Differenze fisiologiche fondamentali tra microrganismi produttori di enzimi e microrganismi produttori di antibiotici
Sensibilità all’ossigeno e al pH negli attinomiceti e nei bacilli
Gli attinomiceti produttori di antibiotici (ad es. Streptomyces) e i ceppi di Bacillus produttori di enzimi mostrano differenze significative nella tolleranza ambientale. Gli attinomiceti richiedono livelli di ossigeno disciolto (DO) superiori al 30% e un pH prossimo alla neutralità (7,0–7,5) per garantire la migliore sintesi di antibiotici come la streptomicina. Gli attinomiceti presentano una morfologia filamentosa e pertanto soffrono di una scarsa diffusione dell’ossigeno nei filamenti. Al contrario, i ceppi di Bacillus tendono a operare con livelli di DO compresi tra il 20% e il 30% e con spostamenti verso valori alcalini del pH (6,5–8,0) durante la produzione di proteasi. I ceppi di Bacillus presentano una morfologia a bastoncello, che consente un’elevata efficienza nell’assorbimento dell’ossigeno. Questi vincoli fisiologici forniscono informazioni utili ai progettisti dei fermentatori microbici, in particolare per quanto riguarda la progettazione del sistema di aerazione e dei regolatori di pH.
Tipo di microrganismo Requisito di ossigeno Intervallo ottimale di pH Prodotto
Attinomiceti Saturazione di DO > 30% 7,0–7,5 Penicillina, Streptomicina
Bacillus Saturazione di DO 20–30% 6,5–8,0 Proteasi, Amilasi
Dinamica della formazione di prodotti associata e non associata alla crescita
La produzione enzimatica (proteasi ricombinanti) è fortemente associata alla crescita e raggiunge il suo picco durante la fase esponenziale, quando avviene un forte assorbimento di nutrienti e, di conseguenza, un aumento dell’output metabolico. La maggior parte (oltre il 70%) degli enzimi industriali facilmente disponibili proviene da ceppi di Bacillus durante la fase esponenziale di crescita. La produzione di antibiotici, invece, avviene durante la fase stazionaria del ciclo. Questa fase è caratterizzata da un metabolismo secondario non associato alla crescita. In tale fase, i batteri filamentosi (ad es. actinom)
Caratteristiche progettuali dei fermentatori microbici per massimizzare la produzione di antibiotici
Progettazione dei fermentatori per la produzione di penicillina G e streptomicina
Per sintetizzare antibiotici, il processo ambientale di fermentazione degli attinomiceti deve essere estremamente esigente. Per la sintesi della penicillina in fase G, è necessario che l'ossigeno disciolto superi il 30% di saturazione, mentre per la streptomicina l'ossigeno disciolto deve essere mantenuto al di sotto del 20%, condizione che può causare una riduzione del rendimento del 40–60%. (BioProcessing Journal, 2023). Il metabolismo della penicillina cessa a un pH compreso tra 6,5 e 7,0. Al di sopra di un pH compreso tra 7,8 e 8,2, cessa anche il processo di produzione della streptomicina. I moderni fermentatori affrontano la sfida del mantenimento di livelli adeguati di ossigeno mediante l’uso combinato di turbine agitatrici e sistemi di spargimento. Tali fermentatori sono dotati di sonde automatizzate integrate, in grado di correggersi autonomamente aggiungendo CO₂ o basi per contrastare il calo del pH causato dall’accumulo di acidi organici.
Estensioni del metabolismo secondario mediante passaggio alla modalità batch
La formazione degli antibiotici avviene nella fase terminale del metabolismo secondario, durante la fase stazionaria. La sintesi della penicillina G ha luogo quando la concentrazione di glucosio viene mantenuta inferiore a 0,5 g/L, per evitare l’interruzione delle vie biosintetiche. La fase produttiva si prolunga di oltre 40–60 ore, mentre la resa aumenta fino al 50% rispetto al tradizionale processo batch. I sottoprodotti del processo di fermentazione si accumulano e possono risultare dannosi per il funzionamento del processo. La sintesi degli antibiotici rappresenta la priorità principale e l’energia cellulare è indirizzata prevalentemente verso tale sintesi.
Pratiche ottimali per la configurazione del fermentatore microbico nella produzione di enzimi terapeutici
Progettazione di eliche a basso taglio e strategie pH-stat per garantire la stabilità delle proteasi ricombinanti
Quando si producono enzimi terapeutici come le proteasi ricombinanti, sono necessarie configurazioni specializzate di fermentatori per evitare il degrado strutturale. I design di eliche a basso taglio, come quelle a pale inclinate e a profilo idrodinamico, garantiscono efficacemente che le proteine non subiscano denaturazione e contribuiscono a prevenire la perdita di attività delle proteasi. Un sistema di controllo pH-stat, che mantiene l’intervallo di pH compreso tra 6,5 e 7,5 per le proteasi regolando automaticamente le quantità di acido e di base, costituisce un’aggiunta indispensabile al sistema. Se il pH non è controllato adeguatamente, si verificano cambiamenti conformazionali legati al pH e l’attività proteasica risulta fortemente compromessa, con una riduzione potenziale anche del 50% già in un singolo ciclo. Se utilizzati in abbinamento, questi due sistemi aumentano notevolmente il rendimento e garantiscono che il prodotto sia conforme alle normative vigenti nel settore.
Scelta del tipo di fermentatore microbico più adatto in relazione alla scala di produzione, al quadro normativo applicabile e al risultato desiderato
La scelta del fermentatore microbico appropriato è un allineamento a tre variabili che tiene conto della scala di produzione, dei vincoli normativi e delle caratteristiche dell’output richiesto. Ai livelli più bassi di produzione, i progetti di ricerca e quelli pilota utilizzano sistemi piccoli e modulari; ai livelli più alti, la ricerca sulla produzione industriale di antibiotici impiega grandi reattori a vasca agitata dotati di sterilizzazione automatica per soddisfare i numerosi requisiti dei moderni farmaci. Ai livelli più elevati di produzione, la produzione di enzimi terapeutici ad alto valore e di metaboliti prodotti in grandi quantità si distingue rispettivamente per l’uso di eliche a basso taglio e di turbine Rushton ad alto trasferimento di ossigeno. I dati indicano che il 34% dei casi di trasferimento tecnologico fallito dai progetti di ricerca alla produzione è dovuto a un’inadeguata corrispondenza tra scala e tecnologia, che porta al fallimento dei progetti di fermentazione. È ragionevole affermare che l’implementazione di successo dipende fortemente dalla conformità, dal rendimento e dall’efficienza operativa progettate nel sistema nelle fasi iniziali.
Domande frequenti
Quali fattori ambientali influenzano la produzione di antibiotici e enzimi?
Per la biosintesi degli antibiotici, gli attinomiceti richiedono un’adeguata concentrazione di ossigeno disciolto (>30% di saturazione) e un pH neutro compreso tra 7,0 e 7,5. I ceppi di Bacillus produttori di enzimi preferiscono livelli moderati di ossigeno disciolto (20–30%) e un pH alcalino compreso tra 6,5 e 8,0.
Qual è la differenza tra produzione associata alla crescita e produzione non associata alla crescita?
La produzione associata alla crescita è la produzione di enzimi microbici, che avviene durante la fase esponenziale, mentre la produzione di antibiotici, che avviene durante la fase stazionaria, rappresenta un esempio di produzione non associata alla crescita.
Quali configurazioni di fermentatore consentono una produzione ad alto rendimento di antibiotici?
I fermentatori a vasca agitata dotati di turbine (abbinati a un buon controllo di DO/pH) sono la scelta migliore per antibiotici come la penicillina e la streptomicina. Le strategie in alimentazione discontinua (fed-batch), che prolungano la fase stazionaria di produzione, garantiscono i maggiori incrementi di resa.
Come è progettato il fermentatore per la produzione di enzimi terapeutici?
Nella produzione di enzimi terapeutici, vengono utilizzati agitatori a basso taglio per evitare la denaturazione delle proteine. Inoltre, per mantenere la stabilità dell’enzima nell’intervallo di pH compreso tra 6,5 e 7,5, si impiega un avanzato sistema pH-stat.
Perché la scelta del fermentatore per il processo microbico è importante?
La selezione dei fermentatori è strettamente correlata alla scala di produzione, alla valutazione logica della resa del processo e alla produzione di fasi commercializzabili, tenendo conto dei vincoli regolatori.