 溶液的pH/ 325

四、 交联度、膨胀度、分子筛/ 325

五、 树脂和交换离子之间的辅助力/ 326

六、 有机溶剂的影响/ 327

第五节　大孔离子交换树脂/ 327

第六节　树脂和操作条件的选择及应用实例/ 329

一、 树脂和最适操作条件的选择/ 329

二、 应用实例/ 330

第七节　软水和无盐水制备/ 331

一、 软水制备/ 331

二、 无盐水制备/ 331

第八节　离子交换法分离蛋白质/ 334

一、 蛋白质的离子交换平衡及动力学/ 334

二、 适用于分离纯化蛋白质的离子交换剂/ 335

三、 应用实例/ 336

第十七章　吸附分离法/ 338

第一节　吸附过程的理论基础/ 338

一、 基本概念/ 338

二、 吸附的类型/ 339

三、 吸附力的本质/ 340

四、 吸附等温线/ 341

五、 影响吸附过程的因素/ 341

第二节　大孔吸附树脂/ 342

一、 大孔吸附树脂的吸附机制/ 342

二、 大孔吸附树脂的类型和结构/ 343

三、 大孔吸附树脂法的分离过程/ 345

第三节　其他常用吸附剂/ 347

一、 硅胶/ 347

二、 活性炭/ 348

三、 氧化铝/ 348

第四节　吸附分离法的应用/ 349

一、 大孔吸附树脂法的应用/ 349

二、 硅胶吸附法的应用/ 352

三、 活性炭吸附法的应用/ 353

四、 氧化铝吸附法的应用/ 353

第十八章　沉淀分离法/ 355

第一节　概述/ 355

第二节　盐析法/ 355

一、 基本原理/ 355

二、 影响因素/ 356

三、 基本操作/ 357

第三节　有机溶剂沉淀法/ 358

一、 基本原理/ 358

二、 影响因素/ 358

三、 有机溶剂的选择/ 359

第四节　其他沉淀法/ 360

一、 有机酸沉淀法/ 360

二、 选择性变性沉淀法/ 360

三、 高聚物沉淀法/ 361

第十九章　色谱分离法/ 363

第一节　概述/ 363

第二节　凝胶色谱法/ 363

一、 基本原理及特点/ 364

二、 凝胶的特性与种类/ 365

三、 参数选择与操作过程/ 366

第三节　亲和色谱法/ 367

一、 基本原理及特点/ 367

二、 亲和介质/ 368

三、 操作及分类/ 369

第四节　疏水相互作用色谱法/ 372

一、 基本原理及特点/ 372

二、 疏水分离介质/ 373

三、 影响因素/ 374

四、 疏水相互作用色谱法操作/ 375

五、 疏水相互作用色谱法应用/ 375

第五节　其他色谱技术/ 376

一、 制备型超临界流体色谱法/ 376

二、 逆流色谱法/ 377

三、 置换色谱法/ 377

四、 径向色谱法/ 378

第二十章　结晶/ 380

第一节　结晶过程及理论基础/ 380

一、 结晶过程是表面化学反应过程/ 380

二、 结晶过程/ 381

三、 影响结晶过程的因素/ 385

第二节　提高晶体质量的途径/ 386

一、 晶体大小/ 387

二、 晶体形状/ 389

三、 晶体纯度/ 390

第三节　结晶方法及应用/ 391

一、 蒸发法/ 391

二、 温度诱导法/ 392

三、 化学反应法/ 392

四、 溶析法/ 392

五、 等电点法/ 393

六、 共沸蒸馏法/ 394

七、 复合法/ 395

八、 重结晶/ 396

参考文献/ 398