ด้วยความก้าวหน้าทางเภสัชเคมี ทำให้ยาปฏิชีวนะที่มีใช้อยู่ทุกวันนี้สามารถผลิตได้จากวิธีการกึ่งสังเคราะห์ โดยการดัดแปลงสูตรโครงสร้างของสารประกอบจากธรรมชาติที่มีฤทธิ์ต้านแบคทีเรียให้มีความเหมาะสมในการใช้กับมนุษย์มากขึ้น[145] ตัวอย่างที่เห็นได้อย่างชัดเจนคือ ยาปฏิชีวนะจำพวกบีตา-แลคแตม ซึ่งกลุ่มเพนิซิลลิน (ผลิตจากราในสกุลเพนิซิลเลียม), กลุ่มเซฟาโลสปอริน, และกลุ่มคาร์บาพีแนม ก็ล้วนแต่ถูกจัดอยู่ในยาปฏิชีวนะจำพวกนี้ ส่วนยาปฏิชีวนะที่ใช้ในปัจจุบันที่ต้องสกัดจากจุลชีพที่มีชีวิตเท่านั้น คือ ยาปฏิชีวนะในกลุ่มอะมิโนไกลโคไซด์ ส่วนกลุ่มอื่นๆนั้นล้วนได้มาจากการสังเคราะห์ในห้องปฏิบัติการ เช่น ซัลโฟนาไมด์, ควิโนโลน, ออกซาโซลิไดโอน เป็นต้น[145] ยาปฏิชีวนะโดยส่วนใหญ่มักมีขนาดโมเลกุลที่ค่อนข้างเล็กและมีมวลโมเลกุลน้อยกว่า 1000 ดาลตัน[146]

การที่เอินซต์ เชนและฮาเวิร์ด ฟลอเรย์สามารถสกัดเพนิซิลลินบริสุทธิ์เพื่อใช้ในมนุษย์ได้สำเร็จใน ค.ศ. 1941[147] ทำให้ยาดังกล่าวถูกผลิตขึ้นให้กับกองทัพเพื่อใช้รักษาผู้บาดเจ็บฝ่ายสัมพันธมิตรในระหว่างการทำสงครามโลกครั้งที่ 2 เป็นจำนวนมาก จนทำให้การผลิตที่ประเทศอังกฤษนั้นไม่สามารถสนับสนุนความต้องการในการใช้ยานี้ได้อย่างเพียงพอ จึงได้มีการย้ายฐานการผลิตไปยังสหรัฐอเมริกา ซึ่งมีกำลังการผลิตที่มากกว่า จนกระทั่งสงครามโลกครั้งที่ 2 สิ้นสุดลง จึงได้มีการผลิตเพนิซิลลินออกสู่ตลาดยาสาธารณะ อย่างไรก็ตาม ถึงแม้ว่ายาปฏิชีวนะที่มีอยู่ในตลาดยาทุกวันนี้ส่วนใหญ่จะได้มาจากการสังเคราะห์ของจุลชีพ (เช่น เพนิซิลลิน) แต่ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีชีวภาพทำให้สามารถเพิ่มศักยภาพการผลิตได้มากขึ้น จนสามารถผลิตในเชิงการค้าได้ในที่สุด ด้วยความก้าวนี้ทำให้สามารถผลิตเพนิซิลลินได้มากกว่าวิธีการสกัดแรกเริ่มของเฟลมมิงถึง 40000 เท่า[148] ต่อมาในช่วงปลายทศวรรษที่ 1960 นักวิจัยพบว่าแบคทีเรียที่ผลิตเพนิซิลลินนั้นสามารถเจริญได้ดีในสภาวะที่ไม่มีออกซิเจน การค้นพบนี้ทำให้ศักยภาพการผลิตเพนิซิลลินเพิ่มขึ้นอีกถึง 200 %[149]

หลังจากการค้นพบเพนิซิลลินเพียงไม่กี่ปี พบว่ายาดังกล่าวเป็นที่นิยมและแพร่หลายเป็นอย่างมาก โดยในปี ค.ศ. 1945 มีการผลิตเพนิซิลลินขึ้นมากถึง 646 พันล้านยูนิต แต่ต่อมาหลังมีการพัฒนายากลุ่มดังกล่าวจนได้เป็นยากลุ่มเซฟาโลสปอริน ทำให้แนวโน้มการใช้ยาปฏิชีวนะนั้นโน้มเอียงมาทางยากลุ่มนี้มากขึ้น โดยในปี ค.ศ. 1980 ยากลุ่มเซฟาโลสปอรินเป็นยาปฏิชีวนะที่ถูกผลิตขึ้นเชิงการค้ามากที่สุด ตามมาด้วยแอมพิซิลลิน และเตตราไซคลีน ตามลำดับ เป็นที่คาดการณ์กันว่าในปีนั้นมีการผลิตยาปฏิชีวนะในปริมาณรวมมากถึง 100 ล้านกิโลกรัม มูลค่าการซื้อขายเฉพาะยาปฏิชีวนะในสหรัฐอเมริกาในปีนั้นมีมากถึง 1000 ล้านดอลลาร์สหรัฐ ส่วนมูลค่าทางการตลาดของยาปฏิชีวนะทั้งหมดในปัจจุบันนั้นมีมูลค่าประมาณ 20000 ล้านดอลลาร์สหรัฐ[149] ทั้งนี้ ในการคิดค้นและพัฒนายาปฏิชีวนะชนิดใหม่เข้าสู่ตลาดยาในปัจจุบันนั้นต้องใช้งบประมาณประมาณ 1200 ล้านดอลลาร์สหรัฐ[150] แต่ด้วยมูลค่าทางการตลาดที่มหาศาลของยาปฏิชีวนะชนิดหนึ่งๆ ทำให้ธุรกิจด้านการคิดค้นพัฒนายาชนิดนี้ออกจำหน่ายในตลาดยานั้นมีการแข่งขันกันเป็นอย่างมาก โดยการดำเนินงานวิจัยเพื่อคิดค้นและพัฒนายาใหม่ในปัจจุบันมักเป็นการดำเนินงานโดยบริษัทที่เน้นการดำเนินธุรกิจจัดจำหน่ายเคมีภัณฑ์และโภคภัณฑ์ (Commodity chemical) เป็นส่วนมาก[151]

การผลิตยาปฏิชีวนะเชิงอุตสาหกรรมจากจุลชีพนั้นจะใช้กระบวนการการหมัก ซึ่งจุลชีพเหล่านั้นจะถูกเพาะเลี้ยงในหม้อคอลดรอนขนาดใหญ่ (ปริมาตรประมาณ 100000–150000 ลิตรต่อหม้อ) ซึ่งภายในจะบรรจุอาหารเลี้ยงเชื้อที่จำเพาะต่อจุลชีพสายพันธุ์นั้นๆ โดยจะมีการควบคุมสภาวะต่างๆ อาทิ ความเข้มข้นของออกซิเจน อุณหภูมิ ค่าพีเอช และระดับสารอาหาร ให้มีเหมาะสมต่อการเจริญเติบโตของจุลชีพที่ใช้ในกระบวนการผลิต ส่วนยาปฏิชีวนะซึ่งเป็นสารเมตาบอไลต์ของจุลชีพนั้นจะถูกสกัดออกมาให้บริสุทธิ์และทำให้ตกผลึก ทั้งนี้ขั้นตอนและกระบวนการสกัดยาปฏิชีวนะให้บริสุทธิ์จะขึ้นอยู่กับสมบัติทางเคมีของยานั้นๆ ตัวอย่างกระบวนการที่ใช้ในการผลิต เช่น การแลกเปลี่ยนไอออน, การตกตะกอน เป็นต้น โดยจุลินทรีย์ที่ได้รับการศึกษาเพื่อการสร้างยาปฏิชีวนะมากที่สุดคือแบคทีเรียสกุลสเตรปโตมัยซิส[152] กว่า 77 สายพันธ์ของแบคทีเรียในสกุลนี้ได้รับการตกแต่งสารพันธุกรรมบนไรโบโซมเพื่อสร้างยาปฏิชีวนะชนิดใหม่ขึ้นมา[153]

ความสำคัญทางการแพทย์ของยาต้านจุลชีพ ซึ่งรวมไปถึงยาปฏิชีวนะนั้น ได้นำมาซึ่งการค้นคว้าวิจัยเพื่อคิดค้นพัฒนายาปฏิชีวนะชนิดใหม่อย่างกว้างขวางและเข้มข้น ทำให้เกิดพยายามที่จะพัฒนายาปฏิชีวนะชนิดใหม่ที่สามารถออกฤทธิ์ครอบคลุมเชื้อก่อโรคได้เป็นวงกว้างมากขึ้น, มีการปรับเปลี่ยนขนาดภาคการผลิตยาปฏิชีวนะโดยใช้กระบวนการหมักเชื้อในเชิงอุตสาหกรรมเพิ่มมากขึ้น[149] จากความพยามดังข้างต้นของนักวิจัย ทำให้จำนวนยาปฏิชีวนะที่ถูกค้นพบมีจำนวนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจาก 500 ชนิดในทศวรรษที่ 1960 เป็นมากกว่า 11000 ชนิดในปี ค.ศ. 1994 โดยกว่าร้อยละ 50 ของยาปฏิชีวนะเหล่านี้ได้มาจากการสังเคราะห์ของแบคทีเรียสกุลสเตรปโตมัยซิส[154] ส่วนจุลชีพสายพันธุ์อื่นที่มีความสำคัญในการผลิตยาปฏิชีวนะ ได้แก่ ราเส้นใย และแอคติโนมัยสีทสายพันธุ์อื่นที่นอกเหนือจากสกุลสเตรปโตมัยซิส[155]

การตกค้างของยาปฏิชีวนะ

การใช้ยาปฏิชีวนะในปศุสัตว์เป็นสิ่งจำเป็นเนื่องจากต้องมีการป้องกันและรักษาโรคติดเชื้อแบคทีเรียที่เกิดขึ้นกับสัตว์เหล่านั้น[147] การค้นพบการประยุกต์ใช้ยาปฏิชีวนะและวัคซีนบางชนิดในปศุสัตว์นี้ทำให้การเลี้ยงวัวในปริมาณมากนั้นมีความสะดวกมากขึ้น เนื่องจากกระบวนการดังกล่าวจะลดการเกิดโรคติดเชื้อในสัตว์ การใช้ยาปฏิชีวนะในกรณีนี้ทำให้ปศุสัตว์นั้นมีการเจริญเติบโตที่เร็วมากขึ้น ให้ผลผลิตที่มีคุณภาพและปริมาณมากขึ้น[156] อย่างไรก็ตาม การใช้ยาปฏิชีวนะในการปศุสัตว์นี้ทำให้เกิดการตกค้างของยาปฏิชีวนะในผลิตภัณฑ์ต่างๆซึ่งอาจนำไปสู่การเกิดอันตรายแก่มนุษย์ได้ อาทิ การสะสมของสารหนูซึ่งเป็นส่วนประกอบหนึ่งของโมเลกุลยาปฏิชีวนะบางชนิดในร่างกายมนุษย์ ซึ่งรวมไปถึงการลดทอนประสิทธิภาพการรักษาโรคติดเชื้อแบคทีเรียในมนุษย์ลง ซึ่งเป็นผลเนื่องมาจากการปรับตัวของแบคทีเรียก่อโรคให้ทนต่อยาปฏิชีวนะมากขึ้น[157] ดังนั้น ในปัจจุบัน การตรวจสอบการตกค้างยาปฏิชีวนะตกค้างในผลิตภัณฑ์จากการปศุสัตว์อย่างเข้มข้นและต่อเนื่องจึงเป็นมาตรการสำคัญที่ช่วยรับประกันความปลอดภัยของสินค้าจากการปศุสัตว์นั้นๆได้ก่อนส่งถึงมือผู้บริโภค[158] นอกจากนี้การใช้ยาปฏิชีวนะในการปศุสัตว์ยังเป็นอีกสาเหตุหนึ่งที่ทำให้เกิดการตกค้างของยาปฏิชีวนะในสิ่งแวดล้อมจากการปล่อยของเสียจากสัตว์ลงสู่พื้นดิน หรือแหล่งน้ำธรรมชาติ เช่น แม่น้ำ ทะเลสาบ เป็นต้น[159]