Sentrale fysiologiske forskjeller mellom mikroorganismer som produserer enzymer og antibiotika
Følsomhet for oksygen og pH hos Actinomycetes og Bacillus
Antibiotikaproducerende aktinomyceter (f.eks. Streptomyces) og enzymproduserende Bacillus-stammer viser bemerkelsesverdige forskjeller i miljøtoleranse. Aktinomyceter krever oppløst oksygen (DO) på over 30 % og nøytral pH (7,0–7,5) for å sikre best mulig syntese av antibiotika som streptomycin. Aktinomyceter har filamentøs morfologi og dermed dårlig oksygendiffusjon gjennom filamentene. I motsetning til dette krever Bacillus-stammer vanligvis DO-nivåer mellom 20–30 % og alkaliske pH-skift (pH 6,5–8,0) under produksjon av proteaser. Bacillus-stammer har stavformet morfologi, noe som gir høy effektivitet ved oksygentak opp. Disse fysiologiske begrensningene gir viktig informasjon til utviklere av mikrobielle fermentere, særlig når det gjelder utforming av luftingssystemet og pH-stat-kontrollere.
Mikroorganismetype Oksygenkrav Optimalt pH-område Produkt
Aktinomyceter > 30 % DO-metning 7,0–7,5 Penicillin, Streptomycin
Bacillus 20–30 % DO-metning 6,5–8,0 Proteaser, Amylaser
Dynamikk ved produktdannelse assosiert med og uavhengig av vekst
Enzymproduksjon (rekombinante proteaser) er sterkt assosiert med vekst og når et maksimum under den eksponentielle fasen, da det skjer en kraftig opptak av næringstoffer og følgelig en økt metabolisk aktivitet. Majoriteten (over 70 %) av de lettilgjengelige industrielle enzymene er hentet fra Bacillus-stammer under den eksponentielle vekstfasen. Produksjonen av antibiotika foregår imidlertid under den stasjonære fasen i vekstsyklusen. Den stasjonære fasen karakteriseres av vekst-uavhengig, sekundærmetabolisme. I denne fasen produserer filamentøse bakterier (f.eks. actinom
Konstruksjonsfunksjoner for mikrobielle fermentere for å maksimere antibiotikautbytte
Konstruksjon av fermentere for produksjon av penicillin G og streptomycin
For å syntetisere antibiotika må miljøprosessen med fermentering av aktinomyceter være svært kravfull. For G-syntesen av penicillin må oppløst oksygen være over 30 % metning, mens for streptomycin må oppløst oksygen holdes under 20 %, noe som kan føre til en utbytteredusering på 40–60 % (BioProcessing Journal, 2023). Penicillinmetabolismen stopper ved pH 6,5–7,0. Over pH 7,8–8,2 stopper også streptomycinprosessen. Moderne fermentere takler utfordringen med å opprettholde riktige oksygnivåer ved å kombinere turbinrør og sparging-systemer. Fermenterene bruker integrerte automatiserte sonder som kan justere seg selv ved å tilføre CO₂ eller base for å hindre pH-fall som følge av akkumulering av organisk syre.
Utvidelser av sekundærmetabolisme ved overgang fra batch-drift
Dannelsen av antibiotika skjer i den siste fasen av sekundærmetabolismen i den stasjonære fasen. Syntesen av penicillin og G skjer når glukosen holdes under 0,5 g/L for å unngå avbrytelse av syntesen i de biosyntetiske veiene. Produksjonsfasen utvides med mer enn 40–60 timer, mens utbyttet øker med opptil 50 % sammenlignet med tradisjonell batch-prosess. Biproduktene fra fermentasjonsprosessen samles opp, noe som kan være skadelig for driften. Syntesen av antibiotika er hovedfokuset, og celleenergien rettes mot syntese.
Beste praksis for konfigurasjon av mikrobielle fermentere ved produksjon av terapeutiske enzymer
Lavskjærende impellerdesign og pH-stat-strategier for å opprettholde stabiliteten til rekombinant protease
Når man produserer terapeutiske enzymer, som for eksempel rekombinante proteaser, er spesialiserte fermentorkonfigurasjoner nødvendige for å unngå strukturell degradasjon. Lavskjærende impellertyper, som f.eks. skråblad- og hydrofoil-impellere, er effektive til å sikre at proteiner ikke denatureres og hjelper til å unngå tap av proteaseaktivitet. Et pH-stat-styringssystem som holder pH-området på 6,5–7,5 for proteaser ved automatisk justering av mengdene syre og base, er en nødvendig tilleggsfunksjon til systemet. Dersom pH-en ikke kontrolleres tilstrekkelig, endres konformasjonen som følge av pH-endringer, og proteaseaktiviteten hemmes kraftig – potensielt opp til 50 % i løpet av én enkelt syklus. Når disse to systemene kombineres, øker utbyttet betydelig, og produktet sikres i henhold til gjeldende bransjeregler.
Valg av riktig mikrobiell fermentortype for en gitt skala, lovgivningsramme og resultat
Valg av riktig mikrobiell fermenter er en trevariabel justering av produksjonsskala, lovmessige begrensninger og egenskaper til det ønskede utgangsproduktet. På laveste produksjonsnivå brukes små, modulære systemer i forsknings- og pilotprosjekter, mens det på høyeste nivå brukes store røremaskiner med automatisk sterilisering i forskning på industriell produksjon av antibiotika for å oppfylle de mange kravene som stilles til moderne legemidler. På høyeste utgangsnivå kontrasteres produksjonen av terapeutiske enzymer med høy verdi og masseproduserte metabolitter ved bruk av impellere med lav skjærbelastning og Rushton-turbiner med høy oksygentransfer henholdsvis. Data viser at 34 % av tilfellene med mislykket teknologioverføring fra forskningsprosjekter til produksjon skyldes dårlig tilpasning mellom skala og teknologi, noe som fører til feil i fermenteringsprosjekter. Det er trygt å si at vellykket implementering i stor grad avhenger av overholdelse av krav, utbytte og driftseffektivitet som er integrert i systemet allerede i de tidlige fasene.
Ofte stilte spørsmål
Hvilke miljøfaktorer påvirker produksjonen av antibiotika og enzymer?
For biosyntese av antibiotika er aktinomyceter avhengige av tilstrekkelig oppløst oksygen (>30 % metning) og en nøytral pH på 7,0–7,5. Enzymproduserende Bacillus-stammer foretrekker moderat oppløst oksygennivå på 20–30 % og en alkalisk pH på 6,5–8,0.
Hva er forskjellen mellom vekstassosiert og ikke-vekstassosiert produksjon?
Vekstassosiert produksjon er produksjon av mikrobielle enzymer, som skjer under den eksponentielle fasen, mens produksjon av antibiotika, som skjer under den stasjonære fasen, er et eksempel på ikke-vekstassosiert produksjon.
Hvilke fermentorkonfigurasjoner gir høyavkastningsproduksjon av antibiotika?
Røringsfermentorer utstyrt med turbinrør (i kombinasjon med god regulering av DO/pH) er det beste valget for antibiotika som penicillin og streptomycin. De beste økningene i utbytte oppnås ved hjelp av tilførselsbatch-strategier som utvider den stasjonære produktfasen.
Hvordan er fermentoren designet for produksjon av terapeutiske enzymer?
Ved produksjon av terapeutiske enzymer brukes impellere med lav skjærbelastning for å unngå denaturering av proteiner. I tillegg brukes et avansert pH-stat-system for å opprettholde stabiliteten til enzymet innenfor pH-området 6,5–7,5.
Hvorfor er valget av fermentor for mikrobiell prosess viktig?
Valget av fermentorer er sterkt knyttet til produksjonsskalaen, logisk vurdering av prosessens utgang, samt produksjon av markedstrinn med regulatoriske begrensninger.