Diferențele fiziologice esențiale între microorganismele care produc enzime și cele care produc antibiotice
Sensibilitatea la oxigen și la pH a actinomicetelor și a bacteriilor Bacillus
Actinomicetele care produc antibiotice (de exemplu, Streptomyces) și tulpinile de Bacillus care generează enzime prezintă diferențe semnificative în ceea ce privește toleranța la factorii de mediu. Actinomicetele necesită niveluri de oxigen dizolvat (DO) peste 30 % și un pH apropiat de neutralitate (7,0–7,5) pentru a asigura sinteza optimă a antibioticelor, cum ar fi streptomicina. Actinomicetele au o morfologie filamentară și, prin urmare, difuzia oxigenului în interiorul filamentelor este slabă. În schimb, tulpinile de Bacillus necesită, în general, niveluri de DO între 20 % și 30 % și prezintă deplasări spre alcalinitate (pH 6,5–8,0) în timpul producerii proteazelor. Tulpinile de Bacillus au o morfologie de bacili, ceea ce conduce la o eficiență ridicată a absorbției oxigenului. Aceste constrângeri fiziologice oferă informații esențiale proiectanților de fermentori microbieni, în special în ceea ce privește conceperea sistemului de aerare și a reglatorilor de pH.
Tip de microorganism Cerință de oxigen Intervalul optimal de pH Produs
Actinomicete > 30 % saturație DO 7,0–7,5 Penicilină, Streptomicină
Bacillus 20–30 % saturație DO 6,5–8,0 Proteaze, Amilaze
Dinamica formării produselor asociate cu creșterea și neasociate cu creșterea
Producția de enzime (proteaze recombinante) este strâns asociată cu creșterea și atinge un vârf în faza exponențială, când are loc o absorbție intensă a nutrienților și, ca urmare, o producție metabolică mai mare. Majoritatea (peste 70%) a enzimelor industriale ușor disponibile sunt obținute din tulpini de Bacillus în faza exponențială de creștere. Producția de antibiotice, însă, are loc în faza staționară a ciclului. Faza staționară a ciclului este caracterizată de metabolism secundar neasociat cu creșterea. În această fază, bacteriile filamentoase (de exemplu, actinom
Caracteristici de proiectare ale fermenterelor microbiene pentru maximizarea producției de antibiotice
Proiectarea fermenterelor pentru producerea penicilinei G și a streptomicinei
Pentru sintetizarea antibioticelor, procesul ambiental de fermentare a actinomicetelor trebuie să fie extrem de exigent. Pentru sinteza G a penicilinei, oxigenul dizolvat trebuie să depășească 30 % din saturație, în timp ce, pentru streptomicină, oxigenul dizolvat trebuie controlat să fie sub 20 %, ceea ce poate duce la o reducere a randamentului cu 40–60 %. (BioProcessing Journal, 2023). Procesul de metabolism al penicilinei încetează la un pH cuprins între 6,5 și 7,0. În afara intervalului 7,8–8,2, procesul de metabolism al streptomicinei încetează, de asemenea. Fermentoarele moderne abordează provocarea menținerii unor niveluri corespunzătoare de oxigen prin utilizarea combinată a turbinei agitatoare și a sistemelor de spargere. Fermentoarele folosesc sonde automate integrate, care pot corecta automat pH-ul prin adăugarea de CO₂ sau bază, pentru a preveni scăderea bruscă a acestuia ca urmare a acumulării de acizi organici.
Extensii ale metabolismului secundar prin trecerea de la regimul discontinuu
Formarea antibioticelor are loc în stadiul terminal al metabolismului secundar, în faza staționară. Sinteza penicilinei și a penicilinei G are loc atunci când concentrația de glucoză este menținută sub 0,5 g/L, pentru a preveni întreruperea sintezei căilor biosintetice. Faza de producție este prelungită cu peste 40–60 de ore, iar randamentul crește cu până la 50 % comparativ cu procesul clasic în loturi. Subprodusele procesului de fermentație se acumulează, ceea ce poate fi prejudicial pentru desfășurarea operației. Sinteza antibioticelor reprezintă obiectivul principal, iar energia celulară este direcționată spre această sinteză.
Practici recomandate privind configurarea fermentorului microbian pentru fabricarea enzimelor terapeutice
Proiectare a agitatorului cu forță de forfecare scăzută și strategii pH-stat pentru menținerea stabilității proteazelor recombinante
La obținerea enzimelor terapeutice, cum ar fi proteazele recombinante, sunt necesare configurații specializate de fermentori pentru a evita degradarea structurală. Designurile de elice cu scăzută forță de forfecare, cum ar fi cele cu palete înclinate și cele de tip hydrofoil, sunt eficiente în asigurarea faptului că proteinele nu se denatură și contribuie la evitarea pierderii activității proteazelor. Un sistem de control pH-stat, care menține intervalul de pH între 6,5 și 7,5 pentru proteaze prin ajustarea automată a cantităților de acid și bază, reprezintă o componentă obligatorie a sistemului. În cazul unei reglări necorespunzătoare a pH-ului, au loc modificări conformaționale datorate pH-ului, iar activitatea proteazelor este semnificativ inhibată, potențial chiar cu până la 50 % într-un singur ciclu. Dacă aceste două sisteme sunt utilizate împreună, ele măresc în mod semnificativ randamentul și asigură conformitatea produsului cu reglementările aplicabile din domeniul respectiv.
Alegerea tipului potrivit de fermentor microbian în funcție de scară, cadru legal și rezultat dorit
Selectarea fermentatorului microbial potrivit reprezintă o aliniere cu trei variabile: scală de producție, constrângeri legale și caracteristici ale produsului final dorit. La cele mai mici niveluri de producție, cercetarea și proiectele pilot utilizează sisteme mici și modulare, iar la cele mai mari niveluri, cercetarea privind producția industrială a antibioticelor folosește reactoare mari cu amestecare mecanică dotate cu sterilizare automată, pentru a satisface numeroasele cerințe ale produselor farmaceutice moderne. La cele mai mari niveluri de producție, obținerea enzimelor terapeutice de înaltă valoare și a metabolitilor produși în cantități mari se realizează, respectiv, cu ajutorul elicelor cu forță de forfecare redusă și al turbinelor Rushton cu transfer ridicat de oxigen. Datele indică faptul că în 34 % din cazurile de transfer nereușit al tehnologiei de la proiectele de cercetare la producție, cauza constă în nepotrivirea între scală și tehnologie, ceea ce duce la eșecul proiectelor de fermentație. Se poate afirma în siguranță că implementarea reușită depinde în mare măsură de conformitatea, randamentul și eficiența operațională integrate în sistem în stadiile inițiale ale proiectării.
Întrebări frecvente
Ce factori de mediu influențează producția de antibiotice și enzime?
Pentru biosinteza antibioticelor, actinomicetele necesită o concentrație adecvată de oxigen dizolvat (>30% saturare) și un pH neutru de 7,0–7,5. Tulpinile de Bacillus care produc enzime preferă niveluri moderate de oxigen dizolvat (20–30%) și un pH alcalin de 6,5–8,0.
Care este diferența dintre producția asociată cu creșterea și cea neasociată cu creșterea?
Producția asociată cu creșterea este producția de enzime microbienne, care are loc în faza exponențială, în timp ce producția de antibiotice, care are loc în faza staționară, este un exemplu de producție neasociată cu creșterea.
Ce configurații de fermentori conduc la o producție de antibiotice cu randament ridicat?
Fermentorii cu agitare echipați cu turbine (împreună cu un control bun al concentrației de oxigen dizolvat/pH) reprezintă cea mai bună alegere pentru antibiotice precum penicilina și streptomicina. Strategiile de tip alimentare în loturi (fed-batch), care prelungesc faza staționară de producție, oferă cele mai mari creșteri ale randamentului.
Cum este proiectat fermentorul pentru producția de enzime terapeutice?
În producția de enzime terapeutice, se folosesc agitatoare cu forță de forfecare scăzută pentru a evita denaturarea proteinelor. De asemenea, pentru menținerea stabilității enzimei în intervalul de pH 6,5–7,5, se utilizează un sistem avansat de reglare a pH-ului (pH-stat).
De ce este importantă alegerea fermentorului pentru procesul microbian?
Alegerea fermentorului este strâns legată de scală producției, de evaluarea logică a randamentului procesului și de etapele de producție destinate comercializării, care sunt supuse unor limitări reglementare.