Những khác biệt sinh lý học cốt lõi giữa các vi sinh vật sản xuất enzyme và vi sinh vật sản xuất kháng sinh
Độ nhạy với oxy và pH của các chủng Actinomycetes và Bacillus
Các xạ khuẩn sản xuất kháng sinh (ví dụ: Streptomyces) và các chủng Bacillus tạo enzyme thể hiện sự khác biệt đáng kể về khả năng chịu đựng môi trường. Xạ khuẩn cần nồng độ oxy hòa tan (DO) trên 30% và pH gần trung tính (7,0–7,5) để tổng hợp tối ưu các kháng sinh như streptomycin. Xạ khuẩn có hình thái sợi, do đó khả năng khuếch tán oxy vào bên trong sợi kém. Ngược lại, các chủng Bacillus thường hoạt động tốt ở mức DO từ 20–30% và có xu hướng làm tăng độ kiềm (pH từ 6,5–8,0) trong quá trình sản xuất protease. Các chủng Bacillus có hình que, dẫn đến hiệu quả hấp thu oxy cao. Những ràng buộc sinh lý này cung cấp thông tin quan trọng cho các nhà thiết kế hệ thống lên men vi sinh liên quan đến việc thiết kế hệ thống cấp khí và bộ điều khiển pH.
Loại vi sinh vật Yêu cầu oxy Dải pH tối ưu Sản phẩm
Xạ khuẩn Độ bão hòa DO > 30% 7,0–7,5 Penicillin, Streptomycin
Bacillus Độ bão hòa DO 20–30% 6,5–8,0 Protease, Amylase
Động lực học hình thành sản phẩm liên quan và không liên quan đến tăng trưởng
Sản xuất enzyme (protease tái tổ hợp) có mối liên hệ mạnh mẽ với quá trình tăng trưởng và đạt đỉnh trong pha lũy thừa, khi vi sinh vật hấp thu mạnh các chất dinh dưỡng và do đó tạo ra đầu ra chuyển hóa cao hơn. Phần lớn (trên 70%) các enzyme công nghiệp sẵn có đều được chiết tách từ chủng Bacillus trong pha lũy thừa của quá trình tăng trưởng. Ngược lại, sản xuất kháng sinh lại diễn ra trong pha dừng của chu kỳ. Pha dừng đặc trưng bởi quá trình chuyển hóa thứ cấp không liên quan đến tăng trưởng. Trong pha này, các vi khuẩn dạng sợi (ví dụ: actinomycetes)…
Các đặc điểm thiết kế của thiết bị lên men vi sinh nhằm tối đa hóa sản lượng kháng sinh
Thiết kế thiết bị lên men để sản xuất Penicillin G và Streptomycin
Để tổng hợp kháng sinh, quá trình môi trường lên men vi khuẩn xạ khuẩn phải đáp ứng yêu cầu rất cao. Đối với quá trình tổng hợp penicillin (G), nồng độ oxy hòa tan cần duy trì ở mức trên 30% độ bão hòa, trong khi đối với streptomycin, nồng độ oxy hòa tan phải được kiểm soát ở mức dưới 20%, điều này có thể dẫn đến giảm năng suất từ 40–60%. (Tạp chí BioProcessing, 2023). Quá trình chuyển hóa penicillin ngừng hoạt động ở khoảng pH từ 6,5 đến 7,0. Ở pH vượt quá 7,8–8,2, quá trình sản xuất streptomycin cũng ngừng hoạt động. Các thiết bị lên men hiện đại giải quyết thách thức duy trì nồng độ oxy phù hợp bằng cách kết hợp đồng thời bánh khuấy tuabin và hệ thống phân tán khí (sparging). Các thiết bị lên men sử dụng đầu dò tự động tích hợp, có khả năng tự hiệu chỉnh bằng cách bổ sung CO₂ hoặc chất kiềm nhằm ngăn chặn sự sụt giảm pH do tích tụ axit hữu cơ.
Mở rộng quá trình chuyển hóa thứ cấp thông qua việc chuyển đổi chế độ mẻ
Sự hình thành kháng sinh xảy ra ở giai đoạn cuối của chuyển hóa thứ cấp trong pha dừng. Việc tổng hợp penicillin và G diễn ra khi nồng độ glucose được duy trì ở mức thấp hơn 0,5 g/L nhằm ngăn chặn sự gián đoạn trong các con đường sinh tổng hợp. Giai đoạn sản xuất được kéo dài thêm hơn 40–60 giờ, trong khi năng suất tăng lên tới 50% so với quy trình lô truyền thống. Các sản phẩm phụ của quá trình lên men tích tụ, có thể gây ảnh hưởng bất lợi đến quá trình vận hành. Tổng hợp kháng sinh là mục tiêu chính, và năng lượng của tế bào được tập trung chủ yếu vào quá trình tổng hợp.
Các thực hành tốt nhất về cấu hình thiết bị lên men vi sinh cho sản xuất enzyme điều trị
Thiết kế cánh khuấy ít gây cắt cắt và chiến lược điều khiển pH theo kiểu pH-stat nhằm duy trì độ ổn định của protease tái tổ hợp
Khi sản xuất các enzym điều trị như protease tái tổ hợp, cần sử dụng các cấu hình thiết bị lên men chuyên biệt nhằm tránh suy giảm cấu trúc. Các thiết kế cánh khuấy ít gây cắt cắt (low-shear), chẳng hạn như cánh khuấy nghiêng (pitched-blade) và cánh khuấy dạng thủy động lực học (hydrofoil), rất hiệu quả trong việc đảm bảo protein không bị biến tính và giúp ngăn ngừa mất hoạt tính của protease. Hệ thống điều khiển pH theo nguyên tắc pH-stat—duy trì khoảng pH từ 6,5 đến 7,5 cho protease bằng cách tự động điều chỉnh lượng axit và bazơ bổ sung—là một thành phần thiết yếu phải được tích hợp vào hệ thống. Khi kiểm soát pH kém, sự thay đổi pH sẽ làm biến đổi cấu hình không gian của enzym, dẫn đến giảm mạnh hoạt tính protease, thậm chí có thể lên tới 50% chỉ trong một chu kỳ duy nhất. Nếu hai hệ thống này được kết hợp đồng bộ, năng suất sẽ tăng đáng kể và sản phẩm đầu ra đảm bảo tuân thủ đầy đủ các quy định pháp lý áp dụng trong ngành.
Lựa chọn loại thiết bị lên men vi sinh phù hợp dựa trên quy mô sản xuất, khung pháp lý và mục tiêu đầu ra
Việc lựa chọn thiết bị lên men vi sinh phù hợp là quá trình cân bằng ba yếu tố: quy mô sản xuất, các ràng buộc pháp lý và đặc tính của sản phẩm đầu ra yêu cầu. Ở mức độ sản xuất thấp nhất, các dự án nghiên cứu và thử nghiệm sử dụng các hệ thống nhỏ, dạng mô-đun; trong khi ở mức độ cao nhất, các nghiên cứu về sản xuất công nghiệp kháng sinh sử dụng các phản ứng sinh học khuấy trộn cỡ lớn có hệ thống tiệt trùng tự động nhằm đáp ứng nhiều yêu cầu khắt khe của dược phẩm hiện đại. Ở mức sản lượng cao nhất, việc sản xuất các enzym điều trị có giá trị cao và các chất chuyển hóa có thể sản xuất với khối lượng lớn được thực hiện lần lượt bằng cách sử dụng các cánh khuấy tạo lực cắt thấp và tuabin Rushton có khả năng truyền oxy cao. Dữ liệu cho thấy 34% trường hợp chuyển giao công nghệ thất bại từ các dự án nghiên cứu sang sản xuất là do sự không tương thích giữa quy mô và công nghệ, dẫn đến thất bại của các dự án lên men. Có thể khẳng định rằng việc triển khai thành công phụ thuộc rất lớn vào mức độ tuân thủ, năng suất và hiệu quả vận hành được thiết kế ngay từ giai đoạn đầu của hệ thống.
Câu hỏi thường gặp
Các yếu tố môi trường nào ảnh hưởng đến việc sản xuất kháng sinh và enzyme?
Đối với quá trình sinh tổng hợp kháng sinh, các vi khuẩn actinomycetes phụ thuộc vào lượng oxy hòa tan đầy đủ (>30% độ bão hòa) và độ pH trung tính trong khoảng 7,0–7,5. Các chủng Bacillus sản xuất enzyme lại ưa thích mức oxy hòa tan vừa phải từ 20–30% và độ pH kiềm trong khoảng 6,5–8,0.
Sự khác biệt giữa sản xuất liên quan đến tăng trưởng và sản xuất không liên quan đến tăng trưởng là gì?
Sản xuất liên quan đến tăng trưởng là quá trình sản xuất enzyme vi sinh vật diễn ra trong pha lũy thừa, trong khi việc sản xuất kháng sinh diễn ra trong pha dừng là một ví dụ điển hình của sản xuất không liên quan đến tăng trưởng.
Các cấu hình thiết bị lên men nào mang lại năng suất cao trong sản xuất kháng sinh?
Các thiết bị lên men kiểu bồn khuấy trộn được trang bị bánh xe khuấy dạng tuabin (kết hợp với kiểm soát tốt nồng độ oxy hòa tan/pH) là lựa chọn tối ưu cho việc sản xuất các kháng sinh như penicillin và streptomycin. Các chiến lược nuôi cấy bổ sung theo mẻ (fed-batch), kéo dài pha sản xuất ở giai đoạn dừng, mang lại mức tăng năng suất cao nhất.
Bể lên men được thiết kế như thế nào để sản xuất các enzyme điều trị?
Trong quá trình sản xuất enzyme điều trị, các cánh khuấy có lực cắt thấp được sử dụng nhằm tránh hiện tượng biến tính protein. Ngoài ra, để duy trì độ ổn định của enzyme trong khoảng pH từ 6,5 đến 7,5, người ta sử dụng hệ thống điều khiển pH tiên tiến.
Tại sao việc lựa chọn bể lên men cho quy trình vi sinh lại quan trọng?
Việc lựa chọn bể lên men có mối liên hệ chặt chẽ với quy mô sản xuất, việc xem xét hợp lý về năng suất đầu ra của quy trình cũng như việc triển khai các bước sản xuất thương mại dưới sự ràng buộc của các quy định quản lý.