เครื่องหมักจุลินทรีย์แบบใดเหมาะสมที่สุดสำหรับการผลิตเอนไซม์หรือยาปฏิชีวนะ

ความแตกต่างทางสรีรวิทยาหลักระหว่างจุลินทรีย์ที่ผลิตเอนไซม์กับจุลินทรีย์ที่ผลิตยาปฏิชีวนะ

ความไวต่อออกซิเจนและค่า pH ของแอคติโนไมเซทีสและแบซิลลัส

แอคติโนไมเซทีสที่ผลิตยาปฏิชีวนะ (เช่น Streptomyces) และเชื้อแบคทีเรียสกุล Bacillus ที่สร้างเอนไซม์ แสดงความแตกต่างอย่างชัดเจนในด้านความทนทานต่อสภาวะแวดล้อม แอคติโนไมเซทีสต้องการระดับออกซิเจนที่ละลายในน้ำ (DO) สูงกว่า 30% และค่า pH ใกล้เป็นกลาง (7.0 ถึง 7.5) เพื่อให้เกิดการสังเคราะห์ยาปฏิชีวนะ เช่น สเตรปโตมัยซิน ได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด แอคติโนไมเซทีสมีรูปร่างเป็นเส้นใย จึงมีการแพร่กระจายของออกซิเจนเข้าสู่เส้นใยได้ไม่ดี ในทางตรงข้าม เชื้อแบคทีเรียสกุล Bacillus มักต้องการระดับ DO ระหว่าง 20–30% และมีแนวโน้มทำให้ค่า pH เปลี่ยนไปในทิศทางเป็นด่าง (pH 6.5–8.0) ระหว่างการผลิตโปรเตเอส Bacillus มีรูปร่างเป็นแท่ง จึงสามารถดูดซับออกซิเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพสูง ข้อจำกัดทางสรีรวิทยาเหล่านี้ให้ข้อมูลสำคัญแก่ผู้ออกแบบหม้อหมักจุลินทรีย์ โดยเฉพาะในการออกแบบระบบการให้ออกซิเจนและระบบควบคุมค่า pH อัตโนมัติ

ชนิดของจุลินทรีย์ ความต้องการออกซิเจน ช่วงค่า pH ที่เหมาะสม ผลิตภัณฑ์

แอคติโนไมเซทีส > 30% ของความอิ่มตัว DO 7.0–7.5 เพนิซิลลิน สเตรปโตมัยซิน

Bacillus 20–30% ของความอิ่มตัว DO 6.5–8.0 โปรเตเอส อะไมเลส

พลวัตของการสร้างผลิตภัณฑ์ที่สัมพันธ์กับการเจริญเติบโตและไม่สัมพันธ์กับการเจริญเติบโต

การผลิตเอนไซม์ (โปรเตเอสแบบรีคอมบิแนนต์) มีความสัมพันธ์อย่างมากกับการเจริญเติบโต และจะถึงจุดสูงสุดในช่วงระยะการเจริญเติบโตแบบทวีคูณ ซึ่งในช่วงนี้มีการดูดซึมสารอาหารอย่างเข้มข้น ส่งผลให้เกิดผลลัพธ์ทางเมแทบอลิซึมที่สูงขึ้นตามไปด้วย เอนไซม์อุตสาหกรรมที่ใช้งานได้ทันทีส่วนใหญ่ (มากกว่า 70%) ได้มาจากการเพาะเลี้ยงเชื้อแบคทีเรียสายพันธุ์ Bacillus ในช่วงระยะการเจริญเติบโตแบบทวีคูณ อย่างไรก็ตาม การผลิตยาปฏิชีวนะจะดำเนินการในช่วงระยะคงที่ของวงจรการเจริญเติบโต ซึ่งลักษณะเด่นของระยะคงที่คือการเกิดเมแทบอลิซึมรองที่ไม่สัมพันธ์กับการเจริญเติบโต ในระยะนี้ แบคทีเรียเส้นใย (เช่น actinom

ลักษณะการออกแบบหม้อหมักจุลินทรีย์เพื่อเพิ่มผลผลิตยาปฏิชีวนะสูงสุด
การออกแบบหม้อหมักเพื่อผลิตเพนิซิลลิน G และสเตรปโตมัยซิน
ในการสังเคราะห์ยาปฏิชีวนะ กระบวนการสิ่งแวดล้อมที่ใช้การหมักแอคติโนไมเซทีส (actinomycetes) จำเป็นต้องมีความเข้มงวดสูงมาก สำหรับการสังเคราะห์เพนิซิลลินแบบ G จำเป็นต้องมีออกซิเจนที่ละลายอยู่ในระดับมากกว่า 30% ของความอิ่มตัว ในขณะที่สำหรับสเตรปโตมัยซิน ออกซิเจนที่ละลายจะต้องควบคุมให้อยู่ต่ำกว่า 20% ซึ่งอาจทำให้ผลผลิตลดลง 40–60% (BioProcessing Journal, 2023) กระบวนการเมแทบอลิซึมของเพนิซิลลินจะหยุดลงที่ค่า pH ระหว่าง 6.5 ถึง 7.0 ส่วนกระบวนการเมแทบอลิซึมของสเตรปโตมัยซินจะหยุดลงเมื่อค่า pH เกิน 7.8 ถึง 8.2 เครื่องหมักสมัยใหม่จัดการกับความท้าทายในการรักษาระดับออกซิเจนที่เหมาะสมโดยใช้กังหันแบบเทอร์ไบน์ร่วมกับระบบการพ่นอากาศ (sparging systems) เครื่องหมักเหล่านี้ใช้โพรบที่เชื่อมต่อและควบคุมอัตโนมัติ ซึ่งสามารถปรับค่า pH ได้เองโดยการเติม CO₂ หรือสารเบส เพื่อป้องกันไม่ให้ค่า pH ลดต่ำลงอย่างรวดเร็วอันเนื่องจากการสะสมของกรดอินทรีย์
การขยายขอบเขตของการเผาผลาญรองผ่านการเปลี่ยนโหมดการดำเนินงานแบบแบตช์
การสร้างสารปฏิชีวนะเกิดขึ้นในระยะสุดท้ายของเมแทบอลิซึมรอง ซึ่งเกิดขึ้นในระยะคงที่ (stationary phase) การสังเคราะห์เพนิซิลลินและเพนิซิลลิน G เกิดขึ้นเมื่อมีการควบคุมความเข้มข้นของกลูโคสให้อยู่ต่ำกว่า 0.5 กรัม/ลิตร เพื่อป้องกันไม่ให้กระบวนการสังเคราะห์เส้นทางชีวสังเคราะห์ถูกหยุดชะงัก ระยะเวลาในการผลิตยืดออกนานกว่า 40–60 ชั่วโมง เมื่อเทียบกับกระบวนการแบบแบตช์แบบดั้งเดิม และผลผลิตเพิ่มขึ้นได้มากถึง 50% ของเสียจากกระบวนการหมักจะสะสมขึ้น ซึ่งอาจส่งผลเสียต่อการดำเนินงาน การสังเคราะห์สารปฏิชีวนะเป็นเป้าหมายหลัก และพลังงานของเซลล์จะถูกจัดสรรไปเพื่อสนับสนุนกระบวนการสังเคราะห์นี้

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการจัดวางโครงสร้างหม้อหมักจุลินทรีย์ในการผลิตเอนไซม์เพื่อการรักษา

การออกแบบใบพัดที่สร้างแรงเฉือนต่ำและกลยุทธ์การควบคุมค่า pH โดยใช้ระบบ pH-stat เพื่อรักษาความเสถียรของโปรเตเอสที่ได้จากการดัดแปลงพันธุกรรม

เมื่อผลิตเอนไซม์เพื่อการรักษา เช่น โปรตีเอสที่ได้จากเทคนิคการดัดแปลงพันธุกรรม จะจำเป็นต้องใช้หม้อหมักที่ออกแบบเฉพาะเพื่อหลีกเลี่ยงการเสื่อมสภาพของโครงสร้าง ใบพัดแบบแรงเฉือนต่ำ เช่น ใบพัดเอียง (pitched-blade) และใบพัดไฮโดรฟอยล์ (hydrofoil) มีประสิทธิภาพดีในการรักษาโครงสร้างของโปรตีนไม่ให้เกิดการเปลี่ยนรูป (denaturation) จึงช่วยป้องกันการสูญเสียกิจกรรมของโปรตีเอสได้ ระบบควบคุมค่า pH แบบ pH-stat ซึ่งรักษาช่วงค่า pH ไว้ที่ 6.5–7.5 สำหรับโปรตีเอส โดยปรับปริมาณกรดและเบสโดยอัตโนมัติ ถือเป็นส่วนเสริมที่จำเป็นต่อระบบนี้ หากควบคุมค่า pH ได้ไม่ดี จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเชิงโครงสร้างของโปรตีเอสตามค่า pH และส่งผลให้กิจกรรมของโปรตีเอสลดลงอย่างมาก อาจลดลงถึง 50% ได้ภายในหนึ่งรอบการหมักเท่านั้น ทั้งสองระบบนี้ หากใช้งานร่วมกัน จะช่วยเพิ่มผลผลิตได้อย่างมีนัยสำคัญ และรับประกันว่าผลิตภัณฑ์จะสอดคล้องตามข้อกำหนดและมาตรฐานที่กำหนดไว้สำหรับอุตสาหกรรมนี้

การเลือกประเภทหม้อหมักจุลินทรีย์ที่เหมาะสมตามขนาดการผลิต ขอบเขตทางกฎหมาย และเป้าหมายที่ต้องการ

การเลือกเครื่องหมักจุลินทรีย์ที่เหมาะสมนั้นขึ้นอยู่กับการจัดสมดุลของตัวแปรสามประการ ได้แก่ ขนาดของการผลิต ข้อจำกัดทางกฎหมาย และลักษณะเฉพาะของผลลัพธ์ที่ต้องการ สำหรับระดับการผลิตต่ำสุด งานวิจัยและโครงการนำร่องมักใช้ระบบแบบโมดูลาร์ขนาดเล็ก ในขณะที่ระดับการผลิตสูงสุด งานวิจัยเกี่ยวกับการผลิตยาปฏิชีวนะในเชิงอุตสาหกรรมจะใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบถังกวนขนาดใหญ่ที่มีระบบฆ่าเชื้อโดยอัตโนมัติ เพื่อให้สอดคล้องกับข้อกำหนดต่าง ๆ ที่เข้มงวดของผลิตภัณฑ์ยาสมัยใหม่ สำหรับระดับผลผลิตสูงสุด การผลิตเอนไซม์เพื่อการรักษาที่มีมูลค่าสูงจะใช้ใบพัดที่สร้างแรงเฉือนต่ำ ในขณะที่การผลิตเมแทบอไลต์ที่สามารถผลิตได้ในปริมาณมากจะใช้เทอร์ไบน์รัสตันที่มีประสิทธิภาพในการถ่ายโอนออกซิเจนสูง ข้อมูลสนับสนุนว่า 34% ของกรณีที่การถ่ายทอดเทคโนโลยีจากโครงการวิจัยสู่การผลิตไม่ประสบความสำเร็จ เกิดจากการจับคู่ระหว่างขนาดการผลิตกับเทคโนโลยีที่ไม่เหมาะสม ซึ่งนำไปสู่ความล้มเหลวของโครงการหมัก กล่าวได้อย่างปลอดภัยว่า ความสำเร็จในการดำเนินการขึ้นอยู่อย่างมากกับความสอดคล้องตามมาตรฐาน ผลผลิต และประสิทธิภาพในการปฏิบัติงาน ซึ่งต้องออกแบบไว้ในระบบตั้งแต่ระยะเริ่มต้น

คำถามที่พบบ่อย

ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมใดบ้างที่มีผลต่อการผลิตยาปฏิชีวนะและเอนไซม์

สำหรับการสังเคราะห์ยาปฏิชีวนะแบบชีวภาพ แอคติโนไมเซทีส (actinomycetes) จำเป็นต้องอาศัยออกซิเจนที่ละลายในน้ำอย่างเพียงพอ (>30% ของความอิ่มตัว) และค่า pH เป็นกลางที่ระดับ 7.0–7.5 ส่วนเชื้อแบคทีเรียสายพันธุ์บาซิลลัส (Bacillus) ที่ผลิตเอนไซม์จะชอบระดับออกซิเจนที่ละลายในน้ำปานกลางที่ 20–30% และค่า pH เป็นด่างที่ระดับ 6.5–8.0

ความแตกต่างระหว่างการผลิตที่สัมพันธ์กับการเจริญเติบโต กับการผลิตที่ไม่สัมพันธ์กับการเจริญเติบโตคืออะไร

การผลิตที่สัมพันธ์กับการเจริญเติบโต คือ การผลิตเอนไซม์ของจุลินทรีย์ซึ่งเกิดขึ้นในระยะการเจริญเติบโตแบบทวีคูณ (exponential phase) ขณะที่การผลิตยาปฏิชีวนะซึ่งเกิดขึ้นในระยะคงที่ (stationary phase) ถือเป็นตัวอย่างของการผลิตที่ไม่สัมพันธ์กับการเจริญเติบโต

รูปแบบหม้อหมัก (fermenter) แบบใดที่ให้ผลผลิตยาปฏิชีวนะสูง

หม้อหมักแบบกวน (stirred-tank fermenters) ที่ติดตั้งใบพัดแบบเทอร์ไบน์ (turbine impellers) พร้อมระบบควบคุมปริมาณออกซิเจนที่ละลายในน้ำ (DO) และค่า pH อย่างแม่นยำ คือทางเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการผลิตยาปฏิชีวนะ เช่น เพนิซิลลิน (penicillin) และสเตรปโตมัยซิน (streptomycin) โดยกลยุทธ์การให้อาหารแบบต่อเนื่อง-เป็นช่วง (fed-batch strategies) ซึ่งยืดระยะเวลาของระยะการผลิตแบบคงที่นั้น จะให้ผลเพิ่มผลผลิตสูงสุด

การออกแบบหม้อหมักสำหรับการผลิตเอนไซม์เพื่อการรักษาเป็นอย่างไร

ในการผลิตเอนไซม์เพื่อการรักษา จะใช้ใบพัดที่สร้างแรงเฉือนต่ำเพื่อหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนรูปร่างของโปรตีน นอกจากนี้ เพื่อรักษาความเสถียรของเอนไซม์ในช่วงค่า pH ระหว่าง 6.5 ถึง 7.5 จะใช้ระบบควบคุมค่า pH แบบขั้นสูง (pH-stat system)

เหตุใดการเลือกหม้อหมักสำหรับกระบวนการจุลินทรีย์จึงมีความสำคัญ

การเลือกหม้อหมักมีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับขนาดของการผลิต การพิจารณาอย่างมีเหตุผลเกี่ยวกับผลลัพธ์ของกระบวนการ และการผลิตขั้นตอนที่พร้อมจำหน่ายในตลาดภายใต้ข้อจำกัดด้านกฎระเบียบ