Tiểu luận môn học Công nghệ lên men Đề tài :Nghiên cứu quy trình sản xuất Penicillin

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC Tiểu luận mơn học Cơng nghệ lên men Đề tài :Nghiên cứu quy trình sản xuất Penicillin GVHD : Cô Nguyễn Thúy Hương LỚP :HC07BSH SVTH : Tieu luan Phần II : Nội dung I.TỔNG QUAN VỀ CHẤT KHÁNG SINH : Sự phát triển vi sinh vật học nói chung, vi sinh vật cơng nghiệp nói riêng, với bước ngoặc lịch sử phát minh vĩ đại chất kháng sinh Alexander Fleming (1928) mở kỷ nguyên y học: khai sinh ngành công nghệ sản xuất chất kháng sinh ứng dụng thuốc kháng sinh vào điều trị cho người Thuật ngữ "chất kháng sinh" lần Pasteur Joubert (1877) sử dụng để mơ tả tượng kìm hãm khả gây bệnh vi khuẩn Bacillus anthracis động vật nhiễm bệnh tiêm vào động vật số loại vi khuẩn hiếu khí lành tính khác Nicolle (1907) người phát hoạt tính kháng khuẩn Bacillus subtilis có liên quan đến q trình hình thành bào tử loại trực khuẩn Gratia đồng nghiệp (1925) tách từ nấm mốc chế phẩm sử dụng để điều trị hiệu bệnh truyền nhiễm da cầu khuẩn Mặc dù vậy, tới năm 1929 thuật ngữ " Chất kháng sinh" Alexander Fleming mô tả cách đầy đủ thức báo cáo chi tiết penicillin Thập kỷ 40 50 kỷ XX ghi nhận bước tiến vượt bậc ngành công nghệ sản xuất kháng sinh non trẻ, với hàng loạt kiện : -Khám phá hàng loạt chất kháng sinh, thí dụ Griseofulvin (1939), gramicidin S (1942) , Streptomycin (1943), bacitracin (1945), cloramphenicol polymicin (1947), clotetracyclin Cephalosporin (1948), neomycin (1949), oxytetracyclin nystatin (1950), erythromycin (1952), cycloserin (1954), amphotericin B Vancomycin (1956), metronidazol, kanamycin rifamycin (1957) -Áp dụng phối hợp kỹ thuật tuyển chọn tạo giống tiên tiến (đặc biệt kỹ thuật gây đột biến, kỹ thuật dung hợp tế bào, kỹ thuật tái tổ hợp gen ) tạo biến chủng cơng nghiệp có lực "siêu tổng hợp" chất kháng sinh cao gấp hàng vạn lần chủng ban đầu -Triển khai thành công công nghệ lên men chìm quy mơ sản xuất cơng nghiệp để sản xuất Penicillin G (1942) việc hồn thiện cơng nghệ lên men sản phẩm khác Tieu luan -Việc phát hiện, tinh chế sử dụng axit - aminopenicillanic (6-APA, 1959) làm nguyên liệu để sản xuất chất kháng sinh penicilin bán tổng hợp cho phép tạo hàng loạt dẫn xuất penicilin số kháng sinh β - lactam bán tổng hợp khác 1.Khái niêm chất kháng sinh: Kháng sinh chất có nguồn gốc vi sinh vật, bán tổng hợp hay tổng hợp Với liều điều trị kháng sinh có tác dụng kìm hãm tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh nồng độ thấp Một số kháng sinh có tác dụng ngăn cản phát triển tế bào ung thư So với thuốc sát khuẩn, thuốc kháng sinh độc với thể kháng sinh có khả ức chế chọn lọc số khâu trình phát triển vi khuẩn gây bệnh Tuy nhiên kháng sinh chất vô hại thể, số kháng sinh gây độc với gan thận , hệ thống tạo máu gây rối loạn tiêu hóa… Cơ chế tác dụng: Cơ chế tác dụng lên vi sinh vật gây bệnh ( hay đối tượng gây bệnh khác - gọi tắt mầm bệnh) chất kháng sinh thường mang đặc điểm riêng, tùy thuộc vào chất kháng sinh đó; đó, kiểu tác động thường gặp làm rối loạn cấu trúc thành tế bào, rối loạn chức điều tiết trình vận chuyển vật chất màng tế bào chất, làm rối loạn hay kiềm toả trình sinh tổng hợp protein, rối loạn trình tái ADN, tương tác đặc hiệu với giai đoạn định chuyển hóa trao đổi chất (hình 1) Hình Vị trí tác dụng số chất kháng sinh Tieu luan Đơn vị kháng sinh: Năng lực tích tụ kháng sinh chủng hay nồng độ chất kháng sinh thường biểu thị đơn vị : mg/ml, μg/ml, hay đơn vị kháng sinh UI/ml (hay UI/g, International Unit) Đơn vị kháng sinh định nghĩa lượng kháng sinh tối thiểu pha thể tích quy ước dung dịch có khả ức chế hoàn toàn phát triển chủng vi sinh vật kiểm định chọn ; thí dụ, với penicillin số miligam penicillin pha vào 50 ml môi trường sử dụng Staphylococcus aureus 209P làm chủng kiểm định Hoạt tính kháng sinh đặc hiệu: Hoạt tính kháng sinh đặc hiệu đặc tính cho thấy lực kìm hãm hay tiêu diệt cách chọn lọc chủng vi sinh gây bệnh, không gây hiệu ứng phụ ngưỡng cho phép người bệnh điều trị Đặc tính biểu thị qua hai giá trị: Nồng độ kìm hãm tối thiểu (Minimun Inhibitory Concentration - Viết tắt MIC) nồng độ diệt khuẩn tối thiểu (Minimun Bactericidal Concentration - Viết tắt MBC), xác định đối tượng vi sinh vật gây bệnh kiểm định lựa chọn tương ứng cho chất kháng sinh 5.Hiện tượng kháng thuốc : 5.1 Hiện tượng kháng thuốc: Hiện tượng mầm bệnh cịn sống sót sau điều trị kháng sinh gọi tượng kháng thuốc (trên phương diện kiểm nghiệm, vi sinh vật gây bệnh coi kháng thuốc nồng độ MIC chất kháng sinh kiểm nghiệm in vitro đối tượng cao nồng độ điều trị tối đa cho phép bệnh nhân 5.2 Nguyên nhân tượng kháng thuốc: - Việc sử dụng loại kháng sinh kéo dài lạm dụng thuốc kháng sinh (tuỳ tiện sử dụng thuốc không liều lượng, không định không đủ thời gian cần thiết) vơ tình tạo ưu phát triển cạnh tranh cho chủng vi sinh vật có khả kháng thuốc - Xu sử dụng tuỳ tiện chất kháng sinh chăn nuôi, đặc biệt bổ sung vào chế biến thức ăn gia súc, gia cầm ni lấy thịt, trứng, sữa Khi đó, ngồi tác dụng có lợi dự kiến, chất kháng sinh bổ sung tạo môi trường phát triển chọn lọc cho chủng mang yếu tố kháng thuốc R động vật nuôi Khi sử dụng Tieu luan thịt, trứng, sữa chúng làm nguyên liệu chế biến, chủng kháng thuốc kéo theo vào sản phẩm thực phẩm Kết người tiêu dùng sử dụng thực phẩm này, mặt họ phải tiếp nhận phần dư lượng kháng sinh sản phẩm; mặt khác, nguy hiểm loại vi sinh vật kháng thuốc sản phẩm thực phẩm thuộc nhóm có ưu tồn tại, phát triển cao 5.3 Cách khắc phục : Khắc phục tượng kháng thuốc vi sinh vật gây bệnh: giải pháp trực quan đơn giản sử dụng dạng kháng sinh Tuy nhiên, việc tìm kiếm, phát sản xuất kháng sinh khối lượng công việc khổng lồ, tiêu tốn nhiều thời gian, nhân lực tiền bạc Trước hết cần triệt để tôn trọng ba nguyên tắc sử dụng thuốc kháng sinh là: -Chỉ định điều trị kháng sinh (làm kháng sinh đồ để chọn kháng sinh thích hợp để định điều trị; dùng thuốc liều, phác đồ, đủ thời gian điều trị; ý phát sớm dấu hiệu kháng thuốc); -Không lạm dụng kháng sinh chưa cần thiết (khơng lạm dụng "điều trị phịng ngừa" thuốc kháng sinh, nghiêm cấm bệnh nhân tự định điều trị thuốc kháng sinh thay bác sĩ); -Nghiêm cấm sử dụng tràn lan chất kháng sinh chăn nuôi giám sát chặt chẽ việc sử dụng kháng sinh thú y II CHẤT KHÁNG SINH PENICILLIN : 1.Lịch sử phát sản xuất Penixillin : Người phát kháng sinh A Fleming Năm 1928, nghiên cứu vi sinh vật gây bệnh , ông tình cờ phát VSV gây bệnh bị tiêu diệt loại nắm sợi màu xanh xám , ông trích li dịch nhỏ lên khuẩn lạc vi khuẩn gây bệnh, kết VSV bị chết Nấm tạo nên chất tiêu diệt vi sinh vật Penicillium Chất nấm tiết gọi Penicillin Một năm sau ông công bố kết nghiên cứu không quan tâm đến Đến năm 1938, Howard Florey, Ernst Chain, Norman Heatley đưa Penicillin vào sản xuất thử Vào năm 1940, Dorothy Hodkin xác định cấu trúc phân tử Penicillin Tieu luan 1942: Mary Hunt tuyển chọn chủng công nghiệp Penicillium chrysogenum NRRL 1951 (1943) sau biến chủng P chrysogenum Wis Q - 176 (chủng xem chủng gốc hầu hết chủng cơng nghiệp sử dụng tồn giới) thành công việc điều chỉnh đường hướng trình lên men để lên men sản xuất penicillin G (bằng sử dụng tiền chất Phenylacetic, 1944) Năm 1959, nhà khoa học Anh Mĩ tách axit 6-aminopenicillanic Đây nguyên liệu để sản xuất hàng loạt chế phẩm penicillin bán tổng hợp khác Ngày giới sản xuất 500 chế phẩm penicillin ( lên men trực tiếp hai sản phẩm penicillin V penicillin G) tiếp tục triển khai để sản xuất chế phẩm penicillin bán tổng hợp khác Tình hình sản xuất penicillin giới : Thuốc kháng sinh chiếm khoang 30% thị phần dược phẩm giới Các tập đoàn dược phẩm Mỹ, Anh, Nhật Bản , Italia, Hà Lan, Ấn Độ…chiếm vị trí hang đầu lĩnh vực Ví dụ : Cơng ty DSM có trụ sở thành phố Delf (Hà Lan) sản lượng hàng năm 15000 Penicillin chiếm 30% sản lượng loại thuốc giới -Lịch sử tuyển chọn chủng công nghiệp P chrysogenum Vào năm đầu, việc nghiên cứu sản xuất penicillin thường sử dụng chủng có hoạt lực cao thuộc lồi P notatum P baculatum Nhưng từ trường đại học Wisconsin (Mỹ) phân lập chủng P.chrysogenum có hoạt tính cao chủng thay từ khoảng Tieu luan sau năm 50 kỷ XX đến tất công ty sản xuất penicillin giới sử dụng biến chủng P.chrysogenum công nghiệp Việc tuyển chọn chủng công nghiệp để lên men sản xuất penicillin nguyên tắc trải qua sáu giai đoạn bản, giải pháp kỹ thuật áp dụng hiệu để thu nhận biến chủng "siêu tổng hợp" penicillin lại kỹ thuật gây đột biến thường như: xử lý tia Rơn - ghen, xử lý tia cực tím tạo đột biến hố chất, thí dụ Metylbis – amin(metyl -2-β-clo- etylamin), N-mustar (tris - βclo- etylamin), Sarcrolyzin, HNO2, Dimetylsulfat, 1,2,3,4 -diepoxybutan 3.Tính chất hóa lý penixillin : Tính chất vật lý: Các penicillin dạng muối dạng acid bột trắng không mùi tinh khiết Phổ UV: đa số nhóm R acyl hóa 6-APA vịng thơm nên cho phổ hấp thu vùng UV ứng dụng Phổ IR: vùng 1600 – 1800 cm-1 có đỉnh đặc trưng nhóm sau : -Nhóm lactam 1760 1730 cm-1 -Chức carboxyl khoảng 1600 cm-1 -Nhóm chức amid ngoại vịng 1700 1650 cm-1 Bình thường penicillin có trọng lượng phân tử 313 đến 334 g / mol ( penicillin G) Penicillin với nhóm phân tử đính kèm thêm có khối lượng phân tử khoảng 500 g / mol Ví dụ, cloxacillin có khối lượng mol 476 g / mol dicloxacillin có khối lượng mol 492 g / mol Tính chất hóa học: Các penicillin có khả tạo muối natri kali tan nước, muối kim loại nặng ( vi dụ muối Cu2+) khơng tan kích thích phân hủy Các penicillin có khả tạo muối với amin: Tieu luan -Tạo penicillin thủy giải chậm ( tác động trễ) procain penicillin ( tác động kéo dài từ 24 – 48h), benethamin penicillin ( tác động kéo dài thừ – ngày), benzathin penicillin ( tác động kéo dài – tuần) -Một số có tính base ví dụ aminosid, alkaloid trộn chung với penicillin ống tiêm gây kết tủa -Các penicillin có khả tạo este, tiền chất có khả phóng thích kháng sinh invivo Tính khơng bền vịng beta lactam: Sự phân hủy mơi trường kiềm: pH = có tần cơng ion OH- carbonyl lactam gây mở vịng theo qui luật chung, cuối có tạo thành acid penicilloic, decarboxyl xảy để tạo acid peniloic Nếu môi trường có diện muối kim loại nặng ( Zn2+, Cd2+, Pb2+ Hg2+) làm cho acid peniciloic bị phân hủy thành carbinolamin không bền, chất tiếp tục bị phân hủy tạo D-penicillamin acid penaldic.Acid penaloic đền lượt bị decarboxyl hóa để trở thành penicillo-aldehyd Sự alcol phân amino phân: vòng beta lactam nhạy với số tác nhân nhân khác với xúc tác ion kim loại nặng: Cu2+, Zn2+, Sn2+ Sự phân hủy môi trường acid: diện ion H+, tần cơng điện tử nguyện tử S, kích thích mở vịng lactam vịng thiazolidin, tái xếp để tạo thành cấu trúc oxazolic cua acid penicillenic Cuối cùng, môi trường acid tạo thành acid penillic Ngồi vịng lactam bị mở lactamase tiết từ vi khuẩn Phân loại Penixillin : - Đặc diểm chung : Penixillin dẩn xuất 6-aminopenixilamic gồm vịng thiazolidin vịng beta-lactam Tieu luan -Cơng thức chung penixillin : - - Khi thay H kim loại kiềm kiềm thổ penixillin dễ tan nước (như Na, K, Ca …) - Vịng beta-lactam yếu tố định hoạt tính kháng sinh - Khi thay R gốc khác penixillin có tác dụng khác Dựa vào nguồn gốc xếp penixillin vào nhóm : -Penixillin nhóm I :gồm penixillin tự nhiên chiết xuất từ môi trường nuôi cấy nấm penixillium notatum P chrysogenum penixillin G penixillin V Các penixillin hấp thu nhanh thải trừ khỏi thể nhanh nên thời gian tác dụng ngắn Muốn kéo dài tác dụng phải dung dẫn xuất chúng procain benzyl penixillin (kéo dài 24 h) benzathin benzyl penixillin ( kéo dài tuần ) Các penixillin chậm dung để tim bắp khơng tiêm tỉnh mạch -Penixillin nhóm II : Gồm dẫn xuất penixillin bán tổng hợp có phổ kháng khuẩn hẹp Penixillin G có khả kháng penixilinase dùng để chữa bệnh nhiễm khuẩn tụ cầu kháng penixillin nhóm I methycylin, cloxaxilin - Penixilin nhóm III : Gồm penixillin bán tổng hợp phổ rộng, không kháng penixilase nhung kháng vi khuẩn Gram(-) mà penixillin nhóm II tác dụng bền vững mơi trường dịch vị nên dung để uống ampixillin, amoxycilin Tieu luan Tieu luan