Az enzimeket és antibiotikumokat termelő mikroorganizmusok közötti fő fiziológiai különbségek
Az aktinomyceták és a Bacillus érzékenysége az oxigénre és a pH-ra
Az antibiotikumokat termelő aktinomyceták (pl. Streptomyces) és az enzimeket termelő Bacillus törzsek jelentős különbséget mutatnak a környezeti toleranciájukban. Az aktinomycetákhoz a feloldott oxigén (DO) szintje 30%-nál magasabbnak, a pH-értékük pedig közömbösnek kell lennie (7,0–7,5), hogy optimális legyen a streptomycinhoz hasonló antibiotikumok szintézise. Az aktinomyceták fonálszerű morfológiával rendelkeznek, ezért a fonálban az oxigén diffúziója gyenge. Ellentétben velük a Bacillus törzsek DO-szintje általában 20–30%, és proteázok termelése során lúgosodás (pH 6,5–8,0) figyelhető meg. A Bacillus törzsek rúdszerű morfológiával rendelkeznek, amely magas hatékonyságú oxigénfelvételt eredményez. Ezek a fiziológiai korlátozások információt nyújtanak a mikrobiális fermentátorok tervezőinek a levegőztető rendszer és a pH-szabályozók tervezéséhez.
Mikroorganizmus-típus Oxigénigény Optimális pH-tartomány Termék
Aktinomyceták > 30% DO-telítettség 7,0–7,5 Penicillin, Streptomycin
Bacillus 20–30% DO-telítettség 6,5–8,0 Proteázok, Amilázok
Növekedéssel és növekedéssel nem járó termék-képződés dinamikája
Az enzimek (rekombináns proteázok) termelése erősen összefügg a növekedéssel, és csúcsot ér az exponenciális fázisban, amikor intenzív tápanyag-felvétel zajlik, és ennek következtében erősabb anyagcseretermelés figyelhető meg. A könnyen hozzáférhető ipari enzimek többsége (több mint 70%-a) a Bacillus törzsekből származik, és az exponenciális növekedési fázisban képződik. Az antibiotikumok termelése viszont a stacionárius fázisban zajlik. A ciklus stacionárius fázisa a növekedéssel nem járó, másodlagos anyagcserét jellemzi. Ebben a fázisban filamentózus baktériumok (pl. actinomycetesek) termelnek antibiotikumokat.
Mikrobiális fermentátorok tervezési jellemzői az antibiotikum-kimenet maximalizálására
Penicillin G és sztreptomycin előállítására szolgáló fermentátorok terve
Az antibiotikumok szintéziséhez az aktinomyceták erjedéses környezeti folyamatának rendkívül magas igényűnek kell lennie. A penicillin G szintézise során a feloldott oxigén koncentrációjának többnek kell lennie, mint a telítettség 30%-a, míg a sztreptomicin esetében a feloldott oxigén koncentrációját kevesebb mint 20%-ra kell szabályozni, ami 40–60%-os hozamcsökkenést eredményezhet. (BioProcessing Journal, 2023). A penicillin anyagcseréje 6,5 és 7,0 között szűnik meg. A sztreptomicin anyagcseréje 7,8 és 8,2 fölött szűnik meg. A modern erjedőkádak a megfelelő oxigénszint fenntartásának kihívását turbinakeverők és levegőztető rendszerek párosított alkalmazásával oldják meg. Az erjedőkádak integrált, automatizált érzékelőket használnak, amelyek önmagukat korrigálhatják CO₂ vagy lúgos oldat hozzáadásával, hogy ellensúlyozzák a szerves savak felhalmozódása miatt bekövetkező pH-csökkenést.
Másodlagos anyagcsere-folyamatok kiterjesztése a folyamat üzemmódjának cseréjével
Az antibiotikumok képződése a másodlagos anyagcsere végstádjában, a stacionárius fázisban zajlik. A penicillin és a G szintézise akkor zajlik, amikor a glükóz koncentrációja 0,5 g/L alatt tartandó, hogy megakadályozzuk a bioszintetikus útvonalak szintézisének megszakítását. A termelési fázis 40–60 órával hosszabbodik meg, miközben a hozam a hagyományos tömeges eljáráshoz képest akár 50%-kal is növekszik. A fermentációs folyamat melléktermékei felhalmozódnak, amelyek káros hatással lehetnek a folyamatra. Az antibiotikumok szintézise áll a középpontban, és a sejtek energiája e szintézis irányába irányul.
Mikrobiális fermentátorok konfigurálásának legjobb gyakorlatai terápiás enzimek gyártásához
Alacsony nyíróerőt biztosító keverők kialakítása és pH-szabályozási stratégiák rekombináns proteáz-stabilitás fenntartására
A rekombináns proteázokhoz hasonló terápiás enzimek előállításakor speciális fermentációs berendezés-konfigurációk szükségesek a szerkezeti degradáció elkerülése érdekében. Alacsony nyíróerőt keltő keverőlapátok – például a dőlt lapátos és a hidrofóliás keverők – jól alkalmazhatók annak biztosítására, hogy a fehérjék ne denaturálódjanak, és így segítsenek megelőzni a proteázok aktivitásának csökkenését. A proteázok számára optimális pH-tartomány (6,5–7,5) fenntartásához szükséges egy pH-szabályozó rendszer (pH-stat), amely az oldat sav- és lúgkoncentrációját automatikusan szabályozza. A pH rossz szabályozása esetén konformációs pH-változások lépnek fel, amelyek erősen gátolják a proteázaktivitást, akár egyetlen ciklus alatt is 50%-kal csökkenthetik azt. Ha e két rendszert párosítják, az jelentősen növeli a hozamot, és biztosítja, hogy a termék megfeleljen az iparág szabályozási előírásainak.
A megfelelő mikrobiális fermentátor típus kiválasztása adott mérethez, jogszabályi kerethez és kívánt eredményhez
A megfelelő mikrobiális fermentátor kiválasztása egy háromváltozós igazítási feladat, amely a termelés mértékét, a jogszabályi korlátozásokat és a szükséges kimenet jellemzőit foglalja magában. A legalacsonyabb termelési szinteken a kutatási és pilotprojektek kis, moduláris rendszereket használnak, míg a legmagasabb szinteken az antibiotikumok ipari gyártására irányuló kutatások nagy, kevert tartályos reaktorokat alkalmaznak automatikus sterilizációs rendszerrel, hogy megfeleljenek a modern gyógyszerek számos követelményének. A legmagasabb kimeneti szinteken a nagy értékű terápiás enzimek gyártása alacsony nyíróerőt keltő keverőlapátokat, míg a tömegesen előállítható metabolitok termelése pedig magas oxigénátvitelt biztosító Rushton-turbinákat igényel. Az adatok azt mutatják, hogy a kutatási projektekből a gyártásba történő sikertelen technológiaátadás eseteinek 34%-a a megfelelő méret–technológia-illeszkedés hiányából fakad, ami a fermentációs projektek kudarcához vezet. Biztonságosan állítható, hogy a sikeres megvalósítás nagymértékben függ a rendszerben a korai szakaszban megtervezett megfelelési képességtől, a hozamtól és az üzemeltetési hatékonyságtól.
GYIK
Milyen környezeti tényezők befolyásolják az antibiotikumok és enzimek termelését?
Az antibiotikumok bioszintéziséhez az aktinomyceták megfelelő oldott oxigénszintre (>30% telítettség) és semleges pH-értékre (7,0–7,5) támaszkodnak. Az enzimeket termelő Bacillus törzsek mérsékelt oldott oxigénszintet (20–30%) és lúgos pH-értéket (6,5–8,0) preferálnak.
Mi a különbség a növekedésszerű és a nem növekedésszerű termelés között?
A növekedésszerű termelés a mikrobiális enzimek termelése, amely az exponenciális fázisban zajlik, míg az antibiotikumok termelése, amely a stacionárius fázisban zajlik, példa a nem növekedésszerű termelésre.
Milyen fermentátor-konfigurációk eredményeznek magas hozamú antibiotikum-termelést?
Keverős fermentátorok turbina keverőkerekekkel (a DO/pH pontos szabályozásával együtt) a legmegfelelőbb választás penicillin és streptomycin előállításához. A legnagyobb hozamnövekedést a tápanyag-befecskendezéses (fed-batch) stratégiák biztosítják, amelyek meghosszabbítják a stacionárius termelési fázist.
Hogyan tervezzék a fermentációs készüléket a terápiás enzimek előállításához?
A terápiás enzimek előállítása során alacsony nyíróerőt keltő keverőlapátokat használnak a fehérjék denaturálódásának elkerülésére. Emellett az enzim stabilitásának fenntartásához a pH 6,5–7,5-es tartományában fejlett pH-szabályozó (pH-stat) rendszert alkalmaznak.
Miért fontos a fermentációs készülék kiválasztása a mikrobiális folyamatokhoz?
A fermentációs készülékek kiválasztása szoros összefüggésben áll a termelési mérettel, a folyamat kimenetének logikus megfontolásával, valamint a szabályozási korlátozásokkal érintett piacra kerülő lépések előállításával.