第三章 生物制药工艺技术的发展
第一节 生物制药工艺的发展
一、生物药物类型与品种的发展
（一）生化药物
1.治疗酶与诊断用酶
（ 1）超氧化物歧化酶（ SOD）
抗炎、抗辐射、抗衰老
（ 2）凝血酶
（ 3） L－天冬酰胺酶
（ 4）尿激酶
（ 5） PEG－腺苷脱氨酶 （治疗免疫缺陷症）
（ 6） β－半乳糖苷酶（用于生产无糖牛奶）
2.核苷和核苷酸类药物
（ 1）叠氮脱氧胸苷（ AZT）（治疗爱滋病）
(2)丙氧鸟苷（ DHPG）（抗病毒）
3.多糖类药物
（ 1）肝素钙与小分子量肝素 （抗凝血）
（ 2）透明质酸（化妆品，关节炎）
4.蛋白质与多肽类药物
（ 1）水蛭素（抗凝血，防血栓）
（ 2）转移因子（如牛脾转移因子，胎盘转移因子等，免疫）
（ 3）胸腺制剂（抗肝炎，免疫）
（ 4）肝细胞生长因子（治疗肝炎）
5.脂类药物（ β－胡萝卜素,EPA,DHA）
（二）基因工程药物
（ 1）乙肝疫苗
（ 2）人白细胞干扰素（ IFN）
（ 3）基因工程人胰岛素
（ 4）人白细胞介素（ IL－ 2）
（ 5）人生长激素（ hGH）
（ 6）人组织纤溶酶原激活剂（ htPA）
（ 7）人促红细胞生成素（ hEPO）
（ 8）细胞集落刺激因子（ CSFs）
（三）细胞工程产品
主要动物细胞培养产品有,α干扰素,γ干扰素,EPO,IL
－ 2及尿激酶等；植物细胞培养产品：罗汉果，洋地黄，
延胡索，人参，贝母，紫杉，紫草组织培养等。
各种单克隆抗体。
二、生化分离制备技术的发展
（一）生物反应器
生物反应器包括微生物细胞大规模培养的发酵罐和动物细胞大
规模的培养罐及用于固定化酶或固定化细胞进行连续自动化
转化生化物质的各种生物催化反应器。
用于微生物细胞培养的生物反应器：
搅拌通气的反应器
气升式反应器
喷射自吸式反应器
用于多糖及脂肪酶发酵生产的 离心式生物反应器
用于乳酸发酵的 螺旋管式连续发酵
连续培养 光合细胞的反应器
动物细胞培养器
用于固定化酶或固定化细胞生物反应器采用 固定床和沸腾床 。
（二）生物药物下游加工技术
错流超滤，高效液相色谱，亲和色谱，色层层析等。
快速蛋白液相色谱系统。
（三）膜分离技术
超滤技术，已用于酶发酵工业的纯化和浓缩。
三、生物工程技术在生物制药工业中的应用
（一）酶工程技术
第一代酶 — 酶制剂
第二代酶 — 固定化酶
第三代酶 — 固定化多酶（包含辅因子再生系统）
1.酶的固定化方法
酶的固定化方法有下述 4种：吸附法，包埋法，共价键结
合法，交联法
E
E
E
E
E
E
E
E
E
E
E
E
E E
E E
EEE
吸附法 共价结合法 交联法 包埋法
（ 1）吸附法
吸附法分为物理吸附法与离子吸附法。用物理吸附法制
成固定化酶，酶活力损失很少，但吸着在载体上的酶，
易于脱落，使用价值少。
离子吸附法是将酶与含有离子交换剂的水不溶性载体结
合，酶吸附于载体上较为牢固，在工业上用途颇广。
离子吸附法常用的载体有：
1)阴离子树脂，如 DEDA-C,ECTEOLA-纤维素,TEAE－
纤维素,DEAE－葡聚糖凝胶,Amberlite CG－ 50,IRC
－ 50,IR－ 120,IR－ 200,Dowex－ 50等。
例,DEAE－ Sephadex A-25 吸附氨基酰化酶
（ 2）包埋法
包埋法系将酶包埋于凝胶或高分子聚合物网格内，网格
可以防止酶的渗出，底物仍能渗入网格内与酶相接触。
包埋法的优点是酶分子本身不参与水不溶性网格的形
成，许多酶都可用此法固定化。其操作简单，酶分子
只是被保埋起来，而未受到化学反应，因此固定化酶
表现活力较高。
常用的报埋剂有聚丙烯酰胺，卡拉胶，淀粉凝胶，三醋
酸纤维素，海藻酸，胶原，血纤维，大豆蛋白等。
例：卡拉胶保埋细胞生产苹果酸
（ 3）共价键结合法
共价键结合法是通过化学反应使酶与聚合物载体共价偶
联。酶与载体共价结合的功能团包括氨基，羧基，酚
羟基，巯基，羟基，咪唑基。
常用共价键结合法有：重氮化法，烷基化和芳基化法，
戊二醛结合反应法，钛螯合法，硫醇－二硫化物的互
换反应等。 固定化糖化酶
（ 4）肽键结合法
该法主要将含羧基的水不溶性载体变成酰基叠氮，异氰酸
盐，卤化物等衍生物，再使这些衍生物与酶的游离氨基进行反
应，形成肽键。
（ 5）交联法
交联法是使用双功能或多功能试剂与酶分子之间进行分子
间的交联反应的固定化方法。由于酶蛋白的功能基团，如氨基，
酚基，巯基，和咪唑基，参与交联反应，因此可能影响酶的活
性中心结构，而使酶活力显著失活。交联剂有多种，主要为戊
二醛。
在固定化酶的基础上，固定化细胞技术得到迅速发展，其
实际应用速度已超过固定化酶。固定化细胞具有更多的优点，
它省去酶的分离操作。在细胞内，酶稳定性较高，进行固定化
时，活力丧失较少，且能利用天然存在的多酶体系，制造成本
更低。但是反应产物与底物必须容易透过细胞膜。
2.酶工程技术的应用
固定化酶和固定化细胞在食品发酵工业和制药工业
方面的应用，不仅可以改革现有的生产工艺，而且可
以创新多酶反应工艺，还可以促使发酵工业发生根本
性变革，因此在制药工业中的应用具有很大潜力。
（二）细胞培养技术
1.动物细胞培养技术及其应用
动物细胞的培养是将来自动物体的某些组织或器官，在
模拟体内生理条件下，在体外进行培养，使之存活和
生长。
（ 1）动物细胞培养条件
营养条件 培养基（人工合成，半人工合成）
pH条件 7.2-7.4
温度条件 37± 0.5℃
气体条件 O2和 CO2
渗透压
无菌条件
（ 2）培养方法
体外培养细胞有原代培养与传代培养两种方法。
原代培养法有单层培养法和组织块培养法。
传代培养是将原代培养的细胞进行稀释分瓶继续培养。
（ 3）动物细胞大批培养技术
许多有价值得蛋白质，多肽制品都可以用动物细胞大规模培养技术
进行生产，如病毒疫苗，干扰素，单克隆抗体等。因此动物细胞
培养技术正向大型化，自动化和精巧化方向发展。
①微载体培养系统
微载体培养是细胞培养附着和生长在微载体表面。
②气升式深层发酵罐法
③中空纤维法
④微囊法
将活细胞悬浮在海藻酸钠中，滴入氯化钙溶液中，形成小珠，用长
链氨基酸聚合物聚赖氨酸，形成多孔外膜，然后重新液化胶化小
球，使成胶物质从多孔外膜流出，活细胞留在膜内，然后进行培
养。
（ 4）动物细胞培养技术的应用 （人生长激素，乙型肝炎疫苗）
2.植物细胞的培养及其应用
（ 1）植物细胞的培养技术
植物细胞培养是将植物体的某一部分经无菌处理后置于
人工培养基上使其细胞增殖，进而按需要进行培养的
技术。
用于进行培养所需的植物部分成为外殖体。所形成的脱
分化的细胞团称为愈伤组织。将愈伤组织转移到液体
培养基中进行培养即为悬浮培养。
培养基大量无机盐，植物激素等
（ 2）植物组织培养的应用
植物细胞培养技术有着广泛应用，尤其在天然药物的生
产上具有广阔前景。如长春碱、地高辛，
（三）单克隆抗体技术
1.单克隆抗体的制备原理
B细胞群受抗原刺激后能产生针对抗原决定族的特异性
抗体，一个机体可产生多达 100万种特异性的抗体。但
是一个 B细胞却只能分泌一种特异性抗体。例如，小鼠
B细胞受乙肝病毒刺激后，可产生针对乙肝病毒的 7种
不同标志的特异性抗体，它们分别由 7种小鼠 B细胞产
生。
这些 B细胞与小鼠骨髓瘤细胞融合后，形成 7种杂交瘤细
胞，稀释纯化，挑出单个杂交瘤细胞，进行无性繁殖
（克隆）。同一个克隆的杂交瘤细胞基因相同，合并
分泌的特异性抗体质地均一，这种抗体称之为单克隆
抗体。
2.单克隆抗体的工业化生产
单克隆抗体的生产包括细胞培养、提纯和制剂等工艺过程。
（ 1）杂交瘤细胞的大规模培养
生物反应器：气升式发酵罐，中空纤维培养罐，微囊发酵罐
培养基：牛淋巴液，血清
（ 2）单抗的分离纯化（超滤、盐析、离子交换,HPLC等）
（ 3）单克隆抗体的制剂技术
3.单克隆抗体的应用
（四）基因工程技术
基因工程实际上包括了体外基因工程（ DNA体外重组）和体内
基因工程（ DNA体内重组）两种方式。一般指体外基因工程。
1.基因工程的基本程序
基因工程操作程序包括取得目的基因，将目的基因同载
体连接构建成 DNA重组体，再将经过重组的 DNA转化
导入受体细胞（宿主细胞），并使目的基因和载体上
其它基因地形状得以表达（即基因转录和翻译为目的
蛋白）
见图 p57
（五）生物合成技术
1.利用微生物代谢产物的药物
（ 1）醇酮类药物：如乙醇，丁醇，丙醇及甘油。
（ 2）有机酸类药物：如醋酸，柠檬酸，苹果酸，乳酸
（ 3）维生素类药物
（ 4）氨基酸类药物
（ 5）生物碱类药物
（ 6）抗生素
2.半合成药物
第二节 生物药物制剂工艺的发展
生物药物剂型的开发主要方向为控释性，靶向性，脂质
体，微囊剂等。
第一节 生物制药工艺的发展
一、生物药物类型与品种的发展
（一）生化药物
1.治疗酶与诊断用酶
（ 1）超氧化物歧化酶（ SOD）
抗炎、抗辐射、抗衰老
（ 2）凝血酶
（ 3） L－天冬酰胺酶
（ 4）尿激酶
（ 5） PEG－腺苷脱氨酶 （治疗免疫缺陷症）
（ 6） β－半乳糖苷酶（用于生产无糖牛奶）
2.核苷和核苷酸类药物
（ 1）叠氮脱氧胸苷（ AZT）（治疗爱滋病）
(2)丙氧鸟苷（ DHPG）（抗病毒）
3.多糖类药物
（ 1）肝素钙与小分子量肝素 （抗凝血）
（ 2）透明质酸（化妆品，关节炎）
4.蛋白质与多肽类药物
（ 1）水蛭素（抗凝血，防血栓）
（ 2）转移因子（如牛脾转移因子，胎盘转移因子等，免疫）
（ 3）胸腺制剂（抗肝炎，免疫）
（ 4）肝细胞生长因子（治疗肝炎）
5.脂类药物（ β－胡萝卜素,EPA,DHA）
（二）基因工程药物
（ 1）乙肝疫苗
（ 2）人白细胞干扰素（ IFN）
（ 3）基因工程人胰岛素
（ 4）人白细胞介素（ IL－ 2）
（ 5）人生长激素（ hGH）
（ 6）人组织纤溶酶原激活剂（ htPA）
（ 7）人促红细胞生成素（ hEPO）
（ 8）细胞集落刺激因子（ CSFs）
（三）细胞工程产品
主要动物细胞培养产品有,α干扰素,γ干扰素,EPO,IL
－ 2及尿激酶等；植物细胞培养产品：罗汉果，洋地黄，
延胡索，人参，贝母，紫杉，紫草组织培养等。
各种单克隆抗体。
二、生化分离制备技术的发展
（一）生物反应器
生物反应器包括微生物细胞大规模培养的发酵罐和动物细胞大
规模的培养罐及用于固定化酶或固定化细胞进行连续自动化
转化生化物质的各种生物催化反应器。
用于微生物细胞培养的生物反应器：
搅拌通气的反应器
气升式反应器
喷射自吸式反应器
用于多糖及脂肪酶发酵生产的 离心式生物反应器
用于乳酸发酵的 螺旋管式连续发酵
连续培养 光合细胞的反应器
动物细胞培养器
用于固定化酶或固定化细胞生物反应器采用 固定床和沸腾床 。
（二）生物药物下游加工技术
错流超滤，高效液相色谱，亲和色谱，色层层析等。
快速蛋白液相色谱系统。
（三）膜分离技术
超滤技术，已用于酶发酵工业的纯化和浓缩。
三、生物工程技术在生物制药工业中的应用
（一）酶工程技术
第一代酶 — 酶制剂
第二代酶 — 固定化酶
第三代酶 — 固定化多酶（包含辅因子再生系统）
1.酶的固定化方法
酶的固定化方法有下述 4种：吸附法，包埋法，共价键结
合法，交联法
E
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E
E
E
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E
E
E
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E
E E
E E
EEE
吸附法 共价结合法 交联法 包埋法
（ 1）吸附法
吸附法分为物理吸附法与离子吸附法。用物理吸附法制
成固定化酶，酶活力损失很少，但吸着在载体上的酶，
易于脱落，使用价值少。
离子吸附法是将酶与含有离子交换剂的水不溶性载体结
合，酶吸附于载体上较为牢固，在工业上用途颇广。
离子吸附法常用的载体有：
1)阴离子树脂，如 DEDA-C,ECTEOLA-纤维素,TEAE－
纤维素,DEAE－葡聚糖凝胶,Amberlite CG－ 50,IRC
－ 50,IR－ 120,IR－ 200,Dowex－ 50等。
例,DEAE－ Sephadex A-25 吸附氨基酰化酶
（ 2）包埋法
包埋法系将酶包埋于凝胶或高分子聚合物网格内，网格
可以防止酶的渗出，底物仍能渗入网格内与酶相接触。
包埋法的优点是酶分子本身不参与水不溶性网格的形
成，许多酶都可用此法固定化。其操作简单，酶分子
只是被保埋起来，而未受到化学反应，因此固定化酶
表现活力较高。
常用的报埋剂有聚丙烯酰胺，卡拉胶，淀粉凝胶，三醋
酸纤维素，海藻酸，胶原，血纤维，大豆蛋白等。
例：卡拉胶保埋细胞生产苹果酸
（ 3）共价键结合法
共价键结合法是通过化学反应使酶与聚合物载体共价偶
联。酶与载体共价结合的功能团包括氨基，羧基，酚
羟基，巯基，羟基，咪唑基。
常用共价键结合法有：重氮化法，烷基化和芳基化法，
戊二醛结合反应法，钛螯合法，硫醇－二硫化物的互
换反应等。 固定化糖化酶
（ 4）肽键结合法
该法主要将含羧基的水不溶性载体变成酰基叠氮，异氰酸
盐，卤化物等衍生物，再使这些衍生物与酶的游离氨基进行反
应，形成肽键。
（ 5）交联法
交联法是使用双功能或多功能试剂与酶分子之间进行分子
间的交联反应的固定化方法。由于酶蛋白的功能基团，如氨基，
酚基，巯基，和咪唑基，参与交联反应，因此可能影响酶的活
性中心结构，而使酶活力显著失活。交联剂有多种，主要为戊
二醛。
在固定化酶的基础上，固定化细胞技术得到迅速发展，其
实际应用速度已超过固定化酶。固定化细胞具有更多的优点，
它省去酶的分离操作。在细胞内，酶稳定性较高，进行固定化
时，活力丧失较少，且能利用天然存在的多酶体系，制造成本
更低。但是反应产物与底物必须容易透过细胞膜。
2.酶工程技术的应用
固定化酶和固定化细胞在食品发酵工业和制药工业
方面的应用，不仅可以改革现有的生产工艺，而且可
以创新多酶反应工艺，还可以促使发酵工业发生根本
性变革，因此在制药工业中的应用具有很大潜力。
（二）细胞培养技术
1.动物细胞培养技术及其应用
动物细胞的培养是将来自动物体的某些组织或器官，在
模拟体内生理条件下，在体外进行培养，使之存活和
生长。
（ 1）动物细胞培养条件
营养条件 培养基（人工合成，半人工合成）
pH条件 7.2-7.4
温度条件 37± 0.5℃
气体条件 O2和 CO2
渗透压
无菌条件
（ 2）培养方法
体外培养细胞有原代培养与传代培养两种方法。
原代培养法有单层培养法和组织块培养法。
传代培养是将原代培养的细胞进行稀释分瓶继续培养。
（ 3）动物细胞大批培养技术
许多有价值得蛋白质，多肽制品都可以用动物细胞大规模培养技术
进行生产，如病毒疫苗，干扰素，单克隆抗体等。因此动物细胞
培养技术正向大型化，自动化和精巧化方向发展。
①微载体培养系统
微载体培养是细胞培养附着和生长在微载体表面。
②气升式深层发酵罐法
③中空纤维法
④微囊法
将活细胞悬浮在海藻酸钠中，滴入氯化钙溶液中，形成小珠，用长
链氨基酸聚合物聚赖氨酸，形成多孔外膜，然后重新液化胶化小
球，使成胶物质从多孔外膜流出，活细胞留在膜内，然后进行培
养。
（ 4）动物细胞培养技术的应用 （人生长激素，乙型肝炎疫苗）
2.植物细胞的培养及其应用
（ 1）植物细胞的培养技术
植物细胞培养是将植物体的某一部分经无菌处理后置于
人工培养基上使其细胞增殖，进而按需要进行培养的
技术。
用于进行培养所需的植物部分成为外殖体。所形成的脱
分化的细胞团称为愈伤组织。将愈伤组织转移到液体
培养基中进行培养即为悬浮培养。
培养基大量无机盐，植物激素等
（ 2）植物组织培养的应用
植物细胞培养技术有着广泛应用，尤其在天然药物的生
产上具有广阔前景。如长春碱、地高辛，
（三）单克隆抗体技术
1.单克隆抗体的制备原理
B细胞群受抗原刺激后能产生针对抗原决定族的特异性
抗体，一个机体可产生多达 100万种特异性的抗体。但
是一个 B细胞却只能分泌一种特异性抗体。例如，小鼠
B细胞受乙肝病毒刺激后，可产生针对乙肝病毒的 7种
不同标志的特异性抗体，它们分别由 7种小鼠 B细胞产
生。
这些 B细胞与小鼠骨髓瘤细胞融合后，形成 7种杂交瘤细
胞，稀释纯化，挑出单个杂交瘤细胞，进行无性繁殖
（克隆）。同一个克隆的杂交瘤细胞基因相同，合并
分泌的特异性抗体质地均一，这种抗体称之为单克隆
抗体。
2.单克隆抗体的工业化生产
单克隆抗体的生产包括细胞培养、提纯和制剂等工艺过程。
（ 1）杂交瘤细胞的大规模培养
生物反应器：气升式发酵罐，中空纤维培养罐，微囊发酵罐
培养基：牛淋巴液，血清
（ 2）单抗的分离纯化（超滤、盐析、离子交换,HPLC等）
（ 3）单克隆抗体的制剂技术
3.单克隆抗体的应用
（四）基因工程技术
基因工程实际上包括了体外基因工程（ DNA体外重组）和体内
基因工程（ DNA体内重组）两种方式。一般指体外基因工程。
1.基因工程的基本程序
基因工程操作程序包括取得目的基因，将目的基因同载
体连接构建成 DNA重组体，再将经过重组的 DNA转化
导入受体细胞（宿主细胞），并使目的基因和载体上
其它基因地形状得以表达（即基因转录和翻译为目的
蛋白）
见图 p57
（五）生物合成技术
1.利用微生物代谢产物的药物
（ 1）醇酮类药物：如乙醇，丁醇，丙醇及甘油。
（ 2）有机酸类药物：如醋酸，柠檬酸，苹果酸，乳酸
（ 3）维生素类药物
（ 4）氨基酸类药物
（ 5）生物碱类药物
（ 6）抗生素
2.半合成药物
第二节 生物药物制剂工艺的发展
生物药物剂型的开发主要方向为控释性，靶向性，脂质
体，微囊剂等。
