Diferenças Fisiológicas Fundamentais entre Microrganismos Produtores de Enzimas e de Antibióticos
Sensibilidade ao Oxigênio e ao pH entre Actinomicetos e Bacillus
Actinomicetos produtores de antibióticos (por exemplo, Streptomyces) e cepas de Bacillus produtoras de enzimas demonstram diferenças notáveis na tolerância ambiental. Os actinomicetos necessitam de níveis de oxigênio dissolvido (OD) superiores a 30% e de pH próximo da neutralidade (7,0 a 7,5) para garantir a melhor síntese de antibióticos, como a estreptomicina. Os actinomicetos apresentam morfologias filamentosas e, portanto, têm uma difusão de oxigênio deficiente ao longo do filamento. Em contraste, as cepas de Bacillus tendem a operar com níveis de OD entre 20% e 30% e desvios para alcalinidade (pH 6,5–8,0) durante a produção de proteases. As cepas de Bacillus exibem morfologias bacilares, o que resulta em alta eficiência na captação de oxigênio. Essas restrições fisiológicas fornecem informações valiosas aos projetistas de fermentadores microbianos, particularmente no que diz respeito ao projeto do sistema de aeração e dos controladores de pH.
Tipo de Microrganismo Requisito de Oxigênio Faixa de pH Ótima Produto
Actinomicetos Saturação de OD > 30% 7,0–7,5 Penicilina, Estreptomicina
Bacillus Saturação de OD 20–30% 6,5–8,0 Proteases, Amilases
Dinâmica de Formação de Produtos Associada e Não Associada ao Crescimento
A produção de enzimas (proteases recombinantes) está fortemente associada ao crescimento e atinge um pico durante a fase exponencial, quando há uma forte captação de nutrientes e, consequentemente, uma maior produção metabólica. A maioria (mais de 70%) das enzimas industriais prontamente disponíveis é obtida a partir de cepas de Bacillus durante a fase exponencial de crescimento. A produção de antibióticos, no entanto, ocorre durante a fase estacionária do ciclo. Essa fase é caracterizada por um metabolismo secundário não associado ao crescimento. Nessa fase, bactérias filamentosas (por exemplo, actinom
Características de Projeto de Fermentadores Microbianos para Maximizar a Produção de Antibióticos
Projeto de Fermentadores para Produzir Penicilina G e Estreptomicina
Para sintetizar antibióticos, o processo ambiental de fermentação de actinomicetos deve ser altamente exigente. Para a síntese de penicilina (G), é necessário que o oxigênio dissolvido esteja acima de 30% de saturação, enquanto, para a estreptomicina, o oxigênio dissolvido deve ser controlado em menos de 20%, o que pode causar uma redução de rendimento de 40 a 60%. (BioProcessing Journal, 2023). O processo de metabolismo da penicilina cessa entre pH 6,5 e 7,0. Acima de pH 7,8 a 8,2, o processo de metabolismo da estreptomicina também cessa. Os fermentadores modernos enfrentam o desafio de manter níveis adequados de oxigênio mediante o uso combinado de turbinas agitadoras e sistemas de borbulhamento (sparging). Esses fermentadores utilizam sondas automatizadas integradas, capazes de se autorregular adicionando CO₂ ou base para evitar a queda do pH causada pelo acúmulo de ácido orgânico.
Extensões do Metabolismo Secundário mediante a Mudança do Modo Descontínuo
A formação de antibióticos ocorre na fase final do metabolismo secundário, durante a fase estacionária. A síntese da penicilina e da penicilina G ocorre quando a concentração de glicose é mantida abaixo de 0,5 g/L, para evitar a interrupção das vias biossintéticas. A fase de produção é prolongada em mais de 40–60 horas, enquanto o rendimento aumenta até 50% em comparação com o processo descontínuo tradicional. Os subprodutos do processo de fermentação acumulam-se, podendo prejudicar a operação. A síntese dos antibióticos é a principal prioridade, e a energia celular é direcionada para essa síntese.
Práticas Recomendadas para a Configuração de Fermentadores Microbianos na Fabricação de Enzimas Terapêuticas
Projeto de Agitador de Baixa Cisalhamento e Estratégias de pH-Stat para Manter a Estabilidade da Protease Recombinante
Ao produzir enzimas terapêuticas, como proteases recombinantes, são necessárias configurações especializadas de fermentadores para evitar a degradação estrutural. Projetos de agitadores de baixa cisalhamento, como os de lâminas inclinadas e os tipo hidrofoil, são eficazes na garantia de que as proteínas não se desnaturem e ajudam a evitar a perda de atividade das proteases. Um sistema de controle pH-stat, que mantém a faixa de pH entre 6,5 e 7,5 para proteases ajustando automaticamente as quantidades de ácido e base, é uma adição necessária ao sistema. Quando o pH é mal controlado, ocorrem alterações conformacionais induzidas pelo pH e a atividade das proteases é fortemente inibida, podendo até cair 50% em um único ciclo. Quando combinados, esses dois sistemas aumentam significativamente o rendimento e garantem que o produto esteja em conformidade com as regulamentações vigentes para o setor.
Escolhendo o Tipo Adequado de Fermentador Microbiano para uma Determinada Escala, Enquadramento Legal e Resultado
A seleção do fermentador microbiano adequado é um alinhamento de três variáveis: escala de produção, restrições legais e características da saída exigida. Nos níveis mais baixos de produção, pesquisas e projetos-piloto utilizam sistemas pequenos e modulares; nos níveis mais altos, pesquisas sobre a produção industrial de antibióticos empregam grandes reatores agitados com esterilização automática para atender aos muitos requisitos dos fármacos modernos. Nos níveis mais elevados de produção, a fabricação de enzimas terapêuticas de alto valor contrasta com a produção em grande escala de metabólitos, utilizando-se, respectivamente, impelidores de baixa cisalhamento e turbinas Rushton de alta transferência de oxigênio. Dados indicam que 34% dos casos de falha na transferência de tecnologia de projetos de pesquisa para a produção resultam de uma inadequada correspondência entre escala e tecnologia, o que leva ao fracasso de projetos de fermentação. Pode-se afirmar com segurança que a implementação bem-sucedida depende, em grande medida, da conformidade, do rendimento e da eficiência operacional projetados no sistema já nas fases iniciais.
Perguntas Frequentes
Quais fatores ambientais afetam a produção de antibióticos e enzimas?
Para a biossíntese de antibióticos, as actinomicetos dependem de oxigênio dissolvido adequado (>30% de saturação) e de um pH neutro entre 7,0 e 7,5. As cepas produtoras de enzimas do gênero Bacillus preferem níveis moderados de oxigênio dissolvido (20–30%) e um pH alcalino entre 6,5 e 8,0.
Qual é a diferença entre produções associadas ao crescimento e não associadas ao crescimento?
A produção associada ao crescimento refere-se à produção de enzimas microbianas, que ocorre durante a fase exponencial, enquanto a produção de antibióticos, que ocorre durante a fase estacionária, é um exemplo de produção não associada ao crescimento.
Quais configurações de fermentadores resultam em alta produtividade na produção de antibióticos?
Fermentadores de tanque agitado equipados com impelidores tipo turbina (associados a um bom controle de OD/pH) são sua melhor opção para antibióticos como penicilina e estreptomicina. As estratégias em batelada alimentada, que prolongam a fase estacionária de produção, proporcionam os maiores aumentos de rendimento.
Como o fermentador é projetado para a produção de enzimas terapêuticas?
Na produção de enzimas terapêuticas, são utilizados agitadores de baixa cisalhamento para evitar a desnaturação das proteínas. Além disso, para manter a estabilidade da enzima na faixa de pH de 6,5 a 7,5, emprega-se um sistema avançado de controle de pH (pH-stat).
Por que a escolha do fermentador para o processo microbiano é importante?
A seleção de fermentadores está fortemente associada à escala de produção, à avaliação lógica da produtividade do processo e à produção de etapas comercializáveis, sujeitas a limitações regulatórias.