Vigtigste fysiologiske forskelle mellem mikroorganismer, der producerer enzymer, og mikroorganismer, der producerer antibiotika
Følsomhed over for ilt og pH hos Actinomycetes og Bacillus
Antibiotika-producerende aktinomycetter (f.eks. Streptomyces) og enzymproducerende Bacillus-stammer viser bemærkelsesværdige forskelle i miljøtolerance. Aktinomycetter kræver opløst ilt (DO)-niveauer over 30 % og en pH tæt på neutralitet (7,0–7,5) for at sikre den bedste syntese af antibiotika som streptomycin. Aktinomycetter har filamentøse morfologier og har derfor dårlig iltdiffusion gennem filamentet. I modsætning hertil ligger Bacillus-stammernes DO-niveauer typisk mellem 20–30 %, og der sker alkaliske pH-skift (pH 6,5–8,0) under produktionen af proteaser. Bacillus-stammer har stavformede morfologier, hvilket fører til en høj effektivitet i iltoptagelsen. Disse fysiologiske begrænsninger giver designere af mikrobielle fermentere vigtig information vedrørende udformningen af lufttilførselssystemet og pH-stat-regulatorerne.
Type mikroorganisme iltkrav Optimalt pH-område Produkt
Aktinomycetter > 30 % DO-saturation 7,0–7,5 Penicillin, Streptomycin
Bacillus 20–30 % DO-saturation 6,5–8,0 Proteaser, Amylaser
Dynamik i produktdannelse forbundet med og uafhængig af vækst
Enzymproduktion (rekombinante proteaser) er stærkt forbundet med vækst og når et maksimum i den eksponentielle fase, hvor der er en kraftig optagelse af næringstoffer og dermed en stærkere metabolisk aktivitet. De fleste (over 70 %) af de let tilgængelige industrielle enzymer stammer fra Bacillus-stammer under den eksponentielle vækstfase. Produktionen af antibiotika foregår derimod i den stationære fase af vækstcyklussen. Den stationære fase karakteriseres ved ikke-vækstrelateret sekundærmetabolisme. I denne fase producerer filamentøse bakterier (f.eks. actinom
Konstruktionsmæssige træk ved mikrobielle fermentere til maksimering af antibiotikaoutput
Udvikling af fermentere til produktion af penicillin G og streptomycin
For at syntetisere antibiotika skal den miljømæssige proces for gæring af aktinomyceter være meget krævende. For G-syntesen af penicillin skal opløst ilt være mere end 30 % saturation, mens opløst ilt ved streptomycin-produktionen skal styres til under 20 %, hvilket kan medføre en udbyttereduktion på 40–60 % (BioProcessing Journal, 2023). Penicillinmetabolismen standser ved pH 6,5–7,0. Over pH 7,8–8,2 standser også streptomycinprocessen. De moderne gæringskar løser udfordringen med at opretholde korrekte iltkoncentrationer ved at kombinere turbinrør og sparging-systemer. Gæringskarene anvender integrerede automatiserede sonder, der kan justere sig selv ved tilsætning af CO₂ eller base for at forhindre pH-fald som følge af akkumulering af organisk syre.
Udvidelser af sekundær metabolisme ved skift fra batch-drift
Dannelse af antibiotika sker i den sidste fase af sekundær metabolisme i den stationære fase. Dannelse af penicillin og G sker, når glukosekoncentrationen opretholdes under 0,5 g/L for at undgå afbrydelse af biosyntetiske vejes dannelse. Produktionsfasen udvides med mere end 40–60 timer, mens udbyttet stiger op til 50 % sammenlignet med traditionel batch-produktion. Bifærdenerne fra fermenteringsprocessen akkumulerer, hvilket kan være skadeligt for processen. Syntesen af antibiotika er den primære fokus, og celleenergien rettes mod syntese.
Bedste praksis for mikrobiel fermenter-konfiguration ved fremstilling af terapeutiske enzymer
Lav-skalrende impellerdesign og pH-stat-strategier til opretholdelse af stabil rekombinant protease
Når der fremstilles terapeutiske enzymer såsom rekombinante proteaser, er specialiserede fermentorkonfigurationer nødvendige for at undgå strukturel nedbrydning. Lavskærspropellerdesigns såsom skråbladet og hydrofoil er velegnede til at sikre, at proteinerne ikke denatureres, og hjælper med at undgå et tab af proteaseaktivitet. Et pH-stat-styringssystem, som ved automatisk justering af mængden syre og base opretholder pH-området på 6,5–7,5 for proteaser, er en nødvendig tilføjelse til systemet. Hvis pH ikke styres korrekt, ændres den konformationelle pH, og proteaseaktiviteten hæmmes kraftigt – potentielt endda med op til 50 % i én enkelt cyklus. Hvis disse to systemer kombineres, øges udbyttet betydeligt, og produktet sikres overensstemmelse med de gældende brancheregler.
Valg af den rigtige mikrobiel fermentortype til en given skala, lovgivningsramme og resultat
Valg af den rigtige mikrobiel fermenter er en trevariabel justering af produktionsstørrelse, lovmæssige begrænsninger og egenskaber ved den ønskede output. Ved de laveste produktionsniveauer anvender forsknings- og pilotprojekter små, modulære systemer, mens der ved de højeste niveauer anvendes forskning til industriproduktion af antibiotika i store røremaskiner med automatisk sterilisering for at opfylde de mange krav, som moderne lægemidler stiller. Ved de højeste output-niveauer kontrasteres produktionen af højt-værdifulde terapeutiske enzymer og stort set masseproducerbare metabolitter ved henholdsvis brug af impeller med lav skærsbelastning og Rushton-turbiner med høj iltoverførsel. Data understøtter, at 34 % af tilfældene med mislykket teknologioverførsel fra forskningsprojekter til produktion skyldes dårlig overensstemmelse mellem skala og teknologi, hvilket fører til fiasko i fermenteringsprojekter. Det er rimeligt at påstå, at en vellykket implementering i høj grad afhænger af overholdelse af krav, udbytte og driftseffektivitet, som er indbygget i systemet i de tidlige faser.
Ofte stillede spørgsmål
Hvilke miljøfaktorer påvirker produktionen af antibiotika og enzymer?
For biosyntese af antibiotika er aktinomycetter afhængige af tilstrækkelig opløst ilt (>30 % mætning) og en neutral pH på 7,0–7,5. Enzymproducerende Bacillus-stammer foretrækker moderate niveauer af opløst ilt på 20–30 % og en alkalisk pH på 6,5–8,0.
Hvad er forskellen mellem vækstassiceret og ikke-vækstassiceret produktion?
Vækstassiceret produktion er produktion af mikrobielle enzymer, som finder sted under den eksponentielle fase, mens produktionen af antibiotika, som finder sted under den stationære fase, er et eksempel på ikke-vækstassiceret produktion.
Hvilke fermentorkonfigurationer resulterer i høj-ydelsesproduktion af antibiotika?
Røringsbægrefermentere udstyret med turbinerør (i kombination med god regulering af DO/pH) er den bedste valgmulighed for antibiotika som penicillin og streptomycin. De strategier, der giver de største udbytteforøgelser, er tilførselsbatch-strategier, der udvider den stationære produktionsfase.
Hvordan er fermenteret designet til fremstilling af terapeutiske enzymer?
Ved fremstilling af terapeutiske enzymer anvendes lavt skærende omrørere for at undgå proteinernes denaturering. Desuden anvendes et avanceret pH-stat-system for at opretholde enzymets stabilitet inden for pH-området 6,5–7,5.
Hvorfor er valget af fermenter til den mikrobielle proces vigtigt?
Valget af fermentere er tæt forbundet med produktionsmængden, en logisk vurdering af procesudbyttet samt fremstillingen af markedsføringsmæssige trin med regulatoriske begrænsninger.