Kärnskillnader i fysiologi mellan mikroorganismer som producerar enzymer och sådana som producerar antibiotika
Känslighet för syre och pH hos Actinomycetes och Bacillus
Antibiotikaproducerande aktinomyceter (t.ex. Streptomyces) och enzymgenererande Bacillus-stammar visar på markanta skillnader i miljötålighet. Aktinomyceter kräver löst syre (DO) på över 30 % och pH nära neutralitet (7,0–7,5) för att ge optimal syntes av antibiotika som streptomycin. Aktinomyceter har filamentösa morfologier och har därför dålig syrdiffusion längs filamenten. I motsats till detta kräver Bacillus-stammar vanligtvis DO-nivåer mellan 20–30 % och alkaliska förskjutningar (pH 6,5–8,0) under produktionen av proteaser. Bacillus-stammar uppvisar stavformade morfologier, vilket leder till en hög syrupptagseffektivitet. Dessa fysiologiska begränsningar ger värdefull information till konstruktörer av mikrobiella fermenter, särskilt vid utformningen av luftningsystemet och pH-statkontrollerna.
Typ av mikroorganism Syrförbrukning Optimalt pH-intervall Produkt
Aktinomyceter > 30 % DO-mättnad 7,0–7,5 Penicillin, Streptomycin
Bacillus 20–30 % DO-mättnad 6,5–8,0 Proteaser, Amylaser
Dynamik för produktbildning kopplad till tillväxt och icke-tillväxtkopplad produktbildning
Enzymproduktion (rekombinanta proteaser) är starkt kopplad till tillväxt och når en topp under den exponentiella fasen, då upptaget av näring är starkt och därmed även den metaboliska produktionen. Majoriteten (över 70 %) av de industriellt tillgängliga enzymen härrör från Bacillus-stammar under den exponentiella tillväxtfasen. Produktionen av antibiotika sker däremot under den stationära fasen i tillväxtcykeln. Den stationära fasen karaktäriseras av icke-tillväxtkopplad sekundärmetabolism. Under denna fas producerar filamentösa bakterier (t.ex. actinom
Konstruktionsfunktioner för mikrobiella fermenter för att maximera antibiotikautbytet
Konstruktion av fermenter för produktion av penicillin G och streptomycin
För att syntetisera antibiotika måste den miljömässiga processen för jäsningsbakterier av släktet Actinomycetes vara mycket krävande. För G-syntesen av penicillin krävs löst syre på mer än 30 % mättning, medan löst syre vid streptomycinproduktion måste kontrolleras till mindre än 20 %, vilket kan leda till en minskning av utbytet med 40–60 % (BioProcessing Journal, 2023). Penicillinmetabolismen upphör vid pH-värden mellan 6,5 och 7,0. Vid pH-värden över 7,8–8,2 upphör även streptomycinprocessen. Moderna fermenterare hanterar utmaningen att bibehålla lämpliga syrenivåer genom kombinerad användning av turbinpådrivna omrörare och spargingsystem. Fermenterarna använder integrerade automatiserade provtagare som kan korrigera sig själva genom tillsats av CO₂ eller bas för att motverka pH-sänkning orsakad av ackumulering av organisk syrlighet.
Utvidgningar av sekundärmetabolism genom förändring av batch-driftsläget
Bildningen av antibiotika sker i den sista fasen av sekundärmetabolismen under stationära fasen. Penicillin- och G-syntesen sker när glukoshalten hålls under 0,5 g/L för att förhindra avbrott i syntesen av biosyntetiska vägar. Produktionsfasen förlängs med mer än 40–60 timmar, samtidigt som utbytet ökar med upp till 50 % jämfört med traditionell batchprocess. Bifrukterna från fermentationsprocessen ackumuleras, vilket kan vara skadligt för processen. Syntesen av antibiotika är den främsta fokuspunkten, och cellens energi riktas mot syntesen.
Rekommenderade metoder för mikrobiell fermenterkonfiguration vid tillverkning av terapeutiska enzymer
Lågskärande propellerdesign och pH-statstrategier för att bibehålla stabiliteten hos rekombinanta proteaser
När terapeutiska enzymer, såsom rekombinanta proteaser, tillverkas krävs specialkonfigurerade fermenter för att undvika strukturell nedbrytning. Lågskärande propellertypers utformning, såsom lutade blad och hydrofoil, är effektiva för att säkerställa att proteiner inte denatureras och hjälper till att undvika förlust av proteasaktivitet. Ett pH-stat-styrsystem som automatiskt justerar mängden syrlig och basisk lösning för att hålla pH-värdet inom intervallet 6,5–7,5 för proteaser är en nödvändig komponent i systemet. Om pH-regleringen är bristfällig ändras konformationen på grund av pH-skift, vilket kraftigt hämmar proteasaktiviteten – potentiellt till och med med 50 % under en enda cykel. När dessa två system kombineras ökar de avkastningen avsevärt och säkerställer att produkten uppfyller de gällande reglerna inom branschen.
Att välja rätt typ av mikrobiell fermenter för en given skala, juridisk ram och önskat resultat
Valet av rätt mikrobiell fermenter är en trevariabel justering av produktionsomfattning, lagliga begränsningar och egenskaper hos den önskade produkten. Vid lägsta produktionsnivå används små, modulära system för forskning och pilotprojekt, medan forskning kring industriell produktion av antibiotika vid högsta nivå använder stora omrörda tankreaktorer med automatisk sterilisering för att uppfylla de många kraven inom modern läkemedelsindustri. Vid högsta produktionsnivå kontrasteras produktionen av högvärda terapeutiska enzymer och storskaligt tillverkbara metaboliter genom användning av impeller med låg skärbelastning respektive Rushton-turbiner med hög syreöverföring. Data visar att 34 % av fallen med misslyckad tekniköverföring från forskningsprojekt till produktion beror på dålig anpassning mellan skala och teknik, vilket leder till misslyckade fermentationsprojekt. Det är säkert att säga att framgångsrik implementering i stor utsträckning beror på efterlevnad, utbyte och driftseffektivitet som är integrerade i systemet redan under de tidiga utvecklingsstadierna.
Vanliga frågor
Vilka miljöfaktorer påverkar produktionen av antibiotika och enzymer?
För biosyntes av antibiotika är aktinomycenter beroende av tillräcklig löst syre (>30 % mättning) och en neutral pH på 7,0–7,5. Enzymproducerande Bacillus-stammar föredrar måttliga nivåer av löst syre (20–30 %) och en alkalisk pH på 6,5–8,0.
Vad är skillnaden mellan tillväxtkopplad och icke-tillväxtkopplad produktion?
Tillväxtkopplad produktion är produktion av mikrobiella enzymer, som sker under den exponentiella fasen, medan produktionen av antibiotika, som sker under den stationära fasen, är ett exempel på icke-tillväxtkopplad produktion.
Vilka fermentorkonfigurationer ger högavkastande produktion av antibiotika?
Rörmixade fermentorer utrustade med turbinrör (tillsammans med god kontroll av DO/pH) är det bästa valet för antibiotika som penicillin och streptomycin. De strategier som ger störst ökning av avkastning är utfodrade batch-processer som förlänger den stationära produktionsfasen.
Hur är fermentorn utformad för produktion av terapeutiska enzymer?
Vid produktion av terapeutiska enzymer används impeller med låg skärbelastning för att undvika proteinernas denaturering. Dessutom används ett avancerat pH-stat-system för att bibehålla enzymets stabilitet inom pH-intervallet 6,5–7,5.
Varför är valet av fermentor för den mikrobiella processen viktigt?
Valet av fermentor är starkt kopplat till produktionskapaciteten, en logisk bedömning av processens utdata samt produktionen av kommersiella steg med regulatoriska begränsningar.