Enzim və antibiotik istehsal edən mikroorqanizmlər arasındakı əsas fizioloji fərqlər
Aktinomisetlər və Bacillus cinsinin oksigen və pH-ə həssaslığı
Antibiotik istehsal edən aktinomisetlər (məsələn, Streptomyces) və ferment istehsal edən Bacillus cinsli mikroorqanizmlər ətraf mühitə dözümlülük baxımından qeydə layiq fərqlər göstərir. Aktinomisetlərin streptomisin kimi antibiotiklərin ən yaxşı sintezi üçün həll olmuş oksigen (DO) səviyyəsinin 30% -dən yuxarı və pH-nin neytral (7,0–7,5) olması tələb olunur. Aktinomisetlər filamentli morfologiyaya malikdirlər və beləliklə, filamentlərdə oksigenin diffuziyası zəifdir. Əksinə, Bacillus cinsli mikroorqanizmlər proteazların istehsalı zamanı DO səviyyələrini 20–30% aralığında və qələvi meylini (pH 6,5–8,0) təmin edir. Bacillus cinsli mikroorqanizmlər çubuq şəkilli morfologiyaya malikdirlər və bu da oksigenin udulmasının yüksək effektivliyinə gətirib çıxarır. Bu fizioloji məhdudiyyətlər mikrobiyal fermentorların dizaynerlərinə havalandırma sistemi və pH-stat idarəetmə sistemlərinin dizaynı ilə bağlı məlumat verir.
Mikroorqanizm Növü Oksigen Tələbi Optimal pH Aralığı Məhsul
Aktinomisetlər > 30% DO doyması 7,0–7,5 Penisilin, Streptomisin
Bacillus 20–30% DO doyması 6,5–8,0 Proteazlar, Amilazlar
Artım və Artımla Əlaqəli Olmayan Məhsulun Yaranması Dinamikası
Enzim istehsalı (rekombinant proteazlar) artımla sıx əlaqəlidir və qidalı maddələrin intensiv udulduğu, nəticədə metabolik çıxışın gücləndiyi eksponensial fazada zirvəyə çatır. Sənayedə asanlıqla əldə edilə bilən enzimlərin əksəriyyəti (70%-dən çoxu) Bacillus cinsinə aid mikroorqanizmlər tərəfindən artımın eksponensial fazasında alınır. Antibiotiklərin istehsalı isə siklin sabit fazasında aparılır. Siklin sabit fazası artımla əlaqəli olmayan ikincili metabolizm ilə xarakterizə olunur. Bu fazada lifli bakteriyalar (məsələn, aktinomisetlər) antibiotiklər sintez edir.
Antibiotik çıxışını maksimuma çatdırmaq üçün Mikrobioloji Fermentatorların Dizayn Xüsusiyyətləri
Penisilin G və Streptomisinin Istehsalı Üçün Fermentatorların Dizaynı
Antibiotiklərin sintezi üçün aktinomisetlərin fermentasiya prosesi çox tələbkar olmalıdır. Penisilin G sintezi üçün həll olmuş oksigen səviyyəsi 30% -dən yuxarı olmalıdır, halbuki streptomisin üçün həll olmuş oksigen səviyyəsi 20% -dən aşağı saxlanılmalıdır; bu isə hasilatın 40–60% azalmasına səbəb ola bilər. (BioProcessing Journal, 2023). Penisilin metabolizmi 6,5-dən 7,0-ə qədər pH qiymətində dayanır. 7,8–8,2 aralığından yuxarı pH qiymətlərində streptomisin sintezi də dayanır. Müasir fermenterlər turbin qarışdırıcılar və qaz verən sistemlərin birləşməsindən istifadə edərək uyğun oksigen səviyyələrini saxlamaq çətinliyinə qarşı çıxırlar. Fermenterlərdə inteqrasiyalı avtomatlaşdırılmış probalar istifadə olunur ki, bunlar orqanik turşuların yığılması nəticəsində pH-nin düşməsinə qarşı CO₂ və ya əsas əlavə edərək öz-özünə düzəliş edə bilərlər.
Partiya rejiminin dəyişdirilməsi ilə ikincil metabolizmin genişləndirilməsi
Antibiotiklərin formalaşması ikincil metabolizmin son mərhələsində, sabit fazada baş verir. Penisilin və G sintezi biosintetik yolların sintezinin pozulmasını qarşısını almaq üçün qlükozanın 0,5 q/L-dən az saxlanılması halında baş verir. Ənənəvi partiyalı istehsal ilə müqayisədə istehsal mərhələsi 40–60 saata çatmaqla uzadılır və hasilat 50% qədər artır. Fermentasiya prosesinin yan məhsulları toplanır ki, bu da prosesin aparılmasına zərərli ola bilər. Antibiotiklərin sintezi əsas diqqət mərkəzidir və hüceyrə enerjisi sintezə yönəldilir.
Terapevtik fermentlərin istehsalı üçün mikrobiyal fermenter konfiqurasiyası üzrə ən yaxşı təcrübələr
Rekombinant proteazın sabitliyini saxlamaq üçün aşağı qüvvətli qarışdırıcı dizaynı və pH-stat strategiyaları
Rekombinant proteazlar kimi terapevtik fermentlər hazırlayarkən struktural deqradasiyanı qarşısını almaq üçün xüsusi fermenter konfiqurasiyaları tələb olunur. Zəif gərginlikli qarışdırıcılar (məsələn, meyl edilmiş pərlər və hidrofil) zülalların denaturasiyasını qarşısını almaqda yaxşı nəticə verir və proteazların aktivliyinin itirilməsini qarşısını alır. Proteazlar üçün pH-ı avtomatik olaraq turşu və əsas miqdarını tənzimləyərək 6,5–7,5 aralığında saxlayan pH-stat idarəetmə sistemi sistemə mütləq əlavə olunmalıdır. pH-in pis idarə edilməsi halında zülalların konformasiyasında pH dəyişiklikləri baş verir və proteaz aktivliyi ciddi şəkildə azalır; bu, tək bir sikl ərzində hətta 50% qədər azala bilər. Bu iki sistem birlikdə istifadə olunduqda, məhsul çıxışı əhəmiyyətli dərəcədə artır və məhsul sənaye üçün qəbul edilmiş qaydalara uyğunluğunu təmin edir.
Verilmiş miqyas, qanuni çərçivə və nəticəyə uyğun doğru mikrobiyal fermenter tipinin seçilməsi
Doğru mikrobiyal fermenter seçimi, istehsal miqyası, qanuni məhdudiyyətlər və tələb olunan hasilatın xüsusiyyətləri olmaqla üç dəyişənli uyğunlaşmadır. Ən aşağı istehsal səviyyələrində tədqiqat və pilot layihələr kiçik, modulyar sistemlərdən istifadə edirlər; ən yüksək səviyyələrdə isə müasir dərman məhsullarının bir çox tələblərini ödəmək üçün avtomatik sterilizasiya ilə təchiz edilmiş böyük qarışdırıcı rezervuar reaktorlarından antibiotiklərin sənaye istehsalı üzrə tədqiqatlar aparılır. Ən yüksək hasilat səviyyələrində yüksək dəyərli terapevtik fermentlərin istehsalı aşağı sürüşməli qarışdırıcılarla, kütləvi istehsal oluna bilən metabolitlərin istehsalı isə yüksək oksigen ötürülməsi təmin edən Rushton turbinaları ilə həyata keçirilir. Məlumatlar göstərir ki, tədqiqat layihələrindən istehsal sahəsinə texnologiya köçürməsinin uğursuzluğa uğramasının 34%-i fermentasiya layihələrinin uğursuzluğuna səbəb olan, miqyas-texnologiya uyğunlaşmasının zəif olması nəticəsində baş verir. Beləliklə, uğurlu tətbiqin uğurunun, hasilatın və operativ səmərəliliyin erkən mərhələdə sistemə nəzərdə tutulması və onların təmin edilməsi ilə əhəmiyyətli dərəcədə bağlı olduğu deyilə bilər.
Tez-tez verilən suallar
Hansı ekoloji amillər antibiotik və ferment istehsalını təsir edir?
Antibiotiklərin biosintezində aktinomisetlər kifayət qədər həll olmuş oksigenə (>30% doyma) və neytral pH (7,0–7,5) ehtiyac duyur. Ferment istehsal edən Bacillus cinsinin növləri isə orta səviyyədə həll olmuş oksigen (20–30%) və qələvi pH (6,5–8,0) şəraitini üstün tutur.
Büyütmə ilə əlaqəli və böyütmə ilə əlaqəsiz istehsal arasında nə fərq var?
Büyütmə ilə əlaqəli istehsal — bu, eksponensial fazada baş verən mikrobiyal fermentlərin istehsalıdır; antibotiklərin stasionar fazada istehsal olunması isə böyütmə ilə əlaqəsiz istehsalın bir nümunəsidir.
Hansı fermenter konfiqurasiyaları antibiotiklərin yüksək məhsuldarlıqla istehsalına gətirib çıxarır?
Turbina qarışdırıcılarla təchiz edilmiş qarışdırılan tank fermenterləri (həmçinin DO/pH-nin yaxşı nəzarəti ilə birlikdə) penisilin və streptomisin kimi antibiotiklərin istehsalı üçün ən yaxşı seçimdir. Stasionar istehsal fazasını uzadan və beləliklə istehsal məhsuldarlığını ən çox artıraraq nəticə verən strategiya — doldurma-üst-üstə qatma (fed-batch) üsuludur.
Terapevtik fermentlərin istehsalı üçün fermenter necə dizayn edilir?
Terapevtik fermentlərin istehsalında zəruri fermentlərin denaturasiyasını qarşılamaq üçün aşağı sürüşməli qarışdırıcılar istifadə olunur. Həmçinin fermentin pH 6,5–7,5 intervalında sabitliyini təmin etmək üçün irəli səviyyəli pH-stat sistemi istifadə olunur.
Mikrobioloji proses üçün fermenterin seçilməsi niyə vacibdir?
Fermenterlərin seçilməsi ilə istehsal miqyası, prosesin çıxışı üzərində məntiqi nəzərdə tutulma və tənzimləyici məhdudiyyətlər daxil olmaqla bazarlanan addımların istehsalı arasında güclü əlaqə mövcuddur.