Fermentų ir antibiotikų gaminančių mikroorganizmų pagrindiniai fiziologiniai skirtumai
Actinomycetes ir Bacillus jautrumas deguoniui ir pH
Antibiotikus gaminantys aktinomiketai (pvz., Streptomyces) ir fermentus gaminantys Bacillus ūgliai parodo pastebimų skirtumų aplinkos atsparumo srityje. Aktinomiketams reikia ištirpusio deguonies (DO) koncentracijos virš 30 % ir neutralaus pH (7,0–7,5), kad būtų pasiektas geriausias antibiotikų, tokių kaip streptomycinas, sintezės efektyvumas. Aktinomiketai turi siūlinę morfologiją, todėl jų siūlų viduje deguonis prasiskverbia prastai. Priešingai, Bacillus ūgliams gamintant proteazes reikia 20–30 % DO sotinimo ir švelnaus šarminio pH poslinkio (6,5–8,0). Bacillus ūgliai turi lazdelinę morfologiją, todėl jie labai efektyviai įsisaviną deguonį. Šios fiziologinės sąlygos suteikia informacijos mikroorganizmų fermenterų kūrėjams, susijusios su aeracinės sistemos ir pH-reguliavimo valdymo sistemų projektavimu.
Mikroorganizmų tipas Deguonies poreikis Optimalus pH diapazonas Gaminamas produktas
Aktinomiketai > 30 % DO sotinimo 7,0–7,5 Penicilinas, streptomycinas
Bacillus 20–30 % DO sotinimo 6,5–8,0 Proteazės, amilazės
Augimo ir neaugimo susijusios produktų susidarymo dinamika
Fermentų gamyba (rekombinantiniai proteazai) stipriai susijusi su augimu ir pasiekia viršūnę eksponentinės fazės metu, kai vyksta intensyvus maistinių medžiagų paėmimas ir, atitinkamai, stipresnis metabolinis išėjimas. Dauguma (daugiau kaip 70 %) lengvai prieinamų pramoninių fermentų gaunama iš Bacillus rūšių eksponentinės augimo fazės metu. Antibiotikų gamyba, priešingai, vyksta stacionariosios fazės metu. Stacionarioji fazė charakterizuojama neaugimo susijusiu antriniu metabolismu. Šioje fazėje pluoštiniai bakterijų (pvz., aktinom
Mikrobinės fermentacijos įrenginių konstrukcinės savybės, skirtos maksimaliai padidinti antibiotikų išvestį
Penicilino G ir streptomycino gamybai skirtų fermentacijos įrenginių konstrukcija
Antibiotikų sintezei actinomycetų aplinkos fermentavimo procesas turi būti labai reikalaujantis. Penicilino G sintezei ištirpusio deguonies kiekis turi būti didesnis nei 30 % sotinimo, tuo tarpu streptomycinui ištirpusio deguonies kiekis turi būti kontroliuojamas taip, kad būtų mažesnis nei 20 %, kas gali sukelti 40–60 % gamybos sumažėjimą. (BioProcessing Journal, 2023). Penicilino metabolizmo procesas sustoja esant pH nuo 6,5 iki 7,0. Esant pH nuo 7,8 iki 8,2 streptomycinui taip pat sustoja metabolizmo procesas. Šiuolaikiniai fermentatoriai šią problemą sprendžia palaikydami tinkamą deguonies kiekį naudodami kartu turbininius maišytuvus ir dujų įpurškimo sistemas. Fermentatoriai naudoja integruotus automatinio valdymo jutiklius, kurie gali savarankiškai koreguoti pH pridedami CO₂ arba šarma, kad būtų išvengta pH staigaus kritimo dėl organinių rūgščių kaupimosi.
Antrinių metabolitų gamybos plėtimas keičiant partijinį režimą
Antibiotikų susidarymas vyksta antrinės metabolizmo užbaigimo stadijoje, kai mikroorganizmai yra stacionariojoje fazėje. Penicilino ir G sintezė vyksta tada, kai gliukozės koncentracija palaikoma mažesnė nei 0,5 g/L, kad būtų išvengta biosintetinių kelių sintezės sutrikdymo. Gamybos fazė pratęsiama daugiau nei 40–60 valandų, o našumas padidėja iki 50 % lyginant su tradicine partijine gamyba. Fermentacijos proceso šalutiniai produktai kaupiasi, kas gali būti žalinga procesui. Pagrindinis dėmesys skiriamas antibiotikų sintezei, o ląstelių energija nukreipiama į sintezę.
Mikrobiologinio fermentatoriaus konfigūracijos geriausios praktikos terapinių fermentų gamybai
Žemo sukimo momento maišytuvo projektavimas ir pH-stat strategijos rekombinantinio proteazės stabilumui palaikyti
Kuriant terapines fermentų baltymų rūšis, pvz., rekombinantus proteazes, būtina naudoti specialius fermentatorių konfigūracijas, kad būtų išvengta struktūrinės degradacijos. Mažo sukimo jėgos maišytuvų konstrukcijos, tokios kaip pasvirųjų mentų ir hidrofoilo tipo maišytuvai, puikiai tinka užtikrinti, kad baltymai nebūtų denatūruoti, ir padeda išvengti proteazių aktyvumo praradimo. Būtina sistemos papildymo dalis yra pH-stat valdymo sistema, kuri automatiškai reguliuodama rūgšties ir šarmo kiekius palaiko proteazėms optimalų pH diapazoną – nuo 6,5 iki 7,5. Blogai kontroliuojant pH reikšmę, baltymų konformacinės savybės keičiasi, o tai stipriai slopina proteazių aktyvumą – vieno ciklo metu jis gali sumažėti net iki 50 %. Jei šios dvi sistemos naudojamos kartu, tai žymiai padidina produkto išeigą ir užtikrina, kad produktas atitiktų pramonės sektoriuje nustatytus reglamentus.
Teisingo mikrobinio fermentatoriaus tipo pasirinkimas atsižvelgiant į tam tikrą mastą, teisinį reguliavimą ir norimą rezultatą
Tinkamo mikrobinio fermentatoriaus parinkimas – tai trijų kintamųjų suderinimas: gamybos masto, teisinių apribojimų ir reikiamo produkto savybių. Žemiausiuose gamybos lygiuose tyrimų ir bandymų projektuose naudojamos mažos, modulinės sistemos, o aukščiausiuose lygiuose antibiotikų pramoninės gamybos tyrimuose – dideli maišymo rezervuarai su automatinės sterilizacijos funkcija, kad būtų įvykdyti šiuolaikinių farmacinių produktų daugelis reikalavimų. Aukščiausiuose išvesties lygiuose aukštos vertės terapinių fermentų gamyba priešpastatoma žemo sukimo jėgos maišytuvų naudojimui, o masinės gamybos metabolitų gamyba – aukšto deguonies pernašos Rushtono turbinoms. Duomenys rodo, kad 34 % nepavykusių technologijų perdavimo iš tyrimų į gamybą atvejų yra dėl netinkamo masto–technologijos suderinimo, kuris lemia fermentacinio projekto nesėkmę. Galima saugiai teigti, kad sėkmingas įdiegimas labai priklauso nuo sistemai ankstyvuoju etape suprojektuotos atitikties reikalavimams, naudingumo koeficiento ir eksploatacinės efektyvumo.
Dažniausiai užduodami klausimai
Kokie aplinkos veiksniai veikia antibiotikų ir fermentų gamybą?
Antibiotikų biosintezės metu aktinomiketai remiasi pakankamu ištirpusiu deguonies kiekiu (>30 % sotinimo) ir neutraliu pH (7,0–7,5). Fermentus gaminančios Bacillus genties kultūros pageidauja vidutinio ištirpusio deguonies kiekio (20–30 %) ir švelniai šarminio pH (6,5–8,0).
Koks skirtumas tarp augimui susijusios ir augimui nesusijusios gamybos?
Augimui susijusi gamyba – tai mikrobiniai fermentai, kurie gaminami eksponentinės augimo fazės metu, o antibiotikų gamyba stacionariosios fazės metu yra pavyzdys augimui nesusijusios gamybos.
Kokie fermenterių konfigūracijų variantai leidžia pasiekti aukštą antibiotikų gamybą?
Šturmuojamieji fermenteriai su turbininiais maišytuvais (kartu su tikslia ištirpusio deguonies kiekio ir pH valdymu) yra geriausias pasirinkimas penicilino ir streptomycino gamybai. Aukščiausius našumo padidėjimus užtikrina maitinamosios partijos (fed-batch) strategijos, pratęsiančios stacionariosios gamybos fazę.
Kaip fermenteris suprojektuotas terapinių fermentų gamybai?
Terapinių fermentų gamyboje naudojami mažo sukimo jėgos maišytuvai, kad būtų išvengta baltymų denatūracijos. Be to, norint palaikyti fermento stabilumą pH intervale nuo 6,5 iki 7,5, naudojama pažangioji pH-stat sistema.
Kodėl mikrobiologinio proceso fermenterio pasirinkimas yra svarbus?
Fermenterio pasirinkimas glaudžiai susijęs su gamybos mastu, procesų rezultatų logišku įvertinimu bei reguliavimo apribojimais reglamentuotose rinkos etapų gamyboje.