NGHIÊN cứu QUY TRÌNH sản XUẤT KHÁNG SINH PENICILLIN BẰNG ENZYME cố ĐỊNH PENICILLIN ACYLASE

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM
KHOA MÔI TRƯỜNG & CÔNG NGHỆ SINH HỌC
 

TIỂU LUẬN: NGHIÊN

CỨU QUY TRÌNH SẢN XUẤT

KHÁNG SINH PENICILLIN BẰNG ENZYME CỐ
ĐỊNH PENICILLIN ACYLASE.

Lớp: 06DSH
Giáo viên hướng dẫn: Ths. Phan Văn Dân
Nhóm 3:
1. Trần Đơng Hạ
2. Trần Nhật Linh
3. Đặng Thị Lê Phương
4. Nguyễn Kiều Trang
5. Nguyễn
Duyên

Hoàng

Mỹ


MỤC LỤC
PHẦN I: GIỚI THIỆU
PHẦN II: NỘI DUNG
I/ Giới thiệu về enzyme cố định

1. Ý nghĩa của enzyme cố định
2. Định nghĩa enzyme cố định
3. Các phương pháp điều chế enzyme cố định
3.1

Phương pháp gắn enzyme bằng liên kết cộng hố trị

3.2

Phương pháp gói enzyme trong khn gel

3.3 Cố định enzyme bằng phương pháp hấp thụ trên các chất mang
hoăc khơng có điện tích.
4 Một số đặc tính của enzyme cố định.
5 Một số ứng dụng của enzyme cố định trong sản xuất
5.1

Sử dụng aminoacylase cố định để sản xuất axitamin.

5.2

Sản xuất L-axit aspartic bằng enzyme asperza cố định.

5.3

Thuỷ phân lactoza bằng enzyme lactaza cố định.

5.4

Sản xuất nhóm penicilin-axit 6 amino penicillinic (6-APA) bằng

enzyme cố định penicillin acylase.
II/ Giới thiệu về kháng sinh

1.

Lịch sử hình thành

2.

Cấu tạo của penicillin

3.

Tính chất hóa lý

4.

Các yếu tố ảnh hưởng
4.1

Động học của enzyme penicillin acylase

4.2

Bản chất và tính chất hóa học của chất mang
-6-


4.3

Sự khuếch tán của cơ chất, sản phẩm và các phân tử khác

4.4

Ảnh hưởng pH

III/ Quy trình sản xuất
1.

Kỷ thuật sản xuất enzyme penicillin acylase

2.

Kỷ thuật sản xuất kháng sinh bán tổng hợp
2.1

Sản xuất penicillin G từ nguyên liệu tự nhiên
2.1.1 Điều kiện lên men:
2.1.2 Thành phần môi trường lên men
2.1.3 Quy trình lên men:
2.1.4 Xử lý dịch lên men và tinh chế thu nhận penicillin tự
nhiên

2.2

Sản xuất penicillin bán tổng hợp từ penicillin G tự nhiên:
3. Các sản phẩm kháng sinh bán tổng hợp
Phần III : KẾT LUẬN

-7-


PHẦN I: MỞ ĐẦU
Các kháng sinh là một nhóm thiết yếu trong y học hiện đại. Nhờ kháng sinh mà
y học có thể chữa được các bệnh nguy hiểm như dịch hạch, tả, thương hàn, và điều
trị hiệu quả nhiều loại bệnh do vi khuẩn gây ra. Đối với nước nghèo, Các thuốc
kháng sinh giữ một vị trị quan trọng vì các nước này do vệ sinh yếu kém và mức
sống còn thấp nên thường xảy ra các vụ dịch nhiễm khuẩn hô hấp, kiết lỵ...
Hiện nay trên thế giới đã phát hiện trên 8000 kháng sinh và mỗi năm có vài trăm
kháng sinh mới được phát hiện. Trong tương lai sẽ có nhiều kháng sinh mới được
phát hiện từ quá trình bán tổng hợp bằng cách sử dụng enzyme cố định. Việc sử
dụng enzyme cố định làm chất xúc tác sinh học cho quá sản xuất kháng sinh bán
tổng hợp vừa có ý nghĩa về mặt kinh tế vừa giải quyết nhiều vấn đề xã hội, các
vần đề môi trường.
Xuất phát từ thực tế đó, chúng tơi đã thực hiện đề tài “ Nghiên cứu quá trình sản
xuất kháng sinh bán tổng hợp bằng enzyme penicillin acylase”.

-8-


PHẦN II: NỘI DUNG
I/ Giới thiệu về enzyme cố định
1. Ý nghĩa của enzyme cố định
Trong những năm cuối của thế kỷ 20 bắt đầu phổ biến kỹ thuật cố định
enzyme. Enzyme hoà tan sau khi sử dụng thường lẩn vào cùng với sản phẩm
không tách ra được. Nếu tách ra thì enzyme bị mất hoạt tính, vì vậy với một lượng
enzyme nhất định chỉ có thể sử dụng được một lần.
Sử dụng enzyme cố định có một số ưu điểm sau:
 Một lượng enzyme có thể sử dụng lặp đi lặp lại nhiều lần trong một thời

gian dài.
 Enzyme khơng lẩn vào trong sản phẩm, do đó tránh được ảnh hưởng
không tốt đến lượng sản phẩm;
 Dùng enzyme cố định có thể dừng nhanh chóng phản ứng khi cần thiết
bằng cách tách nó ra khỏi cơ chất.
2. Định nghĩa enzyme cố định
Enzyme cố định là enzyme được sử dụng nhiều lần lập lại. Đây là một hướng
công nghệ rất triển vọng. Cho đến nay đã có 2 cơng nghệ sử dụng enzyme cố định
trong sản xuất công nghiệp: glucose isomerase có định trong sản xuất siro frustose
và penicillin acylase (amidase) cố định trong sản xuất penicillin. Là enzyme có sự
tham gia hoạt động trong một không gian bị giớihạn.
Sự giới hạn hoạt động vốn linh hoạt của enzyme bằng cách gắn nó vào một pha
cách ly, tách nó khỏi pha lỏng tự do và ở đó nó vẫn có khả năng tiếp xúc được với
các phần tử cơ chất. Pha gắn enzyme thường không tan trong nước nhưng cũng có
thể là các polyme ưa nước.
Trong triển khai cơng nghệ sử dụng enzyme cố định người ta quan tâm một số
vấn đề:
 Tạo thiết bị hoạt động có hiệu suất hoạt động và mức độ hoạt động tự hóa

cao, sử dụng nền chứa enzyme cố định hoạt động đậm đặc hơn.
-9-


 Tập trung triển khai hồn thiện q trình kiểm sốt và cơng nghệ sản xuất
liên tục.
Do vậy khơng phải bất cứ enzyme nào cũng tìm cách sử dụng ở dạng cố định,
chỉ nên sử dụng công nghệ enzyne một cách có hiệu quả nhất. Xu hướng hiện nay
là tập trung triển khai công nghệ sử dụng enzyme cố định đắt tiền, có giá trị cao,
xúc tác trên cơ chất có MW nhỏ, dễ kiểm sốt sự lây nhiễm và sản phẩm không
chứa enzyme.

Enzyme không tan được nghiên cứu và ứng dụng từ những năm 1950. Để chế
tạo enzyme cố định có thể dùng phương pháp hấp phụ, liên kết hoá trị để gắn kết
enzyme gọi là chất mang (enzyme), hiện nay người ta dùng xenluloza, tinh bột,
sephadex, agaroza, alghinat, canxi, gel polycylamit, bột thuỷ tinh, nilon… Chế
phẩm enzyme không tan có thể ở dạng bột, hạt, phiến màng mỏng.
Trong một số trường hợp không cần thiết phải gắn enzyme vào chất mang mà
có thể giữ nó ở bên trong mạng lưới polyme bao quây lấy phần tử enzyme. Mạng
lưới đó có mặt nhờ sự khơng cho phép enzyme thốt ra khỏi nhưng vẫn đủ lớn để
sản phẩm và cơ chất tạo ra dễ dàng.
3. Các phương pháp điều chế enzyme cố định
Theo kỹ thuật chế tạo enzyme cố định, enzyme được gắn vào một vật mang nào
đó. Những vật mang như vậy có thể là cellulose và các dẫn xuất của nó, các hạt
kính xốp, gel polyacrylamide, sephadex, collodium, tinh bột, các loại
allumosilicate và oxide kim loại..
Về nguyên tắc, có 3 phương pháp điều chế các enzyme cố định :
- Gắn bằng liên kết đồng hoá trị phân tử enzyme vào chất mang khơng hồ
tan hoặc gắn các enzyme với nhau để tạo nên đại phân tử khơng hồ tan

-10-


- Đính enzyme lên bề mặt chất mang hoặc vào trong lịng khn gel
có kích thước lổ khá nhỏ đủ để giữ enzyme, còn để các chất khác qua lại tự do

0

- Hấp phụ enzyme lên trên các chất mang khơng hồ tan có mang

hoặc khơng mang điện tích

-11-


3.1

Phương pháp gắn enzyme bằng liên kết cộng hoá trị

Đa số enzyme cố định thu được bằng phương pháp này. Với phương pháp
này có thể thu enzyme cố định bằng hai cách


Kết hợp phân tử protein enzyme vào chất mang khơng hồ tan
Các chất mang để gắn enzyme phải thoả mãn những u cầu sau :

-

Có độ hồ tan thấp và bền vững đối với các tác động cơ học và hố học.

-

Khơng gây tác động kìm hãm đến hoạt tính enzyme.

-

Khơng hấp phụ khi chọn lọc đối với các protein khác.

-

Chất mang tốt hơn cả là có tính háo nước, vì chất mang kỵ nước có thể

gây tác dụng ức chế enzyme đã liên kết.
-

Việc gắn enzyme sẽ có hiệu quả hơn khi điện tích của enzyme và của

chất mang có dấu ngược nhau.
Các chất mang loại này thường là polypeptide,các dẫn xuất của cellulose và
Dextran (DEAE-cellulose, CM-cellulose, DEAE-sephadex, CM,sephadex),agarose
và các polimer tổng hợp khác như polyacrilamide, polysyrol, polystytol,
polyamide và các chất vô cơ như silicagen, bentonit,.v..v..
Chất mang phổ biến hơn cả là dextran có liên kết ngang (Sephadex ) và garose
hạt (sepharose). Các hai loại chất này đều có cấu trúc lỗ xốp khiến cho các phân tử
lớn có thể xâm nhập vào gel một cách dễ dàng.
Poliacrylamide cũng là chất mang rất tiện lợi vi có độ bền vững cơ học và hố
học cao.
Chất mang vơ cơ thường rất bền với nhiệt, cơ học, với dung môi hữu cơ và các
vi sinh vật, nhất là không bị biến đổi cấu hình của khn khi thay đổi tính chất của
môi trường chung quanh. Nhiều dẫn liệu cho thấy rằng enzyme đính với khn vơ
cơ khi bảo quản thường bền vững hơn enzyme gắn với khuôn polymer hữu cơ.

-12-


Tham gia tạo thành các liên kết dịng hố trị có thể có các nhóm chức của phân
tử protein enzyme như nhóm β- và γ- carboxyl – COOH của acid asparaginic và
aid glutamic, nhóm ε-NH2 của lysine, nhóm β-SH của cysteine, vịng phenol của
tyrosine, nhân imidasol của histidine, các nhóm OH của serine, threonine, nhóm
guanidine của arginine và imidasol của tryptophan.
Quá trình kết hợp enzyme sẽ xảy ra một cách trực tiếp khi chất mang có chứa
các nhóm chức có khả năng liên kết trực tiếp nói trên trong phân tử protein

enzyme. Ví dụ gốc anhydride maleic liên kết với nhóm ε-NH2 của lysine.
Trong các trường hợp khác nhau sự liên kết giữa chất mang và protein enzyme
chỉ xảy ra sau khi chất mang đã được hoạt hoá.
Việc hoạt hoá sơ bộ chất mang có thể được thực hiện bằng nhiều cách. Ví dụ,
các nhóm hydroxyl của dextran hoặc polyoside khác có thể được hoạt hố bằng
bromur cyan ( BrCN). Sau đó chất mang đã được hoạt hố mới liên kết với
enzyme

Các chất mang có chứa nhóm amin như aminobenzoylcelluse, polyaminostyrol
có thể được hoạt hố bằng phản ứng diazo.

-13-


Ví dụ, polyaminostyrol trước hết được diazo hố bằng natri nitrit trong
dung dịch môi trường acid thành muối diazo, sau đó mới kết hợp với enzyme:

Phản ứng kết hợp enzyme được tiến hành nhanh chóng trong điều kiện nhiệt
dộ thường và dung dịch nước trung tính.
Nếu chất mang có chứa nhóm amin có thể hoạt hố bằng cách cho tác dụng
với phosgen hoặc tiophosgen để tạo thành dẫn xuất isosianat hoặc izothyosianat.
Các nhóm isosianat hoặc izothyosianat ở pH trung tính sẽ liên kết dễ dàng với
nhóm εNH2 của lyzine.

Bằng phương pháp này người ta đã điều chế được các dẫn xuất enzyme cố
định như trypsin, chimotrypsin, α-,β-amylase, glucoamylase.
Nếu chất mang có chứa nhóm –COOH như CM-cellulose hoặc nhựa tổng
hợp thì cần được hoạt hoá trước khi gắn kết với enzyme bằng các phương pháp
axit, carbodiimit
-14-

Vì phản ứng xảy ra trong mơi trường acid yếu (pH=5) nên
phương pháp này đặc biệt thuận lợi với các enzyme có tính acid như pepsin.
 Kết hợp đồng hố trị giữa các phân tử enzyme với chất mang.
Cố định enzyme bằng cách liên kết đồng hoá trị được thực hiện bằng cách khác
nhau :
1/ Liên kết đồng hoa trị được tạo ra giữa các nhóm phản ứng của vật mang
và enzyme; trong một số trường hợp vật mang cần được hoạt hoá sơ bộ;
2/ Các phân tử enzyme sau khi được hấp thụ trên chất mang hoặc nằm trong
lòng phân tử chất mang liên kết với nhau nhờ tính lưỡng chức hoặc đa chức của
chất phản ứng. Người ta thường dùng aldehyde glutaric để găn các nhóm amin của

-15-


lysine ở các phân tử enzyme. Ví dụ,trypsine cố định trysin được điều chế bằng
cách dùng aldehyde glutaric 2! Để liên kết các phân tử enzyme và gắn chúng vào
aminoethylcelluse.
3.2 Phương pháp gói enzyme trong khn gel

Để gói enzyme vào khn gel người ta tiến hành trùng hợp hố học các gel khi
có mặt đồng thời enzyme. Sau khi hồn thành quá trình trùng hợp enzyme bị giữ
chắc trong gel. Gel đã có enzyme có thể nghiền nhỏ bằng cách ép qua rây có lỗ
nhỏ và sấy khơ ở nhiệt độ thấp.Dẩn xuất enzyme loại này lần đầu tiên do Bernfeld
(1993)thu được bằng cách trùng hợp acrylamide với N,N’-methylenbisacrylamide.
Phương pháp này thường dùng do chất trùng hợp thu được dể tạo thành dạng hạt
và tuỳ thuộc vào điều kiện tiến hành mà gel có thể có độ xốp khác nhau. Sau đây
là một số phương pháp “gói”enzyme. Các gel có thể được hình thành từ các
polymer tổng hợp như acrylamide, hydroxyethyl-2-metacrylate, tạo phức càng cua

bằng ethyleneglycol-dimetacrylate, polyvinyl, polyuretan. Enzyme được hoà tan
hoặc phân tán trong một dung dịch monomer và sau đó trùng hợp trong sự có mặt
của một hay nhiều tác nhân tạo phức càng cua. Gel có thể cắt thành màng đặt trên
một giá thể rắn, hoặc cũng có thể nghiền thành bột sau khi loại trừ nước. Alginate
và caraghenan lấy từ rong biển thường có khả năng tao gel rất tốt và thuận lợi để
bao gói các enzyme hoặc tế bào nguyên vẹn.
Các enzyme cũng có thể bị “nhốt” trong các lỗ nhỏ của các sợi tổng hợp.
Với cách này người ta cho dịch lỏng chảy bên trong sợi , do đó hạn chế được sự
phân cực bề mặt và sự bịt lấp thường gặp với lớp màng.
Một nhũ tương của cellulose triacetate trong methylene chlorua và enzyme
trong dung dịch đệm có chứa glycerol được ép qua một khuôn lọc dưới áp suất
nito. Các sợi đi ra khỏi khuôn được nhúng vào một cái bể đông tụ có chứa toluel,
sau đó được làm khơ trong chân khơng.
Các sợi này bền với acid yếu hoặc kiềm yếu, lực ion cao và chịu được một số
dung môi hữu cơ. Tuy nhiên phương pháp này chỉ thích hợp đối với những
enzyme khó bị mất hoạt tính trong các dung mơi khơng hồ lẫn với nước.
-16-


Phương pháp gói enzyme trong các bao vi thể (microcapsul).
Enzyme được gói trong các bao vi thể có màng bán thấm được tạo ra từ các
polymer có kích thước lỗ đủ nhỏ đẻ ngăn cản sự khuếch tán của enzyme ra ngoài
và đủ lớn đẻ cơ chất đi vào và sản phẩm phản ứng đi ra dễ dàng. Có nhiều phương
pháp gói enzyme trong microcapsul. Sau đây là một trong các phương pháp đó.
Cho một dung dịch lỗng chứa enzyme và monomer ưa nước trong một dung môi
hữu cơ không hoà lẫn trong nước đễ tạo nhũ tương , sau đó thêm một monomer kỵ
nước để gây phản ứng trùng hợp tạo ra một màng bao quanh những giọt lỏng nhỏ.
Thường phải thêm vào một tác nhân hoạt động bề mặt để làm bền nhũ tương cũng
như để điều chỉnh các capsul có khích thước mong muốn từ 1 đến 100 μm
Phương pháp tiền polymer để gói các chất xúc tác sinh học. Cố định enzyme

bằng phương pháp này có những ưu điểm như sau:
 Q trình gói rất đơn giản trong những điều kiện nhẹ nhàng.
 Các chất tiền trùng hợp khơng chứa các monomer vốn có thể gây ảnh

hưởng xấu đến enzyme đã được gói.
 Cấu trúc lưới của gel có thể được điều chỉnh bằng cách dùng các tiền

polymer có chiều dài chuổi bất kỳ.
 Các tính chất hố chất lý hố của gel có thể dịnh hướng trước bằng cách

chọn các tiền chất polymer thích hợp vốn đã được tổng hợp hoá học
trong điều kiện vắng mặt enzyme. Dưới đây là một ví dụ về phương
pháp tiền polymer. Đó là phương pháp tạo enzyme liên kết chéo giữa
các tiền polymer bằng cách chiếu tia cực tím để gói enzyme.
Khi chiếu tia cực tím gần lên dung dịch có chứa chất tiền polymer và enzyme
thì sẽ tạo ra các liên kết chéo giữa các gốc của tiền polymer và một gel được hình
thành bao lấy enzyme. Sự gói enzyme bằng phương pháp này có thể tiến hành ở
điều kiện nhẹ nhàng, tránh được các thay đổi pH quá kiềm hoặc quá acid, thời gian
lại rất nhanh, chỉ trong vịng từ 3-5 phút. Với phương pháp này có thể gói enzyme,
tế bào vi sinh vật hoặc các bào quan

-17-


3.3

Cố định enzyme bằng phương pháp hấp thụ trên các chất mang
hoăc khơng có điện tích.

Với phương pháp này enzyme được hấp thụ trên các chất co hoạt tính bề mặt

như than hoạt tính, cellulose, tinh bột ,dextran, collagen,…và một số nhựa trao đổi
ion, silicagen, thuỷ tinh. Trong trường hợp chất mang khơng có lổ enzyme được
đính vào chất mang thành từng lớp trên bề mặt, khi chất mang có lỗ thì các phân
tử enzyme sẽ xâm nhập vào trong các lỗ.
4. Một số đặc tính của enzyme cố định
Việc cố định làm thay đổi đáng kể nhiều tính chất của enzyme như độ bền, tính
đặc hiệu, đặc điểm động học. Thông thường việc cố định làm tắng đáng kể độ bền
của enzyme. Ví dụ , cố định protease làm tăng đọ bền với nhiệt gấp chục nghìn
lần.
Sau khi được cố định không những độ bền với nhiệt của enzyme tăng lên mà
phạm vi nhiệt độ tối thích của enzyme cũng được mở rộng. Nhiệt độ cao làm cho
enzyme bị biến tính, cấu trúc bậc ba của enzyme bị phá vỡ và enzyme bị mất hoạt
tính. Khi enzyme được cố định nhờ nhiều liên kết gắn với chất mang quá trình
biến tính sẽ bị ngăn cản, làm cho enzyem chịu được nhiệt độ cao.
Trong trường hợp đối với các enzyme thuỷ phân protein, ví dụ papain và trysin
sự cố định làm ngăn cản một phần hoặc hoàn toàn hiện tượng tự phân. Điều này
rất có ý nghĩa thực tế vì nó giúp làm tăng thời gian làm việc của enzyme.
Một trong các nguyên nhân làm biến đổi tính chất của enzyme khi chúng được
cố định trên các chất mang có điện tích. Ví dụ một chất trao đổi anion mang điện
tích âm được bao quanh bởi một mơi trường giàu proton, và vì thế pH trong các
lớp nằm kế sát với cho đường cong phụ thuộc pH của hoạt tính enzyme cố định
trên các chất mang anionit,cationit và trung tính sẽ khác nhau.
5. Một số ứng dụng của enzyme trong sản xuất
5.1 Sử dụng aminoacylase cố định để sản xuất axitamin
Trong q trình tổng hợp hố học hay lên men ( sinh tổng hợp) để sản xuất các
axit amin nhưng nhược điểm lớn nhất của phương pháp này cho ra các sản phẩm
-18-


raxemic, tức là hổn hợp của 2 dạng đồng phân quang học D và L trong đó chỉ có

dạng L mới có hoạt tính sinh học cao ,có ý nghĩa trong khoa học hoá sinh. Nếu sử
dụng phương pháp hoá học hay kết hợp với sinh tổng hợp ( lên men 2 pha ) sẽ tốn
kém, không khả thi.
Từ năm 1969 hãng tanabe Seizaku ( Nhật Bản ) sử dụng enzyme cố định amino
acylaza ( AACD: enzyme đồng phân hoá chuyển từ dạng D sang dạng L của axit
amin ) để chuyển hố hổn hợp D,L axit amin. Trong đó enzyme aminoacylase
được cố định trên DEAE. Sephadex bằng liên kết ion với thời gian bán huỷ là 65
ngày ở 50oC.
5.2 Sản xuất L-axit aspartic bằng enzyme asperza cố định

Là cơ chất trung gian của rất nhiều q trình chuyển hố hoá sinh tổng hợp các
axit amin khác nhau rất quan trọng trong dinh dưỡng động vật và chế biến thực
phẩm (sản xuất axit l-vacin, tổng hợp axit α-xetoglutamic( tiền chất để chuyển hoá
thành axit l-glutamic )). Cơ chế hoá sinh của sự tạo thành axut aspartic là quá trình
tạo liên kết đồng hoá trị giửa NH3 với axit fumaric bởi enzyme aspartic.

Từ năm 1973, hãng TANABE SEIZAKY đã sử dụng tế bào có chứa enzyme
aspartaza (nịi vi khuẩn Brevibacterium flavum nuôi cấy trên môi trường rỉ đường
giàu biotin ) và gói nó trong gel polyacrylamit với bán chu kỳ hoạt động là 120
ngày ở 37C.
5.3 Thuỷ phân lactoza bằng enzyme lactaza cố định:
Lactoza là disaccarit có trong sữa nên được gọi là đường sữa. Loại đường này
có độ ngọt ngào thấp ( bằng 30% với đường saccaroza ở cùng nồng độ),độ hoà tan

-19-


kém ( gây nên hiện tượng sạn đường trong sữa), một bộ phận người sử dụng sữa
khơng có khả năng tiêu hoá hấp thụ được sữa này. Mặt khác đường sữa hầu như
được thải cùng với sữa nếu thuỷ phân lactoza để tạo thành 2 monosaccarit cấu

thành nó là glucoza và galactose sẽ mang lại hiệu quả cao. Lúc này sữa sẽ có chất
lượng cao hơn, loại bỏ hiện tượng sạn sữa, nâng cao độ tiêu hoá, các monosaccarit
sẽ được vi sinh vật sử dụng khi lên men sữa (các sản phẩm sữa chua và phomat ).
5.4 Sản xuất nhóm penicilin-axit 6 amino penicillinic (6-APA) bằng
enzyme cố định penicillinamidaza
Penicillin là một nhóm chất có tính kháng sinh, cấu tạo chung là: Với R là gốc
axyl thì ta có penicillin G- là penicillin thương mại và sinh hoạt phổ biến nhất hiện
nay.
Enzyme penicillinamidaza xúc tác thuỷ phân benzyl penicillin (penicillin để tạo
thành nhóm penicillin 6-APA và axit phenyl axetic.
6-APA được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp dược phẩm để sản xuất các
loại kháng sinh họ penicillin. Hiện nay toàn bộ 6-APA của thế giới đều được sản
xuất bằng phương pháp sử dụng enzyme penicillinamidaza cố định. Đây là
enzyme nội bào khi sinh tổng hợp bởi vi khuẩn Esterichia – coli, bacterium
faecalic, alacaligus với moi trường cazein thuỷ phân, cao ngô, glucoza, axit
phelnylaxetic làm chất cảm ứng.
Phương pháp gói enzyme của hãng SNAM Progetti (Italy) như sau :10 lít dung
dịch penicillinamidaza pH=8 trộn với 5kg triaxetic xenlulose trong 71.4 kg
clorimetylin ở 4C, lắc kỹ cho đến khi tạo gel cả các sợi. mỗi kg sợi thành phẩm
được nhồi trong các cột kích thước 43 x 14 cm. 26 lit penicillin G( muối kali ) cho
chảy liên tục qua cột ở pH=8.2 cho đến khi đạt mức chuyền hố 97% 6 APA
Cơng nghệ của hãng TANABE SEIZAKU : sử dụng bioreactor tế bào cố định
chứa penicillinamidaza trong gel polyacriamit như sau : dung dịch penicillin G

-20-


0.65M ở pH = 8.5 cho chảy qua cột với tốc độ 0.12-0.14 thể tích cột/h. Hiệu suất
phản ứng đạt 80%.
II/ Chất kháng sinh penicillin bán tổng hợp:

1. Lịch sử hình thành:
Các penicillin là đại diện tiêu biểu cho các kháng sinh có nguồn gốc từ nấm
mốc. Ngồi ra cịn có một vài kháng sinh khác như griseofulvin, trichotrxin,
fumagillin… cũng được sinh ra từ các chủng nấm mốc khác nhau.
Penicillin G là chất kháng sinh tiêu biểu được Alexander Flemming tìm ra đầu
tiên vào năm 1928 trong quá trình nghiên cứu về tụ cầu khuẩn. Ông nhận thấy trên
hộp petri ni cấy tụ cầu khuẩn có nhiễm nấm mốc Pinicillin notatum và tạo vịng
vơ khuẩn. Flemming gọi chất ức chế tạo vịng vơ khuẩn này là penicillin.
Sau đó, Mỹ đã triển khai lên men thành công penicillin theo phương pháp lên
men bề mặt (1931). Tuy nhiên, cũng trong khoảng thời gian đó mọi nỗ lực nhằm
tách và tinh chế penicillin từ dịch lên men đều thất bại do không bảo vệ được hoạt
tính kháng sinh của chế phẩm tinh chế và do đó vấn đề penicillin tạm thời bị lãng
quên.
Năm 1938 ở Oxford, khi tìm lại các tài liệu khoa học đã công bố, Ernst Boris
Chain quan tâm đến phát minh của Fleming và ông đã đề nghị Howara Walter
Florey cho tiếp tục triển khai nghiên cứu này.
Ngày 25/05/1940 penicillin đã được thử nghiệm rất thành công trên chuột.
Năm 1942, đã tuyển chọn được chủng công nghiệp Penicillium chrysogenum
NRRL 1951 (1943) và sau đó đã được biến chủng P. Chrysogenum Wis Q - 176
(chủng này được xem là chủng gốc của hầu hết các chủng công nghiệp đang sử
dụng hiện nay trên tồn thế giới ); đã thành cơng trong việc điều chỉnh đường
hướng quá trình lên men để lên men sản xuất penicillin G (bằng sử dụng tiền chất
Phenylacetic)....
Năm 1943, penicillin được sản xuất ở qui mô công nghiệp ở Mỹ để phụ vụ các
bệnh nhiễm trùng cho thương binh trong chiến tranh trong thế giới thứ II.
-21-


Penicillin cũng là chất kháng sinh đầu tiên được sản xuất lên men chìm ở qui mơ
cơng nghiệp (1947).

Năm 1941, penicillin G là kháng sinh có hiệu quả cao chống lại hầu hết các
chủng Staphylococcus aureus. Tuy nhiên đến đầu năm 1947 phần lớn các vi khuẩn
phân lập trong bệnh viện đều kháng lại penicillin. Để giải quyết vấn đề này người
ta đã nổ lực tìm ra các penicillin mới có tác dụng đều trị tốt hơn. Cơng nghệ sản
xuất penicillin bán tổng hợp bắt đầu được nghiên cứu.
2. Cấu tạo của penicillin:

Penicillin gồm nhiều loại, chúng có cấu tạo gần giống nhau, bao gồm một
vòng thiazolidine, một vòng β -lactam, một nhóm amino gắn với CO2 và một
mạch bên ( R). Tất cả các penicillin đều là dẫn suất của acid 6-aminopenicillanic.
Sự thay thế R tạo nhiều acid amin khác nhau. Hầu hết các peniciliin đều được
phân phối dưới dạng muối natri hoặc muối kali và có ý nghĩa trong điều trị cũng
như trong thương mại như penicillin G, penicillin V…

Cấu tạo chung của phân tử penicillin
3. Tính chất hóa lý:

Tính chất vật lý:
Các penicillin dưới dạng muối hoặc dạng acid là những bột trắng không mùi
khi tinh khiết.

-22-


Phổ UV: đa số các nhóm R acyl hóa trên 6-APA đều là vòng thom7nen6 cho
phổ hấp thu ở vùng UV có thể ứng dụng được.
Phổ IR: ở vùng 1600 – 1800 cm-1 có các đỉnh đặc trưng các nhóm sau :
 Nhóm lactam ở giữa 1760 và 1730 cm-1.
 Chức carboxyl ở khoảng giữa 1600 cm-1.
 Nhóm chức amid ngoại vịng ở giữa 1700 và 1650 cm-1.

Tính chất hóa học:
Các penicillin có khả năng tạo muối natri và kali tan trong nước, trong khi đó
các muối kim loại nặng ( vi dụ muối Cu2+) thì khơng tan hoặc kích thích sự phân
hủy.
Các penicillin cũng có khả năng tạo muối với các amin:
 Tạo các penicillin thủy giải chậm ( tác động trễ) như procain penicillin ( tác

động kéo dài từ 24 – 48h), benethamin penicillin ( tác động kéo dài thừ 3 –
7 ngày), benzathin penicillin ( tác động kéo dài 2 – 4 tuần).
 Một số có tính base ví dụ các aminosid, các alkaloid khi trộn chung với
penicillin trong cùng một ống tiêm sẽ gây ra kết tủa.
 Các penicillin cũng có khả năng tạo ra các este, sẽ là những tiền chất có khả

năng phóng thích các kháng sinh này trong invivo.
Tính khơng bền của vịng beta lactam:
Sự phân hủy trong môi trường kiềm: ở pH = 8 sẽ có sự tần cơng của ion OHtrên carbonyl lactam gây ra sự mở vòng theo qui luật chung, cuối cùng sẽ có sự tạo
thành acid penicilloic, nhưng sự decarboxyl có thể xảy ra tiếp theo để tạo acid
peniloic.
Nếu trong mơi trường có sự hiện diện của những muối kim loại nặng ( Zn2+,
Cd2+, Pb2+ hoặc Hg2+) sẽ làm cho acid peniciloic bị phân hủy thành carbinolamin
không bền, chất này sẽ tiếp tục bị phân hủy tạo D-penicillamin và acid penaldic.
Acid penaloic đền lượt nó có thể bị decarboxyl hóa để trở thành penicillo-aldehyd.
Sự alcol phân và amino phân: vòng beta lactam nhạy với một số tác nhân ái
nhân khác với xúc tác của các ion kim loại nặng: Cu2+, Zn2+, Sn2+.
-23-


Sự phân hủy trong môi trường acid: dưới sự hiện diện của ion H+, sự tần công
ái điện tử trên nguyện tử S, kích thích sự mở vịng lactam và vòng thiazolidin, tiếp

theo là sự tái sắp xếp để tạo thành cấu trúc oxazolic cua acid penicillenic. Cuối
cùng, nếu môi trường q acid có thể tạo thành acid penillic.
Ngồi ra vịng lactam có thể bị mở bởi lactamase tiết ra từ vi khuẩn.
4. Các yếu tố ảnh hưởng :

Trong quá trình nghiên cứu penicillin G, người ta đã tìm thấy được enzyme
penicillin amidase có khả năng thủy phân penicillin G (hay V) thay thế các hóa
chất đồng thời thúc đẩy phản ứng xảy ra nhanh hơn trong sản xuất kháng sinh
penicillin bán tổng hợp. Do vậy để tăng hiệu quả sản xuất cần nghiên cứu các yếu
tố ảnh hưởng đến enzyme thủy phân
4.1 Động học của enzyme penicillin acylase:
Quá trình cố định có thể gây ảnh hưởng lớn đến tính ổn định của enzyme. Nếu
quá trình cố định đưa ra bất kì một yếu tố nào làm biến dạng đối với enzyme, nó sẽ
thúc đẩy sự bất hoạt của enzyme dưới các điều kiện gây biến tính như nhiệt độ,
pH…Sự kết hợp giữa giá thể và enzyme càng tự nhiên thì sự ổn định của enzyme
càng lớn, càng bảo vệ tính chất vật lí của enzyme, càng ít bị biến tính.
Mức độ ổn định của enzyme được xác định bởi nồng độ gel và số lượng các
tương tác cộng hóa trị .
Các hằng số động học động học K m, Vmax…bị biến tính bởi q trình cố định là
do thay đổi cấu trúc bên trong và giới hạn vào vị trí hoạt động của enzyme, hay do
những thay đổi của phân tử khếch tán trong môi trường.
4.2 Bản chất và tính chất hóa học của chất mang:
Các tính chất hóa học của chất mang như tính hịa tan, tính bền cơ học, độ
trương, điện tích, tính háo nước hay kỵ nước… đều ảnh hưởng đến lượng enzyme
được liên kết , tính bền, dẫn xuất enzyme penicillin, tới khả năng của các chất
mang hấp thụ không đặc trưng các chất từ mơi trường phản ứng.
Chất mang cũng có tác dụng hạn chế sự biến tính của penicillin trong dung mơi
có khả năng làm đứt mối liên kết hydrogen và liên kết kỵ nước.
-24-

Dung dịch đệm sử dụng trong trong sản xuất enzym penicillin
acylase này là sephadex
Đó là một loại dẫn xuất của dextran- một loại polysacchride phân tử
lớn của một số loài vi sinh vật Leuconostoc sinh trưởng và phát triển trong mơi
trường có saccharose. Phân tử dextran được cấu tạo từ các chuổi, trong đó các gốc
glucose nối với nhau bằng liên kết glycoside 1:6. Trọng lượng phân tử của dextran
đạt đến một triệu hoặc cao hơn. Sexphadex được thu nhận tử dextran bằng phương
pháp xử lý hoá học để tạo ra các liên kết ngang, làm cho sản phẩm không hồ tan
trong nước nhưng có thể trương phồng trong nước. Ngày nay trên thế giới người ta
đã sản xuất nhiều loại sephadex với kích thước hạt và độ phân nhánh khác nhau và
do đó có khả năng tách chiết khác nhau. Những sản phẩm này được ký hiệu bằng
các con số : G-10, G-25,G-50,G-75,G-100,G-200 v.v…
Chất mang polyacrylamide:
Là polymer rất đồng nhất, độ trương tốt,kích thước của lổ gel có thể
điều chỉnh được và diện tích bề mặt tiếp xúc lớn. Polyacrylate và polyacrylate
thường được nạp vào cột, và có rất nhiều dạng khác nhau như polymer có
thiol,amine, hoặc aldehyde. Thường thì để tăng khả năng đóng mạch của gel
polyacrylamide,cần phải bổ sung thêm N,N-methyllenbisacrylamide làm chất
đóng mạch (crosslinking agent).
4.3 Sự khuếch tán của cơ chất, sản phẩm và các phân tử khác:
 Tốc độ khuếch tán của cơ chất, cơ chất và các chất hấp phụ khác
phụ thuộc vào:
 Kích thước lỗ gel của chất mang.
 Trọng lượng phân tử của cơ chất.
Sự chênh lệch nhiệt độ giữa vùng môi trường vi mô xung quanh enzyme
penicillin amidase và dung dịch tự do. Nhiệt độ tối ưu cho enzyme hoạt động
600C.

-25-

Trong đó kích thướt của chất mang và trọng lượng phân tử đóng vai trị quan
trọng.
Ảnh hưởng pH:
Điện tích của chất mang có ảnh hưởng đến pH tối ưu của enzyme, pH tối ưu của
penicillin acylase sau gắn lên chất mang.
pH thích hợp cho enzyme 7.5 - 8.0
III/ Quy trình sản xuất:
1. Kỷ thuật sản xuất enzyme penicillin acylase:

Acylases Penicillin được tìm thấy trong các vi sinh vật như vi khuẩn, nấm men, và
nấm, được sử dụng để xúc tác các thủy phân tự nhiên của penicillin.
 Penicillin ngoại bào được chiết xuất từ: xạ khuẩn, nấm men, nấm
mốc. Enzyme này có khả năng thủy phân các penicillin K, F, V
nhanh, còn đối với penicillin G lại thủy phân rất chậm ( thấp hơn
khoảng 100 lần)
 Penicillin nội bào chủ yếu có trong vi khuẩn có tác dụng thủy
phân nhanh phân tử penicillin G, cắt đứt dây nối peptid ở mạch
bên 6-APA.
Enzyme nơi bào và enzyme ngoại bào có pH hoạt động khác nhau: nội bào hoạt
động mạnh ở pH=7.3-8.5; còn enzyme ngoại bào hoạt động mạnh ở pH-9.0.
Việc sử dụng loại enzyme này là một trong những thành công sớm nhất của
các quá trình liên quan đến các enzym cố định và có thể được tái sử dụng trên 100
lần.
Các enzyme acylase thủy giải một số amides, được tổng qt bằng cơng thức
dưới đây:

R-CO-NHR' R-CO-NHR '
Q trình thủy phân chủ yếu dựa vào gốc R (acyl) , còn gốc R , khơng có tác

dụng thủy phân.
-26-


Quy trình sản xuất:

E.coli

NCIM 2350
NCIM 2350
Pha vỡ tế bào, chiết ra bằng dd đệm, pH =8
Dịch chiết
thô

Kết tủa amioniumsunfat 70% bảo
hịa loại bỏ acia nucleic

Enzyme

thơ
Lọc qua gel Sephadex G-200

enzyme
tinh sạch
Điện di trên gel polyacylamide +
SAS

Kiểm tra độ
tinh sạch
ezyme

Enzyme cố
định

-27-


Giải thích quy trình:
Có nhiều vi sinh vật có khả năng sinh enzyme penicillin acylase. Trong công
nghiệp hay dùng E.coli được ni dưỡng trong mơi trường dinh dưỡng có thành
phần môi trường dinh dưỡng như sau:
Cao ngô:

2%

Pepton :

0.5%

Glucose:

2%

Acid penylacetic

0.15%

Nhiệt độ

300

Thời gian

24h

Enzyme penicillin acylase được sản xuất từ E.coli NCIM 2350. Trước hết ta
phá vỡ tế bào bằng máy nghiền và bổ sung thêm dung dịch đệm phosphate 0.03M
ở pH = 8 để chiết rút dịch chiết thơ có chứa enzyme.
Dịch chiết thu được thường chứa rất nhiều protein các hợp chất không mong
muốn, nồng độ enzyme rất thấp. Do vậy ta cần bổ sung thêm các tác nhân gây kết
tủa. Để tủa enzyme từ dịch chiết thô bằng amonium sulfate 70% vì muối này có độ
hịa tan rất cao ( có thể đạt 720g/l, t0=250C) ít làm mất hoạt tính của enzyme, ngồi
ra có thể làm bền enzyme.Sau đó đem ly tâm ....hòa tan tủa trở lại bằng dung dịch
đệm ở pH=8.Ta thu được enzyme thô.
Để tách từng phần và tiến tới tinh sạch hoàn toàn enzyme, người ta dùng
phương pháp sắc ký lọc gel. Nguyên tắt của phương pháp này dựa vào mức độ
dịch chuyển khác nhau của các phân tử có kích thướt khác nhau.Gel sử dụng
Sephadex G-200.Các phân tử đi qua hệ thống các hạt gel, nếu có kích thướt nhỏ
hơn kích thướt của các lỗ gel có thể chui vào trong hạt gel. Do đó thời gian đi qua
cột sẽ lâu hơn các phân tử có kích thuớt lớn hơn. Cịn các hạt có kích thướt lớn sẽ
đi qua khoảng trống các lỗ gel. Các phân tử có kích thướt lớn sẽ chui ra trước các

-28-


phân tử có kích thướt nhỏ sẽ chui ra sau. Nhờ vậy cho phép ta phân chia ra các đại
phân tử có kích thướt khác nhau.
Sử dụng kỷ thuật điện di gel polyacrylamide (PAGE) biến tính sử dụng gel và
đệm có chứa sodium dodecyl sulfate ( SAS). Các phân tử enzyme trong mơi
trường có chứa SAS sẽ bị duỗi thẳng ra và trở nên tích điện âm, vì vậy sẽ dịch

chuyển về cực dương trong điện trường. Tốc độ dịch chuyển phụ thuộc khối lượng
phân tử của các enzyme, các enzyme có khối lượng càng nhỏ thì chạy càng nhanh,
các emzyme có khối lượng phân tử nhỏ thì chạy chậm hơn. Sau quá trình điện di ,
gel được nhuộm bằng coomassie. Điện di trên gel polyacylamide có chứa SAS
thường tiến hành với các enzyme chuẩn có khối lượng phân tử đã biết , vì thế dễ
dàng xác định khối lượng của phân tử của enzyme penicillin acylase.
Phương pháp điện di trên chất mang polyacrylamide (PAGE)
Gel tạo bởi sự polymer hóa acrylamide hóa acrylamide có một số ưu điểm
sau: có độ phân tách tốt đối với các phân tử protein và nucleic acid có MW trung
bình (tới 106Da), tách được phân tử có kích thước tương đối lớn. Tương tác giửa
phân tử di chuyển và nền gel là nhỏ và nền gel khá bền về mặt tính vật lý. Khác
với phương pháp lọc gel, phương pháp điện di vừa có tính chất tách phân tử nhờ
độ xốp của chất nền,lại vừa phân tách theo điện năng mà chúng có. Trong
phuong2w pháp lọc gel phân tử lớn chạy nhanh hơn phân tử nhỏ,còn trong điện di
lại ngược lại.
Gel polyacrylamide tạo bởi quá trình polymer hóa acrylamide với chất tạo
liên kết ngang N,N-methylene-bí-acrylenide. Q trình trên được kiểm sốt bởi
sốt bởi hệ xúc tác khởi động,ammonium péulfate-n,n,N’,N-tetramethylene
diamine (TEMED), riboflavin xúc tác polymer hóa phụ thuộc UV. Gel để tách
protein thường là loại gel 7.5% polyacrylamide,cho phép tách protein có MW từ
10.000-1.000.000 Da, tuy nhiên tốt hơn cả là trong khoảng từ 30.000-300.000Da.
Nguyên tắc chủ yếu là nồng độ acrylamide càng thấp gel tạo thành càng xốp,càng
cho phép phân tử lớn hơn.

-29-