Лекарственные формы с антибиотиками. 
Особенности организации и стадии технологического процесса

ГБОУ ВПО «Казанский государственный медицинский университет»

Министерства здравоохранения и социального развития РФ Фармацевтический факультет Кафедра фармацевтической технологии Курсовая работа на тему:

Лекарственные формы с антибиотиками. Особенности организации и стадии технологического процесса Казань, 2011

1. Основные виды сырья, используемые в производстве антибиотиков

2. Аппаратурно-технологическое оформление процесса ферментации антибиотиков

3. Стерилизации воздуха, аппаратов и сред, подготовка аппаратов к загрузке

4. Процессы химической очистки антибиотиков и их аппаратурно-технологическое оформление

5. Процессы сушки в производстве антибиотиков

6. Частная технология антибиотиков

7. Лекарственные формы антибиотиков

8. Дозировка, фасовка, упаковка и оформление готовой продукции

9. Биологические методы контроля производства антибиотиков Вывод Список литературы

Термин «антибиотик» был предложен в 1942 г. С. А. Ваксманом для обозначения веществ, образуемых микроорганизмами и обладающих антимикробным действием.

Впоследствии многие исследователи предлагали свои формулировки, вкладывая в них подчас слишком ограниченное содержание либо чрезмерно расширяя это понятие.

Наиболее удачным с теоретической точки зрения и отражающим современное состояние вопроса является определение, предложенное М. М. Шемякиным, А. С. Хохловым и др. (1961): «Антибиотическими веществами (антибиотиками) следует называть все продукты обмена любых организмов, способные избирательно подавлять или убивать микроорганизмы (бактерии, грибы, вирусы и др.)».

Близкую формулировку дают М. Герольд и др. (1966). В последнее время получил признание термин «противоопухолевый антибиотик», хотя он и не укладывается в рамки данного определения. [3]

Практика медицины предъявляет к антибиотическим веществам следующие основные требования:

— отсутствие или низкий уровень токсичности препарата и продуктов его разрушения в организме;

— выраженный антимикробный эффект при минимальных концентрациях;

— медленное развитие устойчивости в процессе применения препарата;

— хорошая растворимость в воде, стабильность при обычных условиях хранения;

— оптимальные условия всасываемости, распределения и выделения, сохранение антимикробного действия в различных условиях среды физиологических жидкостей и тканей организма.

Повышение степени чистоты препаратов, освобождение от сопутствующих неактивных примесей, создание производных, обладающих новыми ценными для практики свойствами (растворимость, длительность действия), изготовление их в виде разнообразных лекарственных форм позволяют значительно расширить область применения антибиотиков и повысить их эффективность.

Антибиотики оказали огромное влияние на развитие современной медицины. Особое значение эти препараты имеют при лечении многих инфекционных заболеваний, которые в «доантибиотическую» эпоху относились к категории неизлечимых или сопровождались высоким уровнем смертности.

К таким заболеваниям относятся некоторые формы туберкулеза, чума, азиатская холера, бруцеллез, брюшной тиф, риккетсиозы, пневмонии, септические процессы.

Антибиотики неизмеримо расширили лечебные возможности в сложнейших областях хирургии. Резкое снижение смертности детей особенно раннего возраста, достигнутое за последние годы, в значительной мере связано с применением антибиотиков. 4]

1. Основные виды сырья, используемые в производстве антибиотиков

В промышленности антибиотиков применяется разнообразное сырье— минерального, растительного, животного происхождения, а также синтетические химические продукты.

Сырье, применяемое на стадии ферментации, используется для приготовления питательных сред. Состав сред для разных антибиотиков зависит от физиологических потребностей микроорганизма и свойств антибиотика, однако в них имеется и много общего.

Основой всех сред является вода.

Источники углерода — углеводы (глюкоза, крахмал, сахароза, лактоза) или продукты, богатые углеводами (гидрол, меласса, кукурузная и пшеничная мука), жиры или масла.

Источники азота — соевая мука, кукурузный экстракт, жмыхи масличных культур, а также минеральные соли азота — как нитраты, так и соли аммония.

Из неорганических соединений часто добавляют мел и поваренную соль, а в некоторые среды — соединения фосфора и серы.

Кроме этих видов сырья, общих для всех антибиотиков, в некоторых случаях используются предшественники, а также стимуляторы и ингибиторы побочных процессов.

Используемое сырье, особенно растительного происхождения, неоднородно по своему составу, разные партии иногда сильно отличаются друг от друга. Эти отклонения могут привести к снижению выхода антибиотика.

Показатели, имеющиеся в ГОСТ или ТУ на сырье, недостаточны для определения его продуктивности в отношении образования антибиотика, поэтому основные виды сырья предварительно, до пуска в производство, подвергают проверке в пробных ферментациях. Для этого в цеховой лаборатории изготавливают две партии среды — одну из доброкачественного сырья, употребляемого в производстве, другую — с заменой одного из видов сырья на испытуемый.

При положительных результатах лабораторной проверки, когда уровень активности на среде с новым сырьем не ниже, чем в контроле, проводят несколько пробных ферментации в цехе и лишь после этого направляют новую партию сырья для использования. [5]

Сырье, применяемое на стадиях предварительной обработки культуральной жидкости и нативного раствора, выделения и химической очистки антибиотиков.

Дезэмульгаторы.

В производстве пенициллина, нативный раствор которого содержит большое количество белковых и органических примесей, дающих при обработке бутилацетатом стойкую эмульсию, затрудняющую процесс сепарирования, применяют дезэмульгаторы, которые частично разрушают эмульсию и тем самым способствуют лучшему разделению на сепараторах.

В качестве дезэмульгатора в настоящее время применяется контакт Петрова (нефтяные сульфокислоты), представляющий собой смесь сульфокислот, получаемых при обработке керосинового дистиллята нефти серным ангидридом.

Имеются следующие марки контакта Петрова: керосиновый — КПк-1 и КПк-2 и газойлевый КПг. В соответствии с ГОСТ содержание сульфокислот в контакте Петрова марки КПк-1 составляет не менее 55%, а марки КПк-2 и КПг — не менее 50%.

Хорошим дезэмульгатором при экстракции пенициллина является цетазол, при добавлении которого происходит более полное разрушение эмульсии, чем при использовании контакта Петрова, вследствие ограниченной растворимости цетазола в бутилацетате и хорошей растворимости в воде. Цетазол представляет собой четвертичную соль, получаемую на основе высших спиртов кашалотового жира (густая масса темно-коричневого цвета с запахом пиридина).

Цетазол может использоваться не только в качестве дезэмульгатора, но и в качестве переносчика при получении тетрациклина экстракционным методом.

Органические растворители и экстрагенты.

При экстракционном методе выделения антибиотиков требуется большое количество органических растворителей и экстрагентов.

а) бутилацетат, нормальный технический, применяемый в качестве экстрагента в производстве пенициллина;

б) изооктиловый спирт, применяемый в качестве экстрагента в производстве тетрациклина;

в) бутиловый спирт, применяемый для получения азеотропной смеси при вакуум-упаривании концентрата бензилпенициллина и при переводе тетрациклина основания в хлоргидрат. Для этих целей используется как нормальный первичный бутиловый спирт, получаемый брожением, так и бутиловый спирт заводов синтетического каучука, получаемый путем фракционной разгонки высших спиртов, образующихся в процессе производства синтетического каучука;

г) метиловый спирт, синтетический и лесохимический, применяемый в качестве растворителя в производстве хлортетрациклина;

д) этиловый спирт технический (гидролизный), являющийся продуктом спиртового брожения сахаров, образующихся при гидролизе древесины, растительных отходов или при сульфитной варке целлюлозы, и этиловый спирт синтетический. [5]

Ионообменные смолы.

В производстве антибиотиков широкое применение имеют ионообменные смолы (иониты). Они применяются для сорбции антибиотиков из нативного раствора, обеззоливания и нейтрализации элюатов, а также для умягчения и обессоливания воды.

Синтетические ионообменные смолы являются высокомолекулярными соединениями, представляющими собой твердые нерастворимые вещества, механически прочные и химически устойчивые, обладающие ионообменными свойствами.

Все смолы делятся на катиониты и аниониты.

Катеониты обладают кислыми свойствами и способны к обмену катионов.

Аниониты обладают основными свойствами и способны к обмену анионов.

В зависимости от химического состава и степени диссоциации иониты делятся на сильнокислотные и слабокислотные катиониты, сильноосновные и слабоосновные аниониты.

Ионообменные смолы используются для выделения и химической очистки стрептомицина, окситетрациклина, неомицина, полимиксина, флоримицина, циклосерина, канамицина.

Сульфоуголь — сульфированный уголь, в котором основной активной группой является SO3H. Применяется для умягчения и обессоливания воды. Получается сульфированием предварительно измельченных природных каменных углей.

Активированный уголь.

Для осветления растворов антибиотиков их обрабатывают углем. Для этой цели используется осветляющий древесный уголь, являющийся продуктом активирования древесного угля-сырца водяным паром при высокой температуре.

Уголь бывает трех марок: марки, А (осветляющий, сухой, щелочной), марки Б (осветляющий, влажный, кислый), марки В (осветляющий, влажный, нейтральный или слабощелочной). [5]

Разные химические продукты.

В промышленности антибиотиков применяется большое количество минеральных кислот и щелочей. Такие кислоты, как серная техническая и соляная синтетическая, техническая, применяются для подкисления растворов (доведения до нормы и поддержания на определенном уровне рН растворов), при' десорбции стрептомицина с катионита, при регенерации смол.

Щавелевая кислота и соли щавелевой кислоты (оксалаты) применяются при обработке культуральной жидкости стрептомицина для удаления ионов металлов (кальция, железа, магния), а также для удаления белков и органических оснований.

Для подщелачивания среды, нейтрализации элюатов, регенерации смол применяются растворы щелочей: едкое кали, едкий натр технический (сода каустическая). Применяется как твердый, так и жидкий едкий натр марки «химический».

В качестве антисептиков для обработки емкостей, помещений, для добавления в нативный раствор антибиотиков перед подачей на ионообменные колонны применяется формалин технический, получаемый из синтетического и лесохимического метилового спирта, фенол синтетический, технический, хлорамин, перекись водорода. [5,6]

2. Аппаратурно-технологическое оформление процесса ферментации антибиотиков

Биосинтез антибиотиков включает комплекс взаимосвязанных биохимических, физико-химических и диффузионных процессов, интенсивность протекания которых во многом определяется режимом работы диффузионного аппарата-ферментера и его гидродинамической характеристикой.

Применительно к культуральным жидкостям антибиотиков, где наличие трехфазной системы (жидкость — твердое тело — воздух) и меняющиеся во время биосинтеза физико-химические параметры среды (в первую очередь вязкость) чрезвычайно затрудняют протекание процессов массообмена, конструктивное оформление ферментера приобретает особо важное значение.

Иногда даже незначительное изменение в конструкции аппарата может существенным образом изменить общий характер протекания процесса. Глубинное культивирование микроорганизмов-продуцентов антибиотиков, осуществляемое при интенсивных аэрации и перемешивании среды, проводится в настоящее время в специальных аппаратах-ферментерах, представляющих собой закрытые цилиндрические сосуды со сферическим днищем, снабженные мешалкой, барботером для подачи воздуха, отбойниками, рубашкой или змеевиками для нагрева и охлаждения среды, а также запорной арматурой и контрольно-измерительными приборами. Достаточно обоснованные зависимости с широким диапазоном действия, связывающие протекание процесса биосинтеза с гидродинамическими факторами, определяющими эффективность работы ферментера как диффузионного аппарата, практически отсутствуют.

Этот факт является одной из основных причин, обусловливающих подбор режима биосинтеза в большинстве случаев чисто эмпирическим путем, в связи с чем его безусловно нельзя назвать оптимальным. [7]

3. Стерилизации воздуха, аппаратов и сред, подготовка аппаратов к загрузке

Глубинное выращивание микроорганизмов, помимо собственно процесса биосинтеза, включает ряд вспомогательных технологических операций — получение сжатого стерильного воздуха, приготовление и стерилизация питательных сред, подготовка оборудования.

Эти операции во многом определяют качественные и количественные показатели процесса биосинтеза, поэтому к их аппаратурно-технологическому оформлению, технологическим параметрам и режиму работы оборудования предъявляются повышенные требования.

Выращивание микроорганизмов-продуцентов антибиотиков, протекающее в аэробных условиях, требует подачи больших количеств стерильного воздуха для аэрации.

Атмосферный воздух содержит в себе в большей или меньшей степени различные частицы органического и неорганического происхождения, пары влаги, микроорганизмы и т. д.

Использование компрессоров для сжатия воздуха приводит к добавлению механических включений, образующихся в результате истирания трущихся деталей при работе машины, а в случае применения поршневых компрессоров — также еще и смазочных масел.

Установка для очистки и стерилизации воздуха, подаваемого на аэрацию, должна удовлетворять ряду общих требований. Она должна быть простой по конструкции и экономичной в эксплуатации, полностью обеспечивать очистку воздуха от микроорганизмов выдерживать стерилизацию паром или химическими антисептиками.

Очистка и стерилизация воздуха могут быть осуществлены с помощью таких, например, методов, как нагревание до высоких температур, облучение ультрафиолетовыми лучами, электростатическое осаждение, пропускание через раствор антисептиков фильтрация через различные фильтрующие материалы.

За исключением фильтрации все эти методы в основном используются в лабораторных условиях, в первую очередь в связи с отсутствием при их применении достаточно полной гарантии обеспечения стерильности.

В настоящее время в отечественной промышленности антибиотиков наиболее широко применяется технологическая схема получения, очистки и стерилизации сжатого воздуха, включающая следующие стадии:

1) предварительную (грубую) очистку воздуха от механических примесей;

2) сжатие воздуха;

3) охлаждение воздуха и отделение сконденсировавшихся паров влаги, а также масла (в случае применения поршневых компрессоров);

4) стерилизацию воздуха. [1,7]

4. Процессы химической очистки антибиотиков и их аппаратурно-технологическое оформление

Выделение антибиотика и его химическая очистка являются следующими после стадий ферментации и фильтрации культуралъной жидкости основными этапами производства, охватывающими значительную его часть — от обработки нативного раствора (а иногда нефильтрованной культуральной жидкости или содержащего антибиотик мицелия) до сушки очищенного препарата.

Рис 1. Общая схема выделения и очистки антибиотиков [В.Я. Воробьева, 1977]

На промышленных предприятиях эта часть производства, включающая несколько технологических стадий, организационно оформлена обычно в виде отдельного участка или цеха, оснащенного разнообразным, зачастую весьма сложным оборудованием.

В процессе химической очистки осуществляется извлечение антибиотика из нативного раствора или, реже, из мицелия, концентрирование антибиотика и удаление сопутствующих ему примесей с целью получения чистого препарата.

Таким образом, если количество производимого продукта определяется главным образом на стадии ферментации, а его товарная форма — на стадии фасовки и получения лекарственных средств, то качество антибиотика, его чистота в решающей степени зависят от химической очистки.

Получение препарата высокой степени чистоты представляет собой весьма сложный и трудоемкий процесс, прежде всего, из-за многочисленности примесей, присутствующих наряду с антибиотиком в поступающем на химическую очистку нативном растворе.

Этими примесями являются как компоненты питательной среды, не полностью потребленные микроорганизмом-продуцентом, так и продукты его жизнедеятельности, а также вещества, образовавшиеся при стерилизации среды, тепловой коагуляции и т. д.

По химической природе примеси чрезвычайно разнообразны: неорганические соли и углеводы, жиры, различные белки и другие органические соединения, продукты их распада, окисления, ферментных превращений.

Однако наибольшие трудности при очистке связаны с наличием среди примесей веществ, близких к антибиотику по физико-химическим свойствам, а иногда имеющих такой же химический состав и даже идентичную структуру молекулы и отличающихся от него лишь пространственным расположением отдельных атомов или функциональных групп (стереоизомеры, например эпимеры тетрациклина). [5]

Антибиотики, представляющие собой сложные органические соединения, зачастую отличаются неустойчивостью в растворах, высокой чувствительностью к внешним условиям.

Во многих случаях даже небольшое повышение температуры, изменение рН и т. д. приводят к инактивации, т. е. к химическим изменениям, превращающим антибиотик в биологически неактивное вещество.

Поэтому для химической очистки антибиотиков, как правило, недопустимо применение резких температурных воздействий, жестких химических реагентов (концентрированных кислот, щелочей, окислителей). Во избежание значительных потерь продукта технологические процессы химической очистки должны проводиться в условиях, максимально обеспечивающих стабильность антибиотика; если же неблагоприятные для антибиотика процессы неизбежны, они должны для уменьшения инактивации осуществляться как можно быстрее, при пониженных температурах, строгом регулировании рН раствора.

Характерным для химической очистки является также применение агрессивных, коррозирующих металлы реагентов (в частности, разбавленной серной и соляной кислот) при необходимости вместе с тем обеспечить максимальную чистоту продукта.

В связи с этим технологическая аппаратура и трубопроводы участков химической очистки, как правило, изготовляются из коррозионноустойчивых, легко отмываемых от загрязнений материалов (нержавеющей стали, стекла, эмалированного чугуна, пластмасс).

Важной особенностью химической очистки, как и других стадий технологического процесса получения антибиотиков, являются чрезвычайно высокие требования к санитарным условиям производства.

Соблюдение высокой степени чистоты помещений и оборудования, систематическая промывка и дезинфекция представляют собой необходимую предпосылку получения продукта высокого качества.

В случае же выпуска инъекционных препаратов завершающие этапы химической очистки (получение солей, кристаллизация) должны проводиться в строго асептических, условиях, обеспечиваемых комплексом специальных мероприятий.

Естественно, что сложность, тонкость, разнообразие процессов и оборудования химической очистки требуют высококвалифицированного обслуживания, точного соблюдения технологических параметров, хорошо поставленного контроля, безупречного санитарного состояния предприятий. 6]

Дальнейшее развитие технологии химической очистки. Характерный для современной антибиотической промышленности рост номенклатуры выпускаемых препаратов и значительные колебания в объемах производства требуют от промышленных предприятий максимальной мобильности, возможности быстрого и не вызывающего больших затрат перехода от выпуска одного антибиотика к другому.

Если приготовление питательных сред и ферментация удовлетворяют этому требованию, то, как видно из изложенного, специфичность современного аппаратурно-технологического оформления химической очистки разных групп антибиотиков затрудняет маневренность производства.

Это обстоятельство усугубляется различиями в аппаратурно-технологическом оформлении однотипных производств на разных предприятиях, что зачастую вызвано случайными причинами, отсутствием данных об оптимальных условиях и оборудовании процессов и т. п.

Поэтому одним из важнейших направлений дальнейшего развития технологии антибиотиков является рациональная универсализация методов выделения и химической очистки и создание на этой основе унифицированных оптимальных аппаратурно-технологических схем установок различной производительности.

Разумеется, такие схемы должны базироваться на использовании наиболее эффективных реагентов и материалов, обеспечивающих получение препаратов высокого качества при сравнительно небольшом числе технологических стадий, а основу аппаратурных схем должны составлять высокопроизводительные механизированные установки непрерывного действия, оснащенные новейшими системами автоматического контроля и регулирования процессов. 6]

5. Процессы сушки в производстве антибиотиков

Антибиотики в большей или меньшей степени термолабильны, в связи с чем методы сушки, связанные с длительным воздействием высоких температур, не пригодны для обезвоживания препаратов антибиотиков, так как в этом случае происходит резкое ухудшение качества (потеря биологической активности изменение цвета и т. д.)

Исходя из этого, первым методом является метод сублимации льда в вакууме из предварительно замороженных растворов (лиофильная сушка). Данный метод широко применяется в пищевой и химико-фармацевтической промышленностях.

Также применяется метод сушки растворов антибиотиков с применением сушилки с центробежным распылением.

Для обезвоживания термолабильных препаратов имеется конструкция двухступенчатой сушилки, совмещающей в себе две технологические стадии — выпаривание растворов и последующую сушку. Концентрирование растворов в потоке нагретого воздуха дает несомненные преимущества перед методом выпаривания в вакууме.

Значительно более эффективным методом сушки для зернистых и пастообразных материалов является сушка во взвешенном слое. По режиму работы сушильные установки подобного типа можно разделить на три группы: установки непрерывного, периодического и полунепрерывного действия.

Наиболее широкое распространение в промышленности получили непрерывно действующие сушильные установки. Перспективным направлением является сушка с импульсной подачей воздуха.

Это — сушилки периодического действия, работающие с пульсирующей подачей сушильного агента в слой материала. В указанном случае материал, помещенный в камеру, куда периодически вводится сушильный агент, приводится в состояние кратковременного интенсивного псевдоожижения. В результате проведения многократных импульсов обеспечивается однородность высушенного препарата при достаточной интенсивности протекания процесса. [5]

6. Частная технология антибиотиков

Пенициллины и цефалоспорины — большая группа лекарственных препаратов, имеющих определенное сродство химического строения, механизмов действия, фармакологических, клинических эффектов.

Эти препараты называют в — лактамными антибиотиками, что обусловлено наличием в их структуре общего для всей группы чётырехчленного лактамного кольца.

Все пенициллины имеют одинаковое строение основной группы, которая представлена тиазолидиновым кольцом, соединенным в — лактамным кольцом, и имеющим аминогруппу — 6-аминопеницилановая кислота (6-АПК).

R=H — 6-аминопенициллановая кислота Различные пенициллины отличаются строением радикала молекулы боковой цепи, активностью и спектром действия. Важные, с точки зрения клинического использования, представители пенициллинов можно разделить на несколько групп:

лекарственный антибиотик ферментация производство

— обладающие наивысшей активностью в отношении грамположительных микроорганизмов и слабой в отношении грамотрицательных видов, а также гидролизуемые в — лактамазам (бензилпенициллин);

— относительно резистентные к действию влактамаз стафилококков, но с более низкой активностью в отношении грамположительных микроорганизмов и не действующие на грамотрицательные (нафициллин, метациллин);

— относительно высокоактивные против грамположительных и грамотрицательных микроорганизмов, но разрушаемых в — лактамазами (карбенициллин, тикарциллин);

— препараты с относительной кислотоустойчивостью и пригодные для. перорального применения (феноксиметилпенициллин, ампициллин, клоксациллин).

Структурное единство ядра 6-АПК существенно для проявления биологической активности молекул. При ферментативном расщеплении в — лактамного кольца бактериальными в — лактамазами (пенициллиназами) с образованием неактивной пенициллановой кислоты антибиотик лишается своих антимикробных свойств.

Задачей получения новых пенициллинов является разработка препаратов, устойчивых к в — лактамазам, или со сниженной способностью к индукции синтеза в — лактамаз.

Для предотвращения возникновения резистентных форм бактерий к в — лактамным антибиотикам получены липосомальыые формы этих антибиотиков (защита антибиотика происходит в результате включения в — лактама в положительно заряженные липосомы).

Комплекс антибиотик — липосома обладает рядом преимуществ:

— снижается токсичность препарата за счет направленного транспорта;

— повышается проникновение антибиотиков через внешнюю мембрану грамотрицательных бактерий;

— антибиотик, включенный в липосомы, защищен от действия в — лактамаз;

— повышается химическая стабильность антибиотика. [8]

Для промышленного производства антибиотика используют культуру Penicillium chrysogenum и среду, содержащую кукурузный экстракт, гидрол, лактозу и минеральные соли.

Вместо кукурузного экстракта может быть применена арахисовая мука, жмыхи, мука из хлопковых семян и другие, источники; возможность широкого использования продуктов растительного происхождения обусловлена тем, что у P. chrysogenum имеются сильные протеолитические ферменты.

В качестве углеводов часто используют сахарозу или смесь лактозы с глюкозой в соотношении 1:1. Глюкоза может снижать биосинтез антибиотика; на средах, содержащих лактозу или сахарозу (в условиях депрессии), биосинтез антибиотика идёт активнее.

Важную роль в процессе биосинтеза пенициллина играет сера, которая содержится в структуре антибиотика. В качестве источников серы используются натрия сульфат и натрия тиосульфат. Избыток ионов меди не влияет на рост гриба, но подавляет биосинтез пенициллина.

Эффект торможения биосинтеза снимается добавлением в среду ионов железа. Р. chrysogenum в качестве источника фосфора может использовать не только фосфаты, но и фитаты (соли инозитфосфорных кислот): этот продуцент содержит фермент, разрушающий фитин с освобождением неорганического фосфора.

Температура в период первой фазы должны быть 30 °C,. во вторую фазу 20 °C, рН в период роста гриба — ниже 7,0, потребление углеводов должно быть медленным, что достигается использованием лактозы, либо дробным внесением глюкозы.

Синтез того или иного пенициллина зависит от наличия специфичного вещества в среде, иначе говоря, предшественника, который микроорганизм включает в молекулу антибиотика без предварительного расщепления. Следует отметить, что предшественники биосинтеза пенициллина (фенилуксусная кислота, фенилацетамид, феноксиуксусная кислота) при определённых концентрациях и рН среды оказывают токсическое влияние на продуцента.

Фенилуксусная кислота наименее токсична. Добавление её в среду в концентрации выше 500 мкг/мл угнетает рост мицелия, особенно в первые 24 ч его развития.

Фенилуксусная кислота добавляется в концентрации от 100 до 500 мкг/мл через 24 ч развития Р. chrysogenum. При таких условиях обеспечивается наибольший выход бензилпенициллина, который через 72 ч развития может достигать 500—1000 мкг/мл. [9]

При развитии гриба без внесения предшественника образуется около 45% бензилпенициллина и около 53% пенициллина К (радикал — n-гептилпенициллин).

При добавлении к среде фенилуксусной кислоты (C₆H₅CH₂COOH) меняется соотношение образующихся компонентов в сторону резкого увеличения бензилпенициллина, количество которого в зависимости от возраста достигает 75—99% от смеси пенициллинов.

В процессе культивирования Р. chrysogenum в среде, не содержащей фенилуксусной кислоты, в ней накапливаются серосодержащие соединения не в — лактамного характера, близкие к цистеину и метионину. Добавление в среду фенилуксусной кислоты способствует более интенсивному метаболизму серосодержащих компонентов в соединения в — лактамного характера.

При развитии продуцента пенициллинов — гриба Р. chrysogenum — на кукурузно-лактозной среде выделяют три фазы.

Первая фаза — рост мицелия, выход антибиотика низок. Всегда присутствующая в кукурузном экстракте молочная кислота потребляется продуцентом с максимальной скоростью, лактоза используется медленно. Потребление кислорода высокое. Усиливается азотный обмен, в результате в среде появляется аммиак и резко поднимается значение рН.

Вторая фаза — максимальное образование пенициллина, это связано с быстрым потреблением лактозы и аммонийного азота. рH среды остаётся почти без изменений, увеличение массы мицелия незначительное, потребление кислорода снижается.

Третья фаза — снижение концентрации антибиотика в среде в связи с начавшимся автолизом мицелия и выделением в результате этого процесса аммиака, что сопровождается повышением рН среды.

Процесс биосинтеза пенициллина ведётся при самом тщательном соблюдении стерильности всех операций, так как загрязнение культур посторонней микрофлорой резко снижает накопление антибиотика. Это связало с тем, что многие бактерии воздуха способны образовывать пенициллиназу. Особенно активно продуцируют этот фермент B. subtilis и В. cereus.

Одним из активных продуцентов пенициллиназы является туберкулёзная палочка (Мусоb. tuberculosis). Предположительно именно с этим свойством связана резистентность этого микроорганизма к пенициллину.

Механизм биосинтеза молекулы пенициллина представлен на схеме:

Кетоглутарат + Ацетил-КоА

v

Гомоцитрат

v

б-кетоадипиновая кислота

v

L-баминоадипиновая кислота (L-б-ААК)

v< L-цистеин

L-б-ААКLцистеин (LL-дипептид)

v< L-валин

L-б-ААК-L-цистеин-D-валин (LLD-трипептид)

v

Моноциклический в-лактам

v

Изопенициллин N (L-б-ААК-6-АПК)

vC₆H₅CH₂COOH

Бензилпенициллин (C₆H₅CH₂CO-6-АПК) Современная промышленная микробиология получает культуральные жидкости, содержащие свыше 55 тыс. ед/мл. Выделение пенициллина начинается с фильтрации или центрифугирования (отделения мицелия гриба).

Из культуральной жидкости антибиотик, где он находится в виде кислоты, выделяют путём экстракции неполярными органическими растворителями (амилацетатом, хлороформом, бутилацетатом, бутанолом и др.).

Очистку антибиотика проводят путем замены растворителей, поскольку соли пенициллина плохо растворимы в органических растворителях.

Экстрагированный пенициллин в виде кислоты переводят в водный раствор в виде соли, добавляя щёлочь. Повторяя эти операции, пенициллин концентрируют и очищают. Большинство пенициллинов производят в виде натриевых или калиевых солей. Новокаиновые и бензатиновые соли являются основой пролонгированных препаратов пенициллина для внутримышечного введения.

Большинство пенициллинов производят в виде натриевых и калиевых солей. Новокаиновые и бензокаиновые соли являются пролонгированными формами для внутримышечного введения.

В сухой кристаллической форме пенициллиновые соли достаточно стабильны при температуре 4 °C. Растворы быстро теряют активность (в течение 24 ч при температуре 20 °С), их готовят непосредственно перед введением.

Пероральные пенициллины применяют за 1 ч до или через 2 ч после приема пищи, чтобы снизить связывание компонентами пищи и кислотную инактивацию препаратов

Цефалоспорин — антибиотик из грибов рода Cepholosporium. Основным продуцентом является С. acremonium.

Впервые сообщение было сделано Джузеппе Бротцу в 1948 г. В культуральной жидкости было обнаружено несколько цефалоспоринов, основной из которых — цефалоспорин С.

На основе этого антибиотика в дальнейшем были созданы многочисленные полусинтетические цефалоспорины с ценными свойствами.

По химическому строению цефалоспорин принадлежит влактамным соединениям, но в-лактамное кольцо конденсировано не с пяти, а с шестичленным гетероциклом.

Цефалоспорины в отличие от пенициллинов устойчивы к в-лактамазе, подавляют развитие и грамположительных и грамотрицательных бактерий, но активность этого антибиотика ниже пенициллина.

Цефалоспорин не инактивируется пенициллиназой. Но имеется аналогичный фермент, гидролизующий в-лактамное кольцо цефалоспорина — цефалоспориназа.

В процессе развития С. acremonium наряду с цефалоспорином С синтезируется и пенициллин N. Его образование идёт тем же путём, что и образование изопенициллина N в процессе биосинтеза бензилпенициллина. Через ряд стадий из изопенициллина N образуется цефалоспорин С.

В последние годы методом смешанного (биологического и химического) синтеза удалось получить около 50 тыс. аналогов цефалоспорина.

Примерно 50 антибиотиков имеет практическое клиническое значение. Цефалоспорины традиционно делят на четыре поколения по спектру действия и антимикробной активности. [8]

Таблица 1. Характеристика цефлоспоринов различных поколений

Стрептомицин принадлежит к группе аминогликозидных антибиотиков.

Актиномицет, синтезирующий Streptomyces griseus впервые был выделен в лаборатории микробиологии Ратжерского университета в 1943 г. С появлением стрептомицина медицина получила мощное оружие для борьбы с таким тяжёлым и достаточно щироко распространённым заболеванием, как туберкулёз. Поэтому детально разрабатывались вопросы применения стрептомицина в терапии различных инфекционных заболеваний и его промышленного производства.

Стрептомицин продуцируют ряд видов актиномицетов рода Streptomyces. Однако основным продуцентом стрептомицина признан S. griseus, способный синтезировать до 10—20 тыс. мкг/мл антибиотика. Культуры актиномицетов весьма вариабельны и каждому штамму должна соответствовать определённая среда и свой режим для развития микроорганизма. На их изменчивость влияют условия культивирования и особенно состав сред (на более богатых по составу средах наблюдается и более быстрая изменчивость).

Изменчивость продуцентов стрептомицина — результат генетической нестабильности этих микроорганизмов, обусловленный существенными перестройками ДНК, которые затрагивают многие гены, в том числе и гены биосинтеза антибиотиков и гены устойчивости к ним.

Для стабилизации признаков, связанных с антибиотикообразованием, при хранении и поддержании штамма иногда в среды добавляют антимутагены — вещества, способные стабилизировать процессы, приводящие к хромосомным перестройкам и регуляции экспрессии генов. Среди антимутагенов — пуриновые нуклеотиды, ионы марганца, L-метионин, гистидин, полиамины, кофеин и другие соединения. В контроле биосинтеза стрептомицина S. griseus принимает участие плазмидная ДНК, в процессе биосинтеза — 20−30 генов. [9]

При промышленном производстве стрептомицина используются штаммы, хорошо развивающиеся на соевых средах, их основными компонентами является соевая мука, гидрол, аммонийные соли. Существенную роль в биосинтезе стрептомицина играют жиры соевой муки и её минеральный состав. Белок сои и его кислотный гидролизат малопригодны для биосинтеза антибиотика.

Аэрация среды имеет существенное значение, так как S. griseus — высокоаэробный организм и поглощает значительное количество кислорода, которое зависит от состава среды и стадии развития продуцента.

В ранний период развития актиномицета потребление кислорода воздуха более интенсивное, а затем оно падает до нуля. Увеличение степени аэрации повышает выход стрептомицина.

В анаэробных условиях продуцент стрептомицина развивается слабо. Мицелий, выращенный в аэробных условиях и перенесённый затем в анаэробные, стрептомицина не образует. Для максимального накопления антибиотика культура должна находиться в условиях непрерывной аэрации.

Оптимальная температура для развития антибиотика 27—29 °С. Повышение её до 30 єС и выше резко снижает и даже прекращает его образование. Оптимальную температуру меняют в зависимости от штамма продуцента и состава среды.

Лучшим начальным рН для развития актиномицета является 7,0. Стрептомицин образуется при значении рН от 7,5 до 8,5.

В кислых средах активность стрептомицина снижается, в щелочных — максимальная. Так, активность стрептомицина при рН 5,8 в 20—80 раз меньше, чем при рН 8,0. Для проявления максимальной антимикробной активности стрептомицина оптимальное значение рН 7,5—8,0.

Наличие некоторых веществ в среде влияет на антибиотическую активность стрептомицина. Если к этой среде прибавить 0,5—3% натрия хлорида, калия хлорида или натрия сульфата, Е. coli развивается в присутствии 10 мкг/мл стрептомицина.

Имеется два объяснения этому факту: в присутствии натрия хлорида уменьшается скорость и степень диффузии стрептомицина, или натрия хлорид снижает адсорбцию антибиотика бактериальной клеткой.

При концентрации пировиноградной, фумаровой кислот до 1% продуцент развивается в присутствии 10 мкг/мл стрептомицина, если концентрацию солей повысить до 3%, рост бактерий наблюдается при концентрации антибиотика 150 мкг/мл.

Защитные свойства этих кислот по-разному проявляются по отношению к различным микроорганизмам. В отношении Е. coli защитные свойства проявляются в большей степени, в отношении Staph. aureus защитных свойств не наблюдается.

Сильно снижается активность стрептомицина в присутствии цистеина и гидроксиламина (цистеин полностью инактивирует антибиотик в течение нескольких часов).

При развитии продуцента различают две основные стадии. На первой стадии идёт быстрый рост и развитие микроорганизма с энергичным использованием основных компонентов субстрата, максимальное потребление кислорода.

В цитоплазме высокое содержание РНК, ДНК вначале отсутствует и обнаруживается только через 12 ч развития. В среде происходит некоторое увеличение аммонийного азота, связанное с разложением белков соевой муки. рН вначале несколько снижается, затем повышается с 6,8 до 7,9. Образование стрептомицина незначительное.

Через 28 ч масса мицелия прекращает увеличиваться, начинается вторая стадия — процесс образования стрептомицина. На третьи сутки рН с 7,9 падает до 6,7, а на четвёртые и пятые — вновь возрастает до 7,7.

Вторая стадия характеризуется медленным потреблением оставшихся в среде питательных веществ, замедлением роста актиномицета, снижением потребления кислорода, автолизом мицелия, максимальным образованием стрептомицина.

Максимальное накопление стрептомицина наблюдается, когда автолитические процессы начинают преобладать над процессами роста. Количество аммонийного азота продолжает возрастать, что, по всей вероятности, связано с разложением белков соевой муки и автолизом мицелия. В культуральной жидкости находятся минеральные вещества, белки, нуклеиновые кислоты, аминокислоты, полисахариды, жиры, стрептомицин и другие вещества.

S. griseus при определённых условиях развития культуры образует ещё один антибиотик — маннозидострептомицин (стрептомицин В), в чистом виде вьщеленный в 1947 г. из культуры актиномицета методом противоточной хроматографии.

Маннозидострептомицин отличается от стрептомицина наличием в молекуле маннозы. Он менее активен, чем стрептомицин. Культуры S. griseus содержат фермент, превращающий маннозидострептомицин в стрептомицин. При соответствующем контроле развития культуры актиномицета можно добиться минимального образования маннозидострептомицина.

Основная часть стрептомицина выделяется в культуральную среду, но часть его остаётся в мицелии и на его поверхности. С целью извлечения стрептомицина из микроорганизма культуральную жидкость вместе с биомассой обрабатывают минеральной кислотой. При этом весь антибиотик переходит в раствор.

Мицелий отделяют прессованием или центрифугированием. Свободную от мицелия культуральную жидкость обрабатывают щавелевой кислотой. Этим достигается удаление белков и органических оснований, ионов металлов (кальция, магния, железа), далее ведётся выделение стрелтомицина в чистом виде.

Стрептомицин — сильно полярное соединение и его основание и соли неоргавических кислот хорошо растворимы в воде. Соли же органических кислот стрептомицина нерастворимы почти во всех органических растворителях.

Для выделения стрептомицина из культуральной жидкости в чистом виде используются методы адсорбции на активированном угле и метод ионообменной хроматографии.

В основу первого метода положена адсорбция стрептомицина на активированном угле при нейтральном или слабощелочном рН среды.

При рН 2—4 стрептомицин остаётся в растворе, в то время как примеси адсорбируются на сорбент. После удаления примесей на активированный уголь адсорбируют из подщелоченной среды антибиотик, его десорбцию осуществляют этанолом, подкисленным кислотой хлороводородной. Далее в раствор добавляется диэтиловый эфир — стрептомицин выпадает в осадок.

Стабильность стрептомицина имеет значение для производства и хранения антибиотика. Она зависит от чистоты препарата, влажности, температуры, рН растворителя.

Химически чистый стрептомицин устойчив в сухом состоянии и в виде растворов. Соли стрептомицина при хранении при комнатной температуре инактивируются лишь в незначительной степени на протяжении нескольких лет. Максимальная стабильность растворов стрептомицина сульфата и гидрохлорида находится при рН от 3,0 до 7,0 при температуре от 7 до 25 °C.

Грамицидин С. Продуцент Bacillus brevis способен синтезировать полипептидные актибиотики, к числу которых относят грамицидины А, В, С_D, D, C. Последний иногда обозначают как грамицидин S (советский грамицидин). Все они отличаются как по аминокислотному составу, так и по пространственной структуре молекулы.

Для производства грамицидина. С (S) предложены среды на основе мясного и дрожжевого гидролизатов, содержащие сбалансированный набор минеральных и органических солей.

В процессе культивирования необходимо подобрать сбалансированное сочетание интенсивности аэрации среды (от 0,38 до 4,38 г О₂(л/ч)) и концентрации входящих в неё веществ. Температура культивирования — 40 °C. Развитие продуцента и синтез антибиотика может идти и при температуре 28 °C, но в этом случае максимальный биосинтез антибиотика наблюдается в первые 24 ч, в то время, как при температуре 40 С — между 24 и 48 ч.

При выделение грамицидина С культуральную жидкость подкисляют кислотой хлороводородной до рН 4,5—5,0. В осадок выпадает дихлоргидрат грамицидина С вместе с бактериальными клетками продуцента. Из осадка антибиотик экстрагируют этанолом. Концентрат, содержащий 4% грамицидина, используется в медицинской практике.

Неомицины. В 1949 г. З. Ваксмак и Х. Лешевалье из культуры Streptomyces fradiae выделили неомицин. В дальнейшем было установлено, что это комплекс, состоящий из семи антибиотиков аминогликозидного строения.

На синтетической среде актиномицет развивается лучше, чем на среде с соевой мукой, но биосинтез неомицина на синтетической среде почти в 8 раз ниже, чем на натуральной среде неопределённого состава. Некоторые вещества способствуют повышению выхода неомицина на 50%. К ним относятся ауксин, б-нафтилуксусная кислота.

Наиболее эффективная доза ауксинов — семь частей на миллион, внесённая в среду перед стерилизацией. Стимулирующий эффект ауксинов проявляется при продолжительности процесса 138—162 ч, в ранние сроки развития культуры эффект отсутствует.

В процессе образования антибиотика существенную роль играет цинк. Степень аэрации культуры должна быть несколько ниже, чем при выработке стрептомицина.

Неомицины — основания, хорошо растворимые в воде и нерастворимые в органических растворителях, наибольшая их антибиотическая активность проявляется в щелочной среде.

Неомициновый комплекс не теряет антимикробных свойств при длительном хранении (до 2-х лет) как в виде растворов, так и в твёрдом состоянии. [8]

7. Лекарственные формы антибиотиков

Одним из завершающих этапов производства антибиотиков является получение готовых для применения лекарственных форм.

Выделенные и очищенные антибиотики представляют собой полупродукты для получения лекарственных форм и подвергаются дополнительной обработке, характер и сложность которой обусловливаются степенью соответствия физикохимических и фармакологических свойств антибиотика требованиям данного метода введения.

Каждый способ введения препарата в организм больного предъявляет к лекарственным формам ряд общих требований, что определяет общность технологических приемов их получения.

В свою очередь особенности свойств отдельного антибиотика требуют внесения в технологический процесс получения лекарственной формы определенных коррективов. [2]

Существует несколько лекарственных форм антибиотиков: таблетки, сироп, растворы, суппозитории, капли, аэрозоли, мази и линименты. Каждая лекарственная форма имеет достоинства и недостатки.

Таблетки

Достоинства:

1. Безболезненно

2. Не требуется усилий (технически не сложно) Недостатки:

1. Зависимость от моторики желудочно-кишечного тракта

2. Проблема точности дозировки

Сиропы

Достоинства:

1. Удобны в применении в детской практике Недостатки:

1. Зависимость от моторики желудочно-кишечного тракта

2. Проблема точности дозировки

Растворы инъекционные

Достоинства:

1. Можно создать депо аппарата (под кожу)

2. 100% биодоступность (вводится внутривенно)

3. Быстрое создание максимальной концентрации в крови.

Недостатки:

1. Болезненно

2. Техническая сложность

Суппозитории и капли

Недостатки:

1. Применяются для местного лечения Достоинства:

1. Можно избежать системного воздействия на организм

Аэрозоли

Достоинства

1. Быстрое всасывание

2. Местное воздействие Недостатки:

1. Не все антибиотики можно превратить в аэрозоль

Мази, линименты

Достоинства:

1. Можно избежать системного воздействия на организм Недостатки:

1. Применяются для местного лечения[10]

Лекарственные формы антибиотиков для приема внутрь

Для приема внутрь антибиотики выпускаются в виде таблеток, капсул, гранул или порошков для приготовления суспензий, сиропов, а также в виде готовых водных суспензий.

Большинство антибиотиков выпускается в виде таблеток и капсул. Для покрытия таблеток сахарной оболочкой применяется дражирование или двойное прессование на специальных таблеточных машинах.

Последний способ обычно используется, когда свойства антибиотика исключают возможность дражирования. Таблетки и капсулы равноценны, так как сахарная оболочка и желатиновая капсула, маскируя неприятный вкус и устраняя раздражающее действие антибиотика.

С точки зрения терапевтической эффективности таблетки слизистую оболочку рта, не защищают его от действия желудочного сока.

В том случае, когда антибиотик разрушается желудочным соком, таблетки или гранулы, фасуемые в капсулы, покрывают кислотоустойчивыми пленками.

Для этой цели используются аиетилфталил целлюлоз, а фталилдекстран и другие вещества, трудно растворимые в кислоте и легко растворяющиеся в щелочном содержимом кишечника. 8]

Капсулированию или таблетированию могут подвергаться порошки антибиотика, обладающие определенной степенью сыпучести, или гранулы в зависимости от конструкции фасующего оборудования.

В процессе таблетирования, а иногда и капсулирования применяют наполнители разбавители, обеспечивающие нормальную распадаемость дистиллированной воде, их прочность, стабильность в процессе хранения и хороший товарный вид.

В качестве наполнителей и разбавителе используются вещества, а именно— свекловичный сахар, лактоза, крахмал, тальк, стеари новая кислота, стеарат кальция и некоторые другие.

В каждом отдельном случае экспериментально (в соответствии со свойствами антибиотика) подбирается соотношение наполнителей и разбавителей, используемых в процессе таблетирования и получения смеси порошков для капсулирования или получения суспензий.

В том случае, если антибиотик инактивируется в процессе увлажнения и сушки, можно использовать сухую грануляцию (брикетирование). Для этого на специальных машинах получают брикеты, которые в грануляторе измельчают до нужного размера гранул.

Наиболее современным способом грануляции, нашедшим применение в производстве различных химических продуктов, является грануляция в псевдоожиженном слое, позволяющая в 10−15 раз уменьшить длительность процесса.

Для этой цели используются аппараты специальной конструкции, в которых осуществляется одновременно увлажнение гранулируемой массы при помощи форсунки и сушка гранулята в токе воздуха или инертного газа.

Перед таблетированием устанавливают вес таблетки, который проверяют периодически в процессе таблетирования всей серии.

Полученные таким образом таблетки могут быть использованы как готовая лекарственная форма, и в таком виде их передают на фасовку, подвергают дражированию или покрытию защитными пленками.

Для заполнения капсул используют порошок или гранулы. Наполненные капсулы закрывают, заклеивают и затем передают на фасовку.

Если лекарственная форма должна представлять собой готовую водную суспензию или порошок для приготовления суспензии, очень важным фактором является степень измельчения исходных компонентов.

Основная масса частиц в этом случае не должна превышать 30 мк {степень измельчения определяется микроскопированием). В состав такого рода лекарственных форм, кроме антибиотика, обычно входят вкусовые вещества, в качестве которых применяются сахар или сорбит, иногда консерванты, поверхностноактивные вещества, стабилизаторы и другие компоненты.