Die Eigenschaften von Escherichia coli-Stämmen und ihre Anwendungen in der biologischen Fermentationsindustrie sowie die Anforderungen an Fermentationsbehälter

I. Eigenschaften von Escherichia coli-Stämmen

Escherichia coli (abgekürzt E. coli) ist ein gramnegatives, sporenfreies, peritumelläres, stäbchenförmiges Bakterium aus der Familie der Enterobacteriaceae. In der Natur ist Escherichia coli weit verbreitet im Darm von Menschen und Tieren und zählt zu den wichtigen Darmbakterien. Obwohl einige Stämme (wie z. B. O157:H7) Krankheiten auslösen können, sind die meisten Escherichia coli-Stämme harmlos und sogar von großem Wert für Industrie und Forschung.

Zu den wichtigsten Artenmerkmalen von Escherichia coli gehören:

• Schnelles Wachstum und rasche Vermehrung: Escherichia coli hat einen kurzen Wachstumszyklus. Bei einer optimalen Temperatur von 37 °C beträgt die Generationszeit etwa 20 Minuten, wodurch es sich für eine effiziente industrielle Kultivierung eignet.
• Die genetische Operation ist einfach: Als einer der Modellorganismen verfügt Escherichia coli über einen vollständigen genetischen Hintergrund und ein ausgereiftes Betriebssystem, was für die Genomeditierung und Rekombination von Vorteil ist.
• Die Nährstoffanforderungen sind gering: Die Pflanze stellt relativ niedrige Ansprüche an die Bestandteile des Kulturmediums. Gängige, einfache Kohlenstoffquellen (wie Glukose) und anorganische Salze können den Wachstumsbedarf decken und die Kulturkosten senken.
• Die Expressionssysteme sind ausgereift: Beispielsweise werden das T7-Expressionssystem und das pET-Vektorsystem häufig für die effiziente Expression von Zielproteinen eingesetzt.
• Es besitzt eine hohe Toleranz gegenüber Umweltveränderungen: Es ist in gewissem Maße anpassungsfähig an Veränderungen des pH-Werts, der Temperatur und des gelösten Sauerstoffs und eignet sich für den großtechnischen Einsatz in Fermentationstanks.

MIKEBIO Edelstahl-Bioreaktor für pharmazeutische Zwischenprodukte

II. Anwendung von Escherichia coli in der biologischen Fermentationsindustrie

In der modernen Biotechnologie und der industriellen Fermentation spielt Escherichia coli als eines der „Fabrikbakterien“ eine unersetzliche Rolle. Zu seinen wichtigsten Anwendungsgebieten gehören:

1. Expression rekombinanter Proteine

Escherichia coli ist einer der am häufigsten verwendeten Wirtsorganismen für die Expression rekombinanter Proteine. Durch die Einführung exogener Gene können verschiedene Proteine ​​effizient exprimiert werden, wie zum Beispiel:

• Pharmazeutische Proteine ​​(wie Insulin, Interferon, Wachstumshormon usw.);
• Industrieenzyme (wie Laktase, Cellulase);
• Antigenproteine ​​und Impfstoffvorläufersubstanzen

Aufgrund seiner hohen Expressionseffizienz, der kurzen Kultivierungsdauer und der einfachen Aufreinigung hat es sich zum bevorzugten Expressionssystem für biopharmazeutische Unternehmen entwickelt.

2. Aminosäure- und Vitaminproduktion

Die durch Metabolic Engineering veränderten Escherichia coli-Stämme können zur Herstellung einer Vielzahl wichtiger Aminosäuren und Vitamine verwendet werden, wie zum Beispiel:

• Essentielle Aminosäuren wie L-Threonin, L-Lysin und L-Tryptophan
• Vitamin B2 (Riboflavin), Vitamin B12 usw.

Diese Art von Produkt findet breite Anwendung in den Bereichen Lebensmittel, Futtermittel und Medizin.

3. Synthese organischer Säuren und Metaboliten

Escherichia coli kann zur Herstellung verschiedener biobasierter organischer Säuren und anderer Metaboliten verwendet werden:

• Grüne alternative chemische Rohstoffe wie Milchsäure, Bernsteinsäure und Brenztraubensäure
• Vorstufen von Biokraftstoffen wie Bioethanol und Biobutanol
• Ein Zwischenprodukt für biologisch abbaubare Kunststoffe wie Polyhydroxybutyrat (PHB)

Solche Produkte tragen zu einer sauberen Produktion und einer nachhaltigen Entwicklung bei.

4. DNA-Impfstoff- und Plasmidproduktion

E. coli ist auch ein wichtiger Wirt für die Produktion von DNA-Impfstoffen und gentechnisch veränderten Plasmiden. Durch die Verwendung seines hochkopierenden Plasmidsystems lässt sich Impfstoffrohstoff in großem Maßstab und zu geringen Kosten herstellen.

III. Anforderungen an die Escherichia coli-Kultur in Fermentationstanks

Für die Hochdichtekultur von Escherichia coli ist ein präzise gesteuertes Fermentationssystem erforderlich. Im Folgenden sind die wichtigsten Anforderungen aufgeführt, die das System erfüllen muss. Fermenter sollte in seiner Konstruktion und seinem Betrieb folgenden Kriterien entsprechen:

1. Starke Belüftung und effizientes Rührsystem

Escherichia coli ist ein fakultativ anaerobes Bakterium. Bei hoher Bakteriendichte aerobe FermentationEs hat einen extrem hohen Sauerstoffbedarf. Daher muss der Gärtank mit Folgendem ausgestattet sein:

• Hochleistungsbelüftungssystem (Luft oder reiner Sauerstoff)
• Mehrlagige mechanische Rührflügel (wie z. B. Rushton-Turbinen)
• Sauerstoffsonde und automatisches Steuerungssystem
• Eine effiziente Sauerstofftransferkapazität ist ein Schlüsselfaktor für die Erzielung hoher Erträge.

2. Strenge Temperatur- und pH-Wert-Kontrolle

Die optimale Wachstumstemperatur für Escherichia coli beträgt 37 °C. Bei der Expression rekombinanter Proteine ​​wird die Expression jedoch häufig bei 25–30 °C induziert, um die Proteinaktivität zu erhöhen. Daher muss der Fermentationsbehälter folgende Eigenschaften aufweisen:

• Hochempfindliches Temperaturregelungssystem
• Online-pH-Überwachung und automatische Einstellvorrichtung (wird häufig auf 6,8-7,2 gehalten).

3. Schaumkontrollsystem

Während der Kultivierung von Escherichia coli tritt häufig eine starke Schaumbildung auf. Folgende Ausrüstung wird benötigt:

• "Schaumsonde"
• Automatisches Entschäumer-Zugabesystem
• Fensterbeobachtungs- und manuelle Einstellfunktionen
• Die Schaumkontrolle ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Lüftungseffizienz und die Vermeidung von Umweltverschmutzung.

4. Steriles Systemdesign

Die Kultivierung von Escherichia coli erfordert aseptische Bedingungen. Der Fermentationsbehälter sollte mit Folgendem ausgestattet sein:

• Die gesamten CIP- (In-situ-Reinigung) und SIP-Funktionen (In-situ-Sterilisation).
• Ventilsystem und Sterilisationsprobenahmeöffnung abdichten
• Steriles Beatmungs- und Ernährungssystem
• Sicherstellen, dass der gesamte Produktionsprozess unter schadstofffreien Bedingungen durchgeführt wird.
• 5. Skalierbarkeit und Überprüfung der Skalierbarkeit
• Von Laborversuchen im kleinen Maßstab über Pilotversuche bis hin zur industriellen Maßstabsvergrößerung weist der Fermentationsprozess von Escherichia coli eine gute Skalierbarkeit auf. Der Fermentationsbehälter sollte folgende Eigenschaften aufweisen:
• Einstellbares Rühr- und Belüftungssystem
• Modulare Steuerungen (SPS/SCADA) zur Anpassung an unterschiedliche Größenordnungen
• Die Datenerfassungs- und Chargenrückverfolgbarkeitsfunktionen erleichtern das GMP-konforme Management.

MIKEBIO-Fermentationssystem für Speisepilze

IV. Zusammenfassung

Escherichia coli hat sich aufgrund seines schnellen Wachstums, der einfachen Handhabung und der hohen Produktionseffizienz zu einem der wichtigsten Mikroorganismen in der biologischen Fermentationsindustrie entwickelt. Es findet breite Anwendung in Bereichen wie Medizin, Lebensmittel- und Chemieingenieurwesen. Gleichzeitig setzt ein effizienter Fermentationsprozess eine wissenschaftliche Auslegung der Fermentationsbehälter und eine präzise Prozesssteuerung voraus. Mit der Weiterentwicklung der Biotechnologie werden neue Fermentationsanlagen und optimierte Steuerungsstrategien für Escherichia coli die Industrialisierung kontinuierlich vorantreiben und so zu einer umweltfreundlichen Produktion und nachhaltigen Entwicklung beitragen.

Andererseits, bei der Auswahl eines Bioreaktor-FermenterUm die Produktqualität zu gewährleisten, ist es notwendig, einen zuverlässigen Hersteller mit gutem Ruf und entsprechender Leistungsfähigkeit zu finden. Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd. wurde 2008 gegründet und ist ein Hightech-Unternehmen, das sich auf die Forschung und Entwicklung, Produktion und den Vertrieb von Anlagen zur biologischen Fermentation spezialisiert hat. Unser Unternehmen verfügt über eine Pilotfermentationsplattform mit integrierter Intelligenz und Automatisierung sowie ein ausgereiftes Fermentationssystem. Dieses ermöglicht die Optimierung des Pilotfermentationsprozesses, die Inbetriebnahme aller Prozessschritte von der Pilotfermentation bis zur Trennung und Reinigung der Fermentationsprodukte und die Einrichtung einer Doktorarbeitsstation sowie eines modernen Labors.

Unser Unternehmen verfügt über eine standardisierte Produktionsanlage mit kompletten Ausrüstungssätzen und Werkzeugen, die für die Installation erforderlich sind. Dazu gehören hauptsächlich verschiedene Werkzeugmaschinen, eine automatische Argon-Lichtbogenschweißanlage, eine automatische Poliermaschine, eine automatische Schneidemaschine und eine Fehlererkennungsmaschine sowie mehr als 60 weitere Produktions- und Prüfgeräte. Der gesamte Produktionsprozess entspricht modernen Standards, um den Kunden professionelle Qualität und technischen Support zu bieten.