¿Cuáles son los métodos de extracción y separación en la tecnología biofarmacéutica?
Tecnología farmacéutica microbiana
La tecnología microbiana industrial es un apoyo importante para el desarrollo sostenible y la base tecnológica fundamental para resolver crisis de recursos, crisis del medio ambiente ecológico y transformar las industrias tradicionales. El desarrollo de microorganismos industriales ha permitido que la biotecnología moderna penetre en casi todos los campos industriales, incluidos la medicina, la agricultura, la energía, la industria química, la protección del medio ambiente, etc., y desempeñe un papel importante. Países como Europa, Estados Unidos y Japón han formulado planes estratégicos en diversos grados para reemplazar los procesos químicos con procesos biológicos en las próximas décadas. Se puede ver que la tecnología microbiana industrial juega un papel importante en el futuro proceso de desarrollo social.
La tecnología farmacéutica microbiana es el componente más importante de la tecnología microbiana industrial. La utilización de fármacos microbianos se inició con los conocidos antibióticos, que generalmente se definen como: productos microbianos y sus derivados que inhiben o afectan selectivamente otras funciones biológicas en bajas concentraciones. (Algunas personas han sugerido que sustancias con la misma actividad fisiológica derivadas de animales y plantas, como pescatina, alicina, berberina, etc., también deberían incluirse en la categoría de antibióticos. Sin embargo, la mayoría de los estudiosos creen que el concepto tradicional de Los antibióticos aún deben limitarse al metabolismo secundario de los microorganismos.) En los últimos años, debido al desarrollo de las ciencias biológicas básicas y la aplicación de diversas biotecnologías nuevas, se ha informado de un número cada vez mayor de sustancias bioactivas producidas por microorganismos distintos. antiinfecciosos y antitumorales, como inhibidores de enzimas específicos. Las actividades de los inmunomoduladores, antagonistas de receptores y antioxidantes han excedido el alcance de inhibir las actividades vitales de ciertos microorganismos. Sin embargo, todas estas sustancias son metabolitos secundarios de microorganismos. Tienen las mismas características que los antibióticos en términos de mecanismos biosintéticos, procedimientos de investigación de detección y procesos de producción. Sin embargo, obviamente es inapropiado llamarlos antibióticos colectivamente, por lo que no se utilizarán. Algunos estudiosos se refieren a estos metabolitos secundarios fisiológicamente activos (o farmacológicamente activos) producidos por microorganismos como fármacos microbianos. La tecnología de producción de medicamentos microbianos es la tecnología farmacéutica microbiana. Se puede considerar que incluye cinco aspectos:
El primer aspecto es la adquisición de cepas
Según la información, obtenerla directamente de instituciones de investigación científica, colegios y universidades, fábricas o departamentos de preservación de cepas o Compra; aislar y detectar nuevas cepas microbianas de la naturaleza.
Ideas de aislamiento: la separación de nuevas cepas requiere el uso de varios métodos de detección para seleccionar de forma rápida y precisa las cepas requeridas a partir de tipos mixtos de microorganismos de acuerdo con los requisitos de producción y las características de la cepa. Si las cepas bacterianas utilizadas en los laboratorios o en la producción se contaminan accidentalmente con bacterias diversas, se deben separar y purificar nuevamente. La operación de separación específica se lleva a cabo desde los siguientes aspectos.
Definición de un plan: Primero, verifique la información para comprender las características de crecimiento y cultivo de las cepas requeridas.
Muestreo: Recoge muestras de forma específica.
Proliferación: Controlar artificialmente los nutrientes o las condiciones de cultivo para hacer que las especies bacterianas deseadas proliferen y se cultiven con una ventaja numérica.
Aislamiento: Utilizar tecnología de aislamiento para obtener razas puras.
Medición del rendimiento de fermentación: Realizar medición del rendimiento de producción. Estas características incluyen morfología, características culturales, requisitos nutricionales, características fisiológicas y bioquímicas, ciclo de fermentación, variedad y rendimiento del producto, tolerancia máxima a la temperatura, temperatura óptima para el crecimiento y la fermentación, valor de pH óptimo, proceso de extracción, etc.
El segundo aspecto es la obtención de cepas de alto rendimiento.
Las cepas utilizadas para la producción industrial han sido seleccionadas y mejoradas. El mejoramiento de cepas industriales es una transformación multifacética de una cepa utilizada con fines biotecnológicos específicos utilizando principios y técnicas genéticas. Mediante la modificación, se pueden fortalecer los buenos rasgos existentes, se pueden eliminar los rasgos indeseables o se pueden agregar nuevos rasgos.
Métodos de mejora de cepas industriales: mutagénesis, transferencia de genes y recombinación genética.
El proceso de mejoramiento incluye los siguientes tres pasos: (1) Introducción de genotipos beneficiosos sin afectar la viabilidad de la cepa. (2) Selección de genotipos deseados. (3) Evaluación de cepas mejoradas (incluyendo escala experimental y escala de producción industrial).
Factores que deben considerarse de manera integral al seleccionar un método de reproducción (1) La naturaleza de los rasgos a mejorar y su relación con el proceso de fermentación (como pruebas de fermentación continua o por lotes); La investigación sobre esta cepa específica. El grado de comprensión de la genética y la bioquímica. (3) Costos económicos.
Si sabe poco sobre las características básicas de una cepa específica y su proceso, lo más probable es que utilice técnicas como la mutagénesis aleatoria, la detección y la reproducción. Si tiene un conocimiento profundo de sus características genéticas y bioquímicas, podrá seleccionar genes. La reproducción direccional se lleva a cabo mediante recombinación y otros medios.
Ideas específicas para mejorar las cepas industriales: (1) Elevar o evitar el paso limitante de la velocidad en la vía metabólica (aumentar el contenido de la enzima limitante de la velocidad aumentando el número de copias de un gen específico o aumentando la capacidad de expresión del gen correspondiente); Derivar nuevos pasos metabólicos en la vía metabólica, proporcionando así una vía metabólica de derivación) (2) Aumentar la concentración de precursores. (3) Cambiar las rutas metabólicas, reducir la generación de subproductos inútiles y mejorar la tolerancia de las cepas bacterianas a altas concentraciones de sustratos, precursores o productos potencialmente tóxicos. (4) Inhibir o eliminar las enzimas que descomponen el producto. (5) Mejorar la capacidad de las cepas bacterianas para secretar productos. (6) Eliminar la inhibición por retroalimentación de los productos metabolitos. Como inducir resistencia a análogos estructurales de productos de metabolitos.
Parte 3: Tecnología de preservación de cepas
Cultivo de transferencia o preservación de subcultivo inclinado;
Conservación a temperatura ultrabaja o congelada en nitrógeno líquido; p> Los portadores como tierra o perlas de cerámica se secan y conservan.
Parte 4: Determinación de las condiciones del proceso de fermentación
Fuentes nutricionales de microorganismos
Energía, bacterias autótrofas: luz, tiamina, nitrito, sal ferrosa. Bacterias heterótrofas: carbohidratos y otras materias orgánicas, petróleo y gas y productos petroquímicos, como el ácido acético.
Fuente de carbono, gas de ácido carbónico; azúcar hidrolizado de almidón, melaza, líquido residual de pulpa de sulfito, etc., petróleo, parafina normal, gas natural, ácido acético, metanol, etanol y otros productos petroquímicos.
Fuente de nitrógeno, torta de soja o hidrolizado de crisálida de gusano de seda, líquido residual de glutamato monosódico, licor de maceración de maíz, agua de grano de destilería y otro nitrógeno orgánico, urea, sulfato de amonio, amoníaco, nitrato y otro nitrógeno inorgánico, nitrógeno gaseoso
Sales inorgánicas, fosfatos, sal de potasio, sal de magnesio, sal de calcio y otras sales minerales, hierro, manganeso, cobalto y otros oligoelementos, etc.
Factores especiales de crecimiento, tiamina, biotina, ácido paraaminobenzoico , inositol, etc.
Determinación del medio de cultivo
(1) En primer lugar, se deben realizar investigaciones e investigaciones para comprender la fuente de las bacterias, los hábitos de vida, los aspectos fisiológicos y bioquímicos. Características y requerimientos nutricionales generales. La producción industrial utiliza principalmente cuatro tipos principales de microorganismos: bacterias, actinomicetos, levaduras y mohos. Sus requerimientos nutricionales son únicos y tienen sus propias características. La composición del medio de cultivo debe considerarse en función de las características fisiológicas de los diferentes tipos de microorganismos.
(2) En segundo lugar, también es necesario comprender las condiciones de cultivo de las cepas de producción, las rutas metabólicas de la biosíntesis, las propiedades químicas, las estructuras moleculares de los metabolitos, los métodos generales de extracción y los requisitos de calidad del producto, para que En cuanto a tener en cuenta a la hora de elegir un medio de cultivo.
(3) Es mejor elegir un mejor medio de cultivo de síntesis química como base y hacer algunos experimentos en matraces agitados al principio, luego realizar un cultivo en tanques de fermentación pequeños para explorar los efectos de las cepas en varias de las principales; Utilización de fuentes de carbono y nitrógeno y capacidad de producir metabolitos. Preste atención a los cambios de pH durante el proceso de cultivo, observe dos valores de pH diferentes adecuados para el crecimiento y reproducción bacteriana y adecuados para la formación de metabolitos, y ajuste constantemente la proporción para adaptarse a las situaciones anteriores.
(4) Tenga en cuenta que solo se permite una condición de cambio a la vez. Después de obtener los resultados preliminares, primero determine la proporción del medio de cultivo.
En segundo lugar, determine el impacto de varios iones metálicos y no metálicos importantes en la fermentación, es decir, los requisitos nutricionales de diversos elementos inorgánicos, y pruebe sus cantidades más altas, más bajas y más adecuadas. Después de obtener ciertos resultados en el medio sintético, realice la prueba del medio compuesto. Finalmente, se probó la relación entre diversas condiciones de fermentación y medios de cultivo. El pH en el medio de cultivo se puede ajustar agregando carbonato de calcio, y también se pueden usar otros como nitrato de sodio y sulfato de amonio para ajustar.
(5) Algunos productos de fermentación, como antibióticos, etc., además de preparar el medio de cultivo, también necesitan utilizar un método de alimentación intermedio para controlar adecuadamente el metabolismo del carbono y el nitrógeno mientras se agregan varios tipos. de productos químicos de forma intermitente. Los nutrientes y sustancias precursoras guían la fermentación hacia el camino de los productos sintéticos.
(6) Seleccionar las materias primas para la base de pedo en función de los beneficios económicos.
Considerar el ahorro económico, utilizar la menor cantidad o ningún alimento básico posible, esforzarse por ahorrar alimentos o utilizar otros Materias primas para sustituir los alimentos. Los azúcares son la principal fuente de carbono.
Los sustitutos de las fuentes de carbono buscan principalmente almidón vegetal e hidrolizados de fibra, utilizan melaza residual para reemplazar el almidón, dextrina y glucosa, y utilizan glucosa industrial para reemplazar la glucosa comestible. La fermentación microbiana del petróleo como fuente de carbono también puede producir fermentación utilizando granos como fuente de carbono. producto de carbono. El objetivo principal de ahorrar y reemplazar las fuentes de nitrógeno orgánico es reducir o reemplazar materias primas ricas en proteínas, como el polvo de torta de soja, el polvo de torta de maní, la peptona comestible y la levadura en polvo. Las materias primas sustitutas pueden ser polvo de torta de semilla de algodón, licor de maceración de maíz. polvo de crisálida de gusano de seda, harina de pescado variada, jarabe amarillo o jugo de salvado, levadura alimentaria, levadura de petróleo, pegamento para huesos, bacterias, granos de destilería y diversos restos de la industria alimentaria, etc. La mayoría de estos sustitutos son ricos en proteínas, de bajo precio, fáciles de obtener localmente y fáciles de transportar.
Determinación del proceso de cultivo:
Condiciones de cultivo: temperatura, valor de pH, oxígeno, edad de la semilla, cantidad de inóculo, temperatura
Los métodos de cultivo de microorganismos industriales se dividen en Hay dos tipos principales: cultivo estático y cultivo de aireación.
El método de cultivo estático consiste en poner el medio de cultivo en un recipiente de fermentación. Después de la inoculación, se realiza la fermentación sin aire, lo que también se denomina fermentación anaeróbica. Las cepas de producción del método de cultivo aeróbico son en su mayoría bacterias aeróbicas y aerobias facultativas. El ambiente en el que crecen debe recibir aire para mantener un cierto nivel de oxígeno disuelto para que las bacterias puedan crecer y fermentar rápidamente. fermentación.
Los métodos de cultivo estático y de aireación se pueden dividir en dos tipos: cultivo líquido y cultivo sólido, y cada tipo se puede dividir en cultivo superficial y cultivo profundo.
Acerca del cultivo líquido sumergido:
Utilice un tanque de fermentación líquido sumergido para ventilar desde el fondo del tanque, y las palas agitadoras dispersan el aire entrante en pequeñas burbujas para promover la disolución del oxígeno. Este método de cultivo de aireación y agitación en el fondo del tanque se denomina método de cultivo profundo en comparación con el método de cultivo superficial que disuelve el oxígeno mediante difusión natural en la interfaz aire-líquido. La característica es que es fácil seleccionar las mejores condiciones de cultivo de acuerdo con los requerimientos nutricionales metabólicos de las cepas de producción y la ventilación, agitación, temperatura y concentración de iones de hidrógeno en el medio de cultivo en diferentes períodos fisiológicos.
Tres puntos de control para las operaciones básicas del cultivo profundo.
① Esterilización: La industria de la fermentación requiere un cultivo puro, por lo que el medio de cultivo debe calentarse y esterilizarse antes de que comience la fermentación. Por lo tanto, el tanque de fermentación tiene una camisa de vapor para calentar y esterilizar el medio de cultivo y el tanque de fermentación, o el medio de cultivo se esteriliza mediante un esterilizador de calentamiento continuo y se transporta continuamente al tanque de fermentación. ② Control de temperatura: después de esterilizar el medio de cultivo, se enfría a la temperatura de cultivo para la fermentación. Como la proliferación y fermentación de microorganismos generará calor, agitación, etc., para mantener una temperatura constante, se debe hacer circular agua de enfriamiento. a través de la chaqueta. ③Ventilación y agitación: antes de que el aire ingrese al tanque de fermentación, primero debe eliminar diversas bacterias a través de un filtro de aire para producir aire estéril, luego ingresar desde el fondo del tanque y luego dispersar el aire en pequeñas burbujas mediante agitación. Para prolongar el tiempo de residencia de las burbujas, se pueden instalar deflectores en el tanque para crear vórtices. Además de disolver el oxígeno, el propósito de la agitación es dispersar uniformemente los microorganismos en la solución de cultivo en el tanque de fermentación, promover la transferencia de calor y dispersar uniformemente el ácido y el álcali agregados para ajustar el pH.
Parte 5: Separación y extracción de productos de fermentación
Método de extracción:
Filtración
Centrifugación y sedimentación
Disrupción celular
Extracción
Adsorción e intercambio iónico
Separación cromatográfica
Precipitación (salación, precipitación con disolventes orgánicos, puntos isoeléctricos, etc.)
Separación por membrana
Cristalización
Secado
Varias cuestiones a tener en cuenta en el proceso de separación y extracción:
Calidad del agua
Eliminación de fuentes de calor (filtración por succión con placa de amianto, adsorción de carbón activado, columna de intercambio iónico)
Recuperación de disolventes
Tratamiento de residuos
Seguridad biológica