Kernfysiologische verschillen tussen micro-organismen die enzymen of antibiotica produceren
Gevoeligheid voor zuurstof en pH bij Actinomyceten en Bacillus
Antibioticproducerende actinomyceten (bijv. Streptomyces) en enzymproducerende Bacillus-stammen tonen opmerkelijke verschillen in milieuverdraagzaamheid. Actinomyceten hebben opgeloste zuurstofniveaus (DO) boven de 30% en een pH dicht bij neutraliteit (7,0 tot 7,5) nodig om de optimale synthese van antibiotica zoals streptomycine te waarborgen. Actinomyceten hebben een vezelige morfologie en daardoor een slechte zuurstofdiffusie door de vezels. In tegenstelling thereto hebben Bacillus-stammen doorgaans DO-niveaus tussen 20 en 30% en alkalische verschuivingen (pH 6,5–8,0) tijdens de productie van proteasen. Bacillus-stammen vertonen staafvormige morfologieën, wat leidt tot een hoge efficiëntie van zuurstofopname. Deze fysiologische beperkingen verstrekken informatie aan ontwerpers van microbiële fermentoren met betrekking tot het ontwerp van het beluchtingssysteem en de pH-statregelaars.
Micro-organismetype Zuurstofbehoefte Optimaal pH-bereik Product
Actinomyceten > 30% DO-verzadiging 7,0–7,5 Penicilline, Streptomycine
Bacillus 20–30% DO-verzadiging 6,5–8,0 Proteasen, Amylasen
Dynamiek van productvorming die wel en niet gerelateerd is aan groei
Enzymproductie (recombinante proteasen) is sterk gekoppeld aan groei en bereikt een piek tijdens de exponentiële fase, wanneer er een sterke opname van voedingsstoffen plaatsvindt en bijgevolg een hogere metabolische output. De meerderheid (meer dan 70%) van de gemakkelijk verkrijgbare industriële enzymen wordt verkregen uit Bacillus-stammen tijdens de exponentiële groeifase. De productie van antibiotica daarentegen vindt plaats tijdens de stationaire fase van de cyclus. De stationaire fase wordt gekenmerkt door secundaire metabolisme dat niet gerelateerd is aan groei. In deze fase produceren filamentvormige bacteriën (bijv. actinomyceten)
Ontwerpkenmerken van microbiële fermentoren om de antibiotica-output te maximaliseren
Ontwerp van fermentoren voor de productie van penicilline G en streptomycine
Om antibiotica te synthetiseren, moet het milieuproces van fermentatie van actinomyceten zeer eisend zijn. Voor de G-synthese van penicilline moet de opgeloste zuurstof meer dan 30% saturatie bedragen, terwijl voor streptomycine de opgeloste zuurstof moet worden geregeld op minder dan 20%, wat een opbrengstvermindering van 40–60% kan veroorzaken. (BioProcessing Journal, 2023). Het metabolisme van penicilline stopt bij een pH van 6,5 tot 7,0. Boven een pH van 7,8 tot 8,2 stopt ook het metabolisme van streptomycine. Moderne fermentatoren nemen de uitdaging aan om de juiste zuurstofniveaus te handhaven door turbine-rotoren en sparging-systemen in combinatie te gebruiken. De fermentatoren zijn uitgerust met geïntegreerde geautomatiseerde sondes die zichzelf kunnen corrigeren door CO₂ of een base toe te voegen om te voorkomen dat de pH daalt als gevolg van de ophoping van organisch zuur.
Uitbreidingen van secundair metabolisme door overschakeling naar batchmodus
De vorming van antibiotica vindt plaats in het eindstadium van de secundaire stofwisseling tijdens de stationaire fase. De synthese van penicilline en G vindt plaats wanneer de glucoseconcentratie onder de 0,5 g/L wordt gehandhaafd om onderbreking van de biosynthetische routes te voorkomen. De productiefase wordt met meer dan 40–60 uur verlengd, terwijl de opbrengst met maximaal 50% toeneemt ten opzichte van de traditionele batchmethode. De bijproducten van het fermentatieproces hopen zich op, wat nadelig kan zijn voor de werking. De synthese van antibiotica is de primaire focus, en de celenergie wordt gericht op deze synthese.
Aanbevolen praktijken voor de configuratie van microbiële fermentoren bij de productie van therapeutische enzymen
Ontwerp van lage-schervloedroerders en pH-statstrategieën voor het behoud van de stabiliteit van recombinante proteasen
Bij de productie van therapeutische enzymen, zoals recombinante proteasen, zijn gespecialiseerde fermentorconfiguraties noodzakelijk om structurele afbraak te voorkomen. Laag-scherende roerbladontwerpen, zoals schuin geplaatste bladen en hydrofoolbladen, zijn geschikt om te waarborgen dat eiwitten niet worden gedenatureerd en helpen om verlies van proteaseactiviteit te voorkomen. Een pH-stat-regelsysteem dat het pH-bereik voor proteasen automatisch op 6,5–7,5 handhaaft door de hoeveelheden zuur en base aan te passen, is een noodzakelijke aanvulling op het systeem. Bij slechte pH-regeling verandert de conformationele pH en wordt de proteaseactiviteit sterk geremd, mogelijk zelfs met wel 50 % tijdens één cyclus. Indien deze twee systemen gecombineerd worden, neemt de opbrengst aanzienlijk toe en wordt gewaarborgd dat het product voldoet aan de geldende regelgeving voor de sector.
De juiste type microbiele fermentor kiezen op basis van de gewenste schaal, het wettelijk kader en het beoogde resultaat
De keuze van de juiste microbiële fermentor is een afstemming op drie variabelen: de productieschaal, wettelijke beperkingen en de kenmerken van de gewenste uitvoer. Bij de laagste productieniveaus gebruiken onderzoeks- en proefprojecten kleine, modulaire systemen, terwijl bij de hoogste niveaus onderzoek naar de industriële productie van antibiotica grote roerreactoren met automatische sterilisatie gebruikt, om aan de vele eisen van moderne geneesmiddelen te voldoen. Bij de hoogste uitvoerniveaus wordt de productie van hoogwaardige therapeutische enzymen en in grote hoeveelheden produceerbare metabolieten onderscheiden door respectievelijk het gebruik van impellers met lage schuifkracht en Rushton-turbines met hoge zuurstofoverdracht. Gegevens wijzen erop dat 34% van de gevallen van mislukte technologie-overdracht van onderzoeksprojecten naar productie het gevolg is van een slechte afstemming tussen schaal en technologie, wat leidt tot mislukking van fermentatieprojecten. Het is veilig om te zeggen dat een succesvolle implementatie sterk afhangt van de conformiteit, opbrengst en operationele efficiëntie die reeds in de vroege ontwerpfase in een systeem zijn ingebouwd.
Veelgestelde vragen
Welke milieufactoren beïnvloeden de productie van antibiotica en enzymen?
Voor de biosynthese van antibiotica zijn actinomyceten afhankelijk van voldoende opgeloste zuurstof (>30% verzadiging) en een neutrale pH van 7,0–7,5. Enzymproducerende Bacillus-stammen geven de voorkeur aan matige niveaus van opgeloste zuurstof (20–30%) en een alkalische pH van 6,5–8,0.
Wat is het verschil tussen groeigeassocieerde en niet-groeigeassocieerde productie?
Groeigeassocieerde productie is de productie van microbiele enzymen, die plaatsvindt tijdens de exponentiële fase, terwijl de productie van antibiotica, die plaatsvindt tijdens de stationaire fase, een voorbeeld is van niet-groeigeassocieerde productie.
Welke fermentorconfiguraties leiden tot een productie met hoog rendement van antibiotica?
Roeikar-fermentoren uitgerust met turbinebladen (gekoppeld aan een goede regeling van DO/pH) zijn uw beste keuze voor antibiotica zoals penicilline en streptomycine. De grootste toename van het rendement wordt bereikt met gevoed-batch-strategieën die de stationaire productiefase verlengen.
Hoe is de fermentor ontworpen voor de productie van therapeutische enzymen?
Bij de productie van therapeutische enzymen worden impellers met lage schuifkracht gebruikt om denaturatie van eiwitten te voorkomen. Daarnaast wordt, om de stabiliteit van het enzym binnen het pH-bereik van 6,5 tot 7,5 te behouden, een geavanceerd pH-stat-systeem gebruikt.
Waarom is de keuze van de fermentor voor het microbiele proces belangrijk?
Bij de selectie van fermentoren bestaat er een sterke relatie met de productieschaal, de logische afweging van de procesoutput en de productie van in de markt gebrachte stappen met wettelijke en regelgevende beperkingen.