Wesentliche physiologische Unterschiede zwischen mikrobiellen Organismen zur Enzym- und zur Antibiotikaproduktion
Empfindlichkeit gegenüber Sauerstoff und pH bei Actinomyceten und Bacillus
Antibiotika-produzierende Actinomyceten (z. B. Streptomyces) und enzymgenerierende Bacillus-Stämme weisen bemerkenswerte Unterschiede in ihrer Umwelttoleranz auf. Actinomyceten benötigen gelösten Sauerstoff (DO) in Konzentrationen über 30 % und einen pH-Wert nahe der Neutralität (7,0 bis 7,5), um die Synthese von Antibiotika wie Streptomycin optimal zu gewährleisten. Actinomyceten besitzen eine fadenförmige Morphologie und weisen daher eine schlechte Sauerstoffdiffusion innerhalb der Fäden auf. Im Gegensatz dazu liegen die DO-Werte bei Bacillus-Stämmen typischerweise zwischen 20 und 30 %, wobei während der Produktion von Proteasen alkalische pH-Verschiebungen (pH 6,5–8,0) auftreten. Bacillus-Stämme zeigen eine stabförmige Morphologie, was zu einer hohen Effizienz der Sauerstoffaufnahme führt. Diese physiologischen Einschränkungen liefern wichtige Hinweise für Konstrukteure mikrobieller Fermenter hinsichtlich der Auslegung des Belüftungssystems und der pH-Stat-Regler.
Mikroorganismus-Typ Sauerstoffbedarf Optimaler pH-Bereich Produkt
Actinomyceten > 30 % DO-Sättigung 7,0–7,5 Penicillin, Streptomycin
Bacillus 20–30 % DO-Sättigung 6,5–8,0 Proteasen, Amylasen
Wachstums- und nicht-wachstumsassoziierte Produktbildungs-Dynamik
Die Enzymproduktion (rekombinante Proteasen) ist stark wachstumsassoziiert und erreicht ihren Höhepunkt während der exponentiellen Phase, wenn ein starker Nährstoffverbrauch stattfindet und folglich eine höhere metabolische Aktivität vorliegt. Der Großteil (über 70 %) der leicht verfügbaren industriellen Enzyme wird aus Bacillus-Stämmen während der exponentiellen Wachstumsphase gewonnen. Die Produktion von Antibiotika hingegen erfolgt während der stationären Phase des Wachstumszyklus. Die stationäre Phase ist durch eine nicht-wachstumsassoziierte Sekundärmetabolismus-Aktivität gekennzeichnet. In dieser Phase produzieren fadenförmige Bakterien (z. B. Actinomyceten)
Konstruktionsmerkmale mikrobieller Fermenter zur Maximierung der Antibiotika-Ausbeute
Konstruktion von Fermentern zur Herstellung von Penicillin G und Streptomycin
Um Antibiotika herzustellen, muss der umweltbedingte Fermentationsprozess von Aktinomyzeten äußerst anspruchsvoll sein. Für die G-Synthese von Penicillin muss der gelöste Sauerstoffgehalt über 30 % der Sättigung liegen, während bei Streptomycin der gelöste Sauerstoffgehalt unter 20 % gehalten werden muss, was zu einer Ertragsminderung von 40–60 % führen kann. (BioProcessing Journal, 2023). Der Penicillin-Stoffwechselprozess kommt bei einem pH-Wert von 6,5 bis 7,0 zum Erliegen; bei Streptomycin endet der Prozess bei pH-Werten über 7,8 bis 8,2 ebenfalls. Moderne Fermenter bewältigen die Herausforderung, geeignete Sauerstoffkonzentrationen aufrechtzuerhalten, durch den kombinierten Einsatz von Turbinenrührern und Sparging-Systemen. Die Fermenter verfügen über integrierte automatisierte Sensoren, die sich selbst korrigieren können, indem sie CO₂ oder Base zugeben, um einem pH-Abfall infolge der Ansammlung organischer Säuren entgegenzuwirken.
Erweiterungen des sekundären Stoffwechsels durch den Übergang vom Batch-Betrieb
Die Bildung von Antibiotika erfolgt in der Endphase des sekundären Stoffwechsels während der stationären Phase. Die Synthese von Penicillin G findet statt, wenn die Glukosekonzentration unter 0,5 g/L gehalten wird, um eine Unterbrechung der Biosynthesewege zu verhindern. Die Produktionsphase wird um mehr als 40–60 Stunden verlängert, wobei die Ausbeute im Vergleich zum herkömmlichen Batch-Verfahren um bis zu 50 % steigt. Die Nebenprodukte des Fermentationsprozesses reichern sich an und können den Betrieb beeinträchtigen. Der Schwerpunkt liegt auf der Synthese der Antibiotika, wobei die zelluläre Energie gezielt in diese Synthese gelenkt wird.
Best Practices für die Konfiguration mikrobieller Fermenter bei der Herstellung therapeutischer Enzyme
Konstruktion von Impellern mit geringer Scherwirkung und pH-Stat-Strategien zur Aufrechterhaltung der Stabilität rekombinanter Proteasen
Bei der Herstellung therapeutischer Enzyme wie rekombinanter Proteasen sind spezielle Fermenterkonfigurationen erforderlich, um eine strukturelle Degradation zu vermeiden. Impeller mit geringer Scherbelastung, beispielsweise Schrägbalken- oder Hydrofoil-Impeller, eignen sich gut dafür, sicherzustellen, dass Proteine nicht denaturiert werden, und tragen dazu bei, einen Verlust der Proteaseaktivität zu vermeiden. Ein pH-Stat-Regelsystem, das den pH-Bereich für Proteasen automatisch durch gezielte Zugabe von Säure und Base auf 6,5–7,5 hält, ist eine notwendige Ergänzung des Systems. Bei unzureichender pH-Regelung ändern sich die konformationellen Eigenschaften des Enzyms in Abhängigkeit vom pH-Wert, wodurch die Proteaseaktivität stark gehemmt wird – möglicherweise sogar um bis zu 50 % innerhalb eines einzigen Fermentationszyklus. Wenn diese beiden Systeme kombiniert werden, steigt die Ausbeute erheblich, und es wird sichergestellt, dass das Endprodukt den branchenspezifischen gesetzlichen Vorgaben entspricht.
Auswahl des richtigen mikrobiellen Fermentertyps für eine gegebene Produktionskapazität, rechtliche Rahmenbedingungen und gewünschtes Ergebnis
Die Auswahl des richtigen mikrobiellen Fermenters ist eine dreidimensionale Abstimmung zwischen Produktionsumfang, gesetzlichen Vorgaben und den Eigenschaften des gewünschten Endprodukts. Auf den niedrigsten Produktionsstufen nutzen Forschungs- und Pilotprojekte kleine, modulare Systeme; auf den höchsten Stufen hingegen kommen bei der Erforschung der industriellen Antibiotika-Produktion große Rührkesselreaktoren mit automatischer Sterilisation zum Einsatz, um die zahlreichen Anforderungen moderner Pharmazeutika zu erfüllen. Auf den höchsten Produktionsstufen stehen die Herstellung hochwertiger therapeutischer Enzyme – unter Verwendung von Impellern mit geringer Scherbelastung – und die Massenproduktion von Metaboliten – unter Einsatz von Rushton-Turbinen mit hohem Sauerstoffübergang – einander gegenüber. Daten belegen, dass 34 % der Fälle gescheiterter Technologietransfer-Projekte von der Forschung in die Produktion auf eine unzureichende Skalierungstechnologie-Abstimmung zurückzuführen sind, die zum Scheitern der Fermentationsprojekte führt. Es ist daher zutreffend zu sagen, dass eine erfolgreiche Implementierung in hohem Maße von der Einhaltung gesetzlicher Vorgaben, der Ausbeute sowie der betrieblichen Effizienz abhängt, die bereits in den frühen Entwicklungsphasen in das System integriert wurden.
Häufig gestellte Fragen
Welche Umweltfaktoren beeinflussen die Produktion von Antibiotika und Enzymen?
Für die Biosynthese von Antibiotika sind Actinomyceten auf ausreichend gelösten Sauerstoff (>30 % Sättigung) und einen neutralen pH-Wert von 7,0–7,5 angewiesen. Enzymproduzierende Bacillus-Stämme bevorzugen hingegen moderate Werte des gelösten Sauerstoffs von 20–30 % sowie einen alkalischen pH-Wert von 6,5–8,0.
Was ist der Unterschied zwischen wachstumsassoziierten und nicht-wachstumsassoziierten Produktionsprozessen?
Wachstumsassoziierte Produktion bezieht sich auf die Herstellung mikrobieller Enzyme während der exponentiellen Wachstumsphase, während die Produktion von Antibiotika während der stationären Phase ein Beispiel für eine nicht-wachstumsassoziierte Produktion darstellt.
Welche Fermenterkonfigurationen führen zu einer hochgradigen Produktion von Antibiotika?
Rührbehälter-Fermenter mit Turbinenrührern (in Kombination mit einer guten Steuerung von DO/pH) sind die beste Wahl für die Produktion von Antibiotika wie Penicillin und Streptomycin. Die höchsten Ertragssteigerungen erzielen hingegen Fütterungsverfahren (fed-batch), die die stationäre Produktionsphase verlängern.
Wie ist der Fermenter für die Herstellung therapeutischer Enzyme ausgelegt?
Bei der Herstellung therapeutischer Enzyme werden Scherkräfte-arme Rührer eingesetzt, um die Denaturierung der Proteine zu vermeiden. Außerdem wird zur Aufrechterhaltung der Stabilität des Enzyms im pH-Bereich von 6,5 bis 7,5 ein fortschrittliches pH-Stat-System verwendet.
Warum ist die Wahl des Fermenters für den mikrobiellen Prozess wichtig?
Die Auswahl des Fermenters steht in engem Zusammenhang mit der Produktionskapazität, der logischen Bewertung der Prozessausbeute sowie der Herstellung marktreifer Produkte unter Berücksichtigung regulatorischer Beschränkungen.