Entsyymejä ja antibiootteja tuottavien mikro-organismien keskeiset fysiologiset erot
Aktinomyysettien ja Bacillus-lajien herkkyys happeen ja pH:oon
Antibiootteja tuottavat aktinomyyset (esim. Streptomyces) ja entsyymejä tuottavat Bacillus-stammit osoittavat huomattavia eroja ympäristön sietokyvyssä. Aktinomyyset vaativat liuenneen hapen (DO) pitoisuuden olevan yli 30 % ja pH:n olevan läheisesti neutraali (7,0–7,5), jotta antibioottien, kuten streptomysiinin, synteesi olisi mahdollisimman tehokas. Aktinomyyset ovat muodoltaan filamentoisia, mikä johtaa heikkoontuneeseen hapen diffuusioon filamenteissa. Sen sijaan Bacillus-stammit vaativat yleensä DO-pitoisuuden olevan 20–30 %:n välillä ja pH:n siirtyvän lievästi emäksiseksi (pH 6,5–8,0) proteaasien tuotannon aikana. Bacillus-stammit ovat muodoltaan sauva- tai tikku-maisia, mikä mahdollistaa hapen ottamisen korkean tehokkuuden. Nämä fysiologiset rajoitteet antavat tärkeää tietoa mikrobiologisten fermentorien suunnittelijoille ilmastointijärjestelmän ja pH-säätöjärjestelmän suunnittelussa.
Mikro-organismin tyyppi Hapen tarve Optimaalinen pH-alue Tuote
Aktinomyyset Yli 30 %:n DO-kyllästys 7,0–7,5 Penisilliini, streptomysiini
Bacillus 20–30 %:n DO-kyllästys 6,5–8,0 Proteaasit, amylaasit
Kasvuun ja kasvuttomuuteen liittyvän tuotteen muodostumisen dynamiikka
Entsyymituotanto (rekombinantit proteaasit) on voimakkaasti kasvuun liitettyä ja saavuttaa huippunsa eksponentiaalisella kasvuvaiheella, jolloin ravinteiden kulutus on voimakasta ja siten myös aineenvaihduntatuotos suurempi. Suurin osa (yli 70 %) teollisuudessa helposti saatavilla olevista entsyymeistä on peräisin Bacillus -stammeista eksponentiaalisella kasvuvaiheella. Antibioottien tuotanto taas tapahtuu pysähtyneellä vaiheella. Tämä vaihe karakterisoituu kasvuttomalla, sekundaarisella aineenvaihdunnalla. Tällä vaiheella filamenttiset bakteerit (esim. aktinom
Mikrobien fermentoreiden suunnittelun ominaisuudet antibioottituotannon maksimoimiseksi
Penicilliini G:n ja streptomysiinin tuottamiseen tarkoitettujen fermentoreiden suunnittelu
Antibioottien syntetisointiin vaaditaan erityisen vaativaa ympäristöprosessia, jossa aktinomysettejä fermentoidaan. Penicilliinin G-synteesissä liuenneen hapen pitoisuuden on oltava yli 30 % kyllästystaso, kun taas streptomysiinin valmistuksessa liuenneen hapen pitoisuus on säädettävä alle 20 %:n tasolle, mikä voi aiheuttaa saannon laskun 40–60 %. (BioProcessing Journal, 2023). Penicilliinin aineenvaihdunta pysähtyy pH-arvossa 6,5–7,0. Streptomysiinin aineenvaihdunta pysähtyy puolestaan pH-arvossa 7,8–8,2. Nykyaikaiset fermentorit ratkaisevat haasteen sopivien happitasojen ylläpitämisestä turbiinimaisilla impelleereillä ja ilmanpurskutusjärjestelmillä varustettujen parien avulla. Fermentorit käyttävät integroituja automatisoituja antureita, jotka voivat itsekorjautua lisäämällä CO₂:tä tai emästä, jotta pH ei laske liiallisesti orgaanisen hapen kertymisen seurauksena.
Toissijaisen aineenvaihdunnan laajentaminen eräprosessin muuttamisen avulla
Antibioottien muodostuminen tapahtuu toissijaisen aineenvaihdunnan lopullisessa vaiheessa pysähtyneessä kasvuvaiheessa. Penisilliinin ja G:n synteesi tapahtuu, kun glukoosipitoisuus pidetään alle 0,5 g/l, jotta biosynteesipolkujen synteesiä ei keskeytetä. Tuotantovaihetta pidennetään yli 40–60 tuntia verrattuna perinteiseen eräprosessiin, ja saanto kasvaa jopa 50 %. Fermentointiprosessin sivutuotteet kertyvät, mikä saattaa olla haitallisempaa prosessille. Antibioottien synteesi on ensisijainen tavoite, ja solujen energia suunnataan synteesiin.
Mikrobiologisten fermentorien konfigurointia koskevat parhaat käytännöt terapeuttisten entsyymien valmistukseen
Alhainen leikkausvoimalla varustettu impellori ja pH-stat -strategiat rekombinanttisen proteaasin vakauden säilyttämiseksi
Kun valmistetaan terapeuttisia entsyymejä, kuten rekombinantteja proteaaseja, on erityisiä fermentorikokoonpanoja tarpeen välttääkseen rakenteellista hajoamista. Alhaisen leikkausvoiman impelleerit, kuten vinottu-siipiset ja hydrofoili-impelleerit, ovat tehokkaita varmistaakseen, että proteiinit eivät denaturoitu ja että proteaasien aktiivisuuden menetystä voidaan välttää. pH-stat -säätöjärjestelmä, joka pitää proteaasien pH-alueen 6,5–7,5 välillä säätämällä automaattisesti happo- ja emäsmääriä, on järjestelmään välttämätön lisäys. Huonosti säädetyssä pH:ssa konformaation muutokset johtavat voimakkaaseen proteaasien aktiivisuuden laskuun, joka voi olla jopa 50 % yhdessä käynnissä. Kun nämä kaksi järjestelmää yhdistetään, tuotos kasvaa huomattavasti ja tuote täyttää teollisuuden asettamat sääntelyvaatimukset.
Oikean mikrobisen fermentorin tyypin valinta annetulle mittakaavalle, oikeudelliselle puitteille ja tulokselle
Oikean mikrobisen fermentorin valinta on kolmen muuttujan tasapainottamista: tuotannon mittakaava, lainsäädännölliset rajoitukset ja vaaditun tuotteen ominaisuudet. Alimmilla tuotantotasoilla tutkimus- ja kokeiluhankkeissa käytetään pieniä, modulaarisia järjestelmiä, kun taas korkeimmilla tasoilla antibioottien teollisuustuotantoa koskevassa tutkimuksessa käytetään suuria sekoitettavia säiliöreaktoreita, joissa on automaattinen sterilointi täyttääkseen nykyaikaisten lääkkeiden moninaiset vaatimukset. Korkeimmilla tuotantotasoilla korkean arvon terapeuttisten entsyymien tuotantoa verrataan alhaisen leikkausvoiman impulssorien käyttöön ja suurten määrien tuotettavien metaboliittien tuotantoa puolestaan korkean hapensiirron Rushton-turbiinien käyttöön. Tutkimustiedot osoittavat, että epäonnistuneiden teknologiatransferien tutkimushankkeista tuotantoon tapauksista 34 % johtuu huonosta mittakaavan ja teknologian yhteensopivuudesta, mikä aiheuttaa fermentointihankkeiden epäonnistumisen. Voidaan sanoa turvallisesti, että onnistunut toteutus riippuu suuresti siitä, kuinka hyvin järjestelmään on suunniteltu vaatimustenmukaisuus, saanto ja käyttötehokkuus jo varhaisessa vaiheessa.
UKK
Mitkä ympäristötekijät vaikuttavat antibioottien ja entsyymien tuotantoon?
Antibioottien biosynteesissä aktinomyysetit vaativat riittävän liuenneen hapen määrän (>30 % kyllästysaste) ja neutraalin pH:n (7,0–7,5). Entsyymejä tuottavat Bacillus-stammit suosivat kohtalaisia liuenneen hapen pitoisuuksia (20–30 %) ja emäksistä pH:ta (6,5–8,0).
Mikä on kasvuun liittyvän ja kasvuun liittymättömän tuotannon välinen ero?
Kasvuun liittyvä tuotanto tarkoittaa mikrobien entsyymien tuotantoa, joka tapahtuu eksponentiaalisessa kasvuvaiheessa, kun taas antibioottien tuotanto, joka tapahtuu staationaarisessa vaiheessa, on esimerkki kasvuun liittymättömästä tuotannosta.
Mitkä fermenttorikonfiguraatiot johtavat korkeaan antibioottituotantoon?
Ympyräpohjaiset sekoitettavat fermenttorit, joissa on turbiinimaiset impellerit (yhdistettynä hyvään liuenneen hapen ja pH:n säätöön), ovat parhaat valinnat penitsilliinin ja streptomysiinin kaltaisten antibioottien tuotantoon. Tuotannon saantoa parhaiten lisäävät ravinnetuotantomenetelmät, jotka pidentävät staationaarista tuotantovaihetta.
Miten fermentorin suunnittelu on tehty terapeuttisten entsyymien tuotantoa varten?
Terapeuttisten entsyymien tuotannossa käytetään alhaisen leikkausvoiman impellejä, jotta estetään proteiinien denaturoituminen. Lisäksi entsyymien vakauden säilyttämiseksi pH-alueella 6,5–7,5 käytetään edistynyttä pH-stat-järjestelmää.
Miksi fermentorin valinta mikrobiologiselle prosessille on tärkeää?
Fermentorien valinnalla on vahva yhteys tuotannon mittakaavaan, prosessin tulosteen loogiseen arviointiin sekä markkinoille saatavien vaiheiden tuotantoon sääntelyrajoitusten puitteissa.