المفاعلات الحيوية بالموجات فوق الصوتية للتخمير

الموجات فوق الصوتية هي وسيلة فعالة لتحفيز الكائنات الحية الدقيقة عن طريق الاهتزازات الميكانيكية والتجويف. في مفاعل سونوبيوبيكورك / مخمر بالموجات فوق الصوتية ، يصبح العلاج بالموجات فوق الصوتية للخلايا والأنسجة قابلا للتحكم بدرجة كبيرة حيث يمكن تحديد العوامل البيئية بالضبط. مع المفاعلات الحيوية بالموجات فوق الصوتية ، يمكن تعزيز ناتج التخمير بشكل كبير.

تخمير

تعتمد كفاءة التخمير على ظروف العملية: العناصر الغذائية وكثافة الوسط ودرجة الحرارة ومحتوى الأكسجين / الغاز والضغط هي عوامل مهمة تؤثر على النشاط الميكروبي. الكائنات الحية الدقيقة وكذلك خلايا الثدييات تزدهر فقط في ظل ظروف معينة. الظروف المناسبة جنبا إلى جنب مع التحفيز بالموجات فوق الصوتية يمكن أن تزيد من غلة التخمير.

التحفيز بالموجات فوق الصوتية للكائنات الحية الدقيقة

التخمير هو عملية التمثيل الغذائي التي تحول السكر إلى أحماض أو غازات أو كحول. يحدث في الخميرة والبكتيريا ، وكذلك في خلايا العضلات المتعطشة للأكسجين ، كما في حالة تخمير حمض اللبنيك. يستخدم التخمير أيضا على نطاق أوسع للإشارة إلى النمو الأكبر للكائنات الحية الدقيقة في وسط النمو ، غالبا بهدف إنتاج منتج كيميائي معين.
تتم عملية التخمير على نطاق صناعي باستخدام الكائنات الحية الدقيقة مثل البكتيريا والفطريات للتخمير. تستخدم المنتجات المخمرة في الصناعات الغذائية والعامة. يتم إنتاج المواد الكيميائية ، مثل حمض الأسيتيك وحامض الستريك والإيثانول عن طريق التخمير. يتأثر معدل التخمير بتركيز الكائنات الحية الدقيقة والخلايا والمكونات الخلوية والإنزيمات وكذلك درجة الحرارة ودرجة الحموضة. بالنسبة للتخمير الهوائي ، يعد الأكسجين عاملا رئيسيا أيضا. تصنع جميع الإنزيمات المنتجة تجاريا تقريبا ، مثل الليباز والإنفرتيز والمنفحة ، عن طريق التخمير باستخدام الميكروبات المعدلة وراثيا.

• إنتاج الكتلة الحيوية (مادة خلوية قابلة للحياة)
• إنتاج المستقلبات خارج الخلية (المركبات الكيميائية)
• إنتاج المكونات داخل الخلايا (الإنزيمات والبروتينات الأخرى)
• تحويل الركيزة (حيث تكون الركيزة المحولة هي نفسها المنتج)

صوتنة قبل وأثناء وبعد التخمير

يمكن استخدام Sonication ، تطبيق الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد ، قبل وأثناء وبعد التخمير بطرق مختلفة وفي مراحل مختلفة من عملية التخمير.

العلاج المسبق بالتخمير بالموجات فوق الصوتية – تحسين توافر الكتلة الحيوية

1. تحسين النقل الجماعي: يستخدم Sonication كمعالجة مسبقة لتعزيز نقل الكتلة وجعل الركيزة أكثر توفرا للميكروبات. يعزز الخلط بالموجات فوق الصوتية النقل الجماعي للركائز إلى الخلايا الميكروبية والمنتجات بعيدا عنها. يمكن تطبيق التكثيف بالموجات فوق الصوتية لنقل الكتلة كمعالجة مسبقة وكذلك أثناء التخمير.
2. اضطراب الخلايا: يمكن استخدام Sonication لتعطيل جدران الخلايا والأغشية ، خاصة في الثقافات الميكروبية أو الخميرة. يساعد هذا في إطلاق المكونات داخل الخلايا ، مثل الإنزيمات أو المستقلبات ، والتي يمكن أن تحسن أداء التخمير أو تسهل العمليات النهائية.
3. استخراج المركبات داخل الخلايا: يمكن أن يساعد Sonication في استخراج المركبات داخل الخلايا من المواد البيولوجية قبل التخمير. يتضمن ذلك استخراج الإنزيمات أو البروتينات أو الأحماض النووية أو المركبات المستهدفة الأخرى من الخلايا أو الأنسجة أو المواد النباتية لاستخدامها لاحقا في عمليات التخمير.

على سبيل المثال ، تم استخدام المعالجة المسبقة بالموجات فوق الصوتية لبدن الأرز لتعزيز التحلل الأنزيمي لإنتاج xylooligosaccharides بواسطة Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). عن طريق صوتنة ، تم تعزيز إنتاج الإنزيمات الخلوية و xylanolytic من بدن الأرز بشكل كبير. تمت زيادة محصول الهيميسيلولوز إلى 1.4 ضعف تحت صوتنة وتم تقصير وقت الإنتاج بشكل كبير من 24 ساعة إلى 1.5 ساعة عند 80 درجة مئوية – مع مزيد من الإمكانات لتحسين العملية. الكتلة الحيوية الصوتية أسهل بكثير للتحويل للفطريات بحيث يتم تمديد استقرار نشاط الإنزيم وزيادة نشاط CMCase و b-glucosidase و xylanase مقارنة بهيكل الأرز غير الصوتي. كانت المنتجات المخمرة النهائية هي xylotetraose و xylohexaose و xylooligosaccharides ذات الوزن الجزيئي الأعلى. كان عائد xylohexaose من بدن الأرز الصوتي أعلى بنسبة 80٪.

التخمير بمساعدة الموجات فوق الصوتية – تحفيز الميكروبات

• الخلط والتجانس: يمكن استخدام Sonication كتقنية خلط أثناء التخمير. يساعد تطبيق الموجات فوق الصوتية على إنشاء تدفق دقيق ويعزز التجانس ، مما يضمن توزيعا موحدا للمغذيات والغازات والكائنات الحية الدقيقة داخل وعاء التخمير.
• تعزيز النقل الجماعي: تتعلق الخلط والتجانس المحسن بمعدلات نقل الكتلة المحسنة بالموجات فوق الصوتية أثناء التخمير. التذبذب بالموجات فوق الصوتية والتجويف خلق اضطراب موضعي وتعزيز انتشار الركائز والغازات والمواد المغذية في مرق التخمير. هذا يمكن أن يحسن الكفاءة الكلية والإنتاجية لعملية التخمير.
• تحسين صلاحية الخلية والنشاط الأيضي: يمكن تطبيق Sonication على الثقافات الميكروبية أثناء التخمير لتعزيز صلاحية الخلية والنشاط الأيضي. صوتنة خفيفة يمكن أن تحفز بعض الكائنات الحية الدقيقة ، وتعزيز النمو ، وإنتاج الكتلة الحيوية ، وتوليف المستقلبات المطلوبة أو منتجات التخمير.

صوتنة يمكن التحكم فيها بدقة وتكرارها يساعد على تحسين إنتاجية عمليات التخمير المختلفة دون إتلاف الخلايا. يمكن تكييف شدة الصوتنة تماما مع أنواع الخلايا المحددة ومتطلباتها. من خلال التحكم في الصوتنة ، يتأثر نمو الخلايا والتمثيل الغذائي بشكل إيجابي ويتم تحسين التحويلات التي تحفزها الخلايا الحية بشكل كبير ، على سبيل المثال تحفيز Bifidobacteria في الحليب.
بالنسبة لبعض عمليات التخمير التي تحركها الفطريات ، يتم استخدام صوتنة بنجاح لتعديل مورفولوجيا النمو وريولوجيا المرق دون التأثير على معدل نمو وإنتاجية الفطريات الخيطية.

علاج ما بعد التخمير بالموجات فوق الصوتية

• حصاد الخلايا وفصلها: يمكن أن يساعد Sonication في حصاد الخلايا وفصلها بعد التخمير. يمكن أن يساعد في تكسير مجاميع الخلايا أو المواد الندفية أو الأغشية الحيوية ، مما يسهل إطلاق الخلايا من مرق التخمير. هذا يبسط عمليات المصب اللاحقة ، مثل استعادة الخلايا أو تنقية المنتج.
• استخراج المنتجات داخل الخلايا: بعد التخمير ، يمكن استخدام صوتنة لاستخراج المنتجات داخل الخلايا ، مثل الإنزيمات أو البروتينات أو المستقلبات الثانوية ، من الكتلة الحيوية الميكروبية أو الخلوية. تساعد عملية الاستخراج هذه على استعادة المركبات القيمة وتحسين العائد الإجمالي لعملية التخمير.
• تفكك الخلايا لأغراض تحليلية: يمكن تطبيق Sonication لتعطيل الخلايا أو العينات الميكروبية بعد التخمير ، خاصة لأغراض التحليل. يساعد في تحلل الخلايا وإطلاق المحتويات داخل الخلايا ، مما يسهل تحليل المكونات الخلوية أو إجراء فحوصات المصب.

لإنتاج المكونات داخل الخلايا مثل الإنزيمات الميكروبية (مثل الكاتلاز ، الأميليز ، البروتياز ، البكتيناز ، إيزوميراز الجلوكوز ، السليولاز ، الهيميسيلولاز ، الليباز ، اللاكتاز ، الستربتوكيناز) والبروتينات المؤتلفة (مثل الأنسولين ، لقاح التهاب الكبد B ، الإنترفيرون ، عامل تحفيز مستعمرة المحببات ، الستربتوكيناز) ، يجب تحلل / تعطيل الخلايا بعد عملية التخمير لإطلاق البروتينات المطلوبة. عن طريق صوتنة ، يتم تسهيل استخراج مجمعات السكريات البروتينية داخل الخلايا وخارج الخلية من مرق التخمير الفطري اللزج. إلى جانب عائد الاستخراج المتميز وكفاءته ، فإن صوتنة راسخة وموثوقة لتحلل الخلايا واستخراج المواد داخل الخلايا.
انقر هنا لقراءة مور عن التحلل بالموجات فوق الصوتية والاستخراج!

المفاعلات الحيوية بالموجات فوق الصوتية لتحسين عمليات التخمير

Hielscher Ultrasonics هو من ذوي الخبرة منذ فترة طويلة مع العمليات الحيوية المحفزة بالموجات فوق الصوتية مثل تحفيز الخلايا، التخمير، وتعطيل الخلايا واستخراجها. نحن نقدم مختلف مفاعلات الموجات فوق الصوتية القياسية من مختلف الأحجام والأشكال الهندسية للصوتنة في وضع الدفعات والتدفق. بدلا من ذلك ، نقدم حلولا مخصصة للاندماج في المفاعل الحيوي الحالي الخاص بك. نظرا لأن معالجاتنا بالموجات فوق الصوتية متعددة الاستخدامات ولا تتطلب سوى مساحة صغيرة ، يمكن تحقيق التعديل التحديثي في مصانع التكنولوجيا الحيوية الحالية دون مشاكل.
اقرأ المزيد عن أنواع المفاعلات بالموجات فوق الصوتية وتصميماتها وتطبيقاتها هنا!
يشير الجدول أدناه إلى التوصيات العامة للجهاز اعتمادا على حجم الدفعة أو معدل التدفق المراد معالجته. انقر فوق نوع الجهاز للحصول على مزيد من المعلومات حول كل جهاز.

الأدب / المراجع