Enzīmu un antibiotiku ražojošo mikroorganismu galvenās fizioloģiskās atšķirības
Aktinomicētu un Bacillus jutība pret skābekli un pH
Antibiotikus ražojošām aktinomicētām (piemēram, Streptomyces) un fermentus ražojošām Bacillus štammēm ir būtiskas atšķirības vides izturībā. Aktinomicētām nepieciešams šķīdušā skābekļa (DO) līmenis virs 30 % un pH tuvu neitrālam (7,0–7,5), lai optimāli sintezētu antibiotikas, piemēram, streptomīcinu. Aktinomicētām ir pavedienveidīga morfoloģija, tāpēc pavedienos notiek slikti skābekļa difūzija. Savukārt Bacillus štammu DO līmenis parasti ir 20–30 %, un proteāzu ražošanas laikā novēro alkalisku pH pārmaiņu (pH 6,5–8,0). Bacillus štammiem ir nūjiņveidīga morfoloģija, kas nodrošina augstu skābekļa piegādes efektivitāti. Šie fizioloģiskie ierobežojumi sniedz informāciju mikroorganismu fermentoru konstruktors par aerācijas sistēmas un pH-stat kontrolieru projektēšanu.
Mikroorganismu tips Skābekļa prasības Optimālais pH diapazons Produkts
Aktinomicētas > 30 % DO piesātinājums 7,0–7,5 Penicilīns, streptomīcins
Bacillus 20–30 % DO piesātinājums 6,5–8,0 Proteāzes, amilāzes
Augšanas un neaugšanas saistītā produkta veidošanās dinamika
Enzīmu ražošana (rekombināntie proteāzi) ir stingri saistīta ar augšanu un sasniedz maksimumu eksponenciālās fāzes laikā, kad notiek intensīva barības vielu uzņemšana un, kā rezultāts, intensīvāka metaboliskā aktivitāte. Vairums (vairāk nekā 70%) rūpnieciski viegli pieejamo enzīmu tiek iegūts no Bacillus stamiņiem eksponenciālās augšanas fāzē. Antibiotiku ražošana, savukārt, notiek stacionārajā fāzē. Cikla stacionārā fāze raksturīga ar neaugšanas saistītu sekundāro metabolisma darbību. Šajā fāzē filamentveidīgie baktēriji (piemēram, aktinomīceti)
Mikrobiālo fermentoru konstruktīvās īpašības, lai maksimizētu antibiotiku iznākumu
Penicilīna G un streptomiecina ražošanai paredzēto fermentoru konstruēšana
Antibiotiku sintēzei aktinomicētu fermentācijas vides process ir jābūt ļoti prasīgam. Penicilīna G sintēzei šķīdinātā skābekļa līmenim jābūt vairāk nekā 30 % piesātinājumam, kamēr streptomīna ražošanai šķīdinātā skābekļa līmenis jākontrolē tā, lai tas būtu mazāks par 20 %, kas var izraisīt ražības samazināšanos par 40–60 %. (BioProcessing Journal, 2023). Penicilīna metabolisms apstājas pH vērtībā no 6,5 līdz 7,0. Streptomīna metabolisms apstājas pH vērtībā no 7,8 līdz 8,2. Mūsdienu fermentori risina problēmu ar piemērotu skābekļa līmeņu uzturēšanu, izmantojot turbīnas maisītājus un gāzes ievadīšanas sistēmas kombināciju. Fermentori izmanto integrētus automatizētus probus, kas spēj paškoreģēties, pievienojot CO₂ vai bāzi, lai novērstu pH kritumu, ko izraisa organisko skābju uzkrāšanās.
Papildinājumi sekundārajai metabolisma darbībai, pārejot no partijas režīma
Antibiotiku veidošanās notiek sekundārās metabolisma nobeiguma stadijā, kad šūnas atrodas stacionārajā fāzē. Penicilīna un G sintēze notiek tad, ja glikozi uztur zem 0,5 g/L, lai novērstu biosintētisko ceļu sintēzes pārtraukšanu. Ražošanas fāze tiek pagarināta par vairāk nekā 40–60 stundām, kamēr ražība palielinās līdz pat 50 % salīdzinājumā ar tradicionālo partijas procesu. Fermentācijas procesa blakusprodukti uzkrājas, kas var būt kaitīgi procesa norisei. Antibiotiku sintēze ir galvenais mērķis, un šūnu enerģija tiek veltīta sintēzei.
Mikrobiālā fermentora konfigurācijas labākās prakses terapeitisko enzīmu ražošanai
Zema šķērsvirziena maisītāja dizains un pH-stat stratēģijas rekombināntu proteāzes stabilitātes uzturēšanai
Terapeitisku fermentu, piemēram, rekombināntu proteāžu, ražošanai ir nepieciešamas specializētas fermentētāju konfigurācijas, lai izvairītos no struktūras degradācijas. Zema šķērsvirziena spēka maisītāju dizaini, piemēram, slīpi novietoti lāpstiņu un hidroplānu maisītāji, ir efektīvi, nodrošinot, ka olbaltumvielas netiek denaturētas, un palīdz izvairīties no proteāžu aktivitātes zuduma. pH-stat kontroles sistēma, kas automātiski regulē skābes un bāzes daudzumu, uzturot proteāžu pH diapazonu 6,5–7,5, ir nepieciešama sistēmas papildinājums. Ja pH nav pareizi kontrolēts, notiek konformācijas pH izmaiņas, un proteāžu aktivitāte tiek ievērojami samazināta, iespējams, pat par 50% vienā ciklā. Ja šīs divas sistēmas tiek izmantotas kopā, tās ievērojami palielina iznākumu un nodrošina, ka produkts atbilst nozarei noteiktajiem noteikumiem.
Pareizā mikrobiālā fermentētāja tipa izvēle atkarībā no konkrētā mēroga, juridiskās vides un gaidāmā rezultāta
Pareizā mikrobiālā fermentora izvēle ir trīs mainīgo atbilstība: ražošanas mērogs, juridiskie ierobežojumi un nepieciešamā produkta īpašības. Zemākajos ražošanas līmeņos pētniecības un pilotprojekti izmanto mazas, modulāras sistēmas, bet augstākajos līmeņos antibiotiku rūpnieciskās ražošanas pētījumi izmanto lielus maisītāja tipa reaktorus ar automātisku sterilizāciju, lai atbilstu daudzajām moderno farmaceitisko preparātu prasībām. Augstākajos izvades līmeņos augstvērtīgu terapeitisko enzīmu ražošana un masveida ražojamu metabolītu ražošana atšķiras attiecīgi ar zemu šķērsvirziena impeleru un augstu skābekļa pārneses Rashtona turbīnu izmantošanu. Datu analīze liecina, ka 34 % neveiksmīgu tehnoloģiju pārneses gadījumu no pētniecības projektu uz ražošanu ir saistīti ar nepietiekamu atbilstību starp pētniecības un ražošanas tehnoloģijām, kas noved pie fermentācijas projektu neveiksmēm. Var droši teikt, ka veiksmīga ieviešana lielā mērā ir atkarīga no sistēmā jau agrīnajās stadijās paredzētās atbilstības, iznākuma un ekspluatācijas efektivitātes.
Bieži uzdotie jautājumi
Kādi vides faktori ietekmē antibiotiku un enzīmu ražošanu?
Antibiotiku biosintēzei aktinomicētiem ir nepieciešams pietiekams šķīdušā skābekļa daudzums (>30% piesātinājums) un neitrāls pH 7,0–7,5. Enzīmus ražojošām Bacillus štammēm ir vajadzīgs mērens šķīdušā skābekļa līmenis (20–30%) un sārmainais pH 6,5–8,0.
Kāda ir atšķirība starp augšanai saistīto un augšanai nesaistīto ražošanu?
Augšanai saistītā ražošana ir mikrobiālo enzīmu ražošana, kas notiek eksponenciālajā fāzē, kamēr antibiotiku ražošana, kas notiek stacionārajā fāzē, ir piemērs augšanai nesaistītai ražošanai.
Kādas fermentora konfigurācijas nodrošina augstu antibiotiku ražošanu?
Maisītāja tipa fermentori, kas aprīkoti ar turbīnas maisītājiem (kopā ar labu DO/pH kontroli), ir jūsu labākais izvēles variants antibiotikām, piemēram, penicilīnam un streptomīcinam. Vislielāko ražas pieaugumu nodrošina barojuma partijas (fed-batch) stratēģijas, kas pagarina stacionāro ražošanas fāzi.
Kā ir izstrādāts fermentētājs terapeitisko enzīmu ražošanai?
Terapeitisko enzīmu ražošanā tiek izmantoti zema šķērsvirziena spēka maisītāji, lai novērstu olbaltumvielu denaturāciju. Turklāt, lai saglabātu enzīma stabilitāti pH diapazonā no 6,5 līdz 7,5, tiek izmantota uzlabota pH-stat sistēma.
Kāpēc mikrobioloģiskā procesa fermentētāja izvēle ir svarīga?
Fermentētāju izvēlei ir cieša saistība ar ražošanas mērogu, procesa izvades racionālu novērtējumu un tirgū pieejamo produktu ražošanu, ņemot vērā regulatīvos ierobežojumus.