مفاعلات حيوية بالموجات فوق الصوتية للتخمير

تُعد الموجات فوق الصوتية وسيلة فعالة لتحفيز الكائنات الحية الدقيقة بواسطة الاهتزازات الميكانيكية والتجويف. وفي المفاعل الحيوي الصوتي / جهاز التخمير بالموجات فوق الصوتية، تصبح معالجة الخلايا والأنسجة بالموجات فوق الصوتية قابلة للتحكم بدرجة عالية، إذ يمكن تحديد العوامل البيئية بدقة. وباستخدام المفاعلات الحيوية بالموجات فوق الصوتية، يمكن زيادة ناتج التخمير زيادة كبيرة.

التخمير

تعتمد كفاءة التخمير على ظروف العملية: فالمغذيات وكثافة الوسط ودرجة الحرارة ومحتوى الأكسجين / الغاز والضغط عوامل مهمة تؤثر في النشاط الميكروبي. ولا تزدهر الكائنات الحية الدقيقة، وكذلك خلايا الثدييات، إلا في ظروف معينة. ويمكن للظروف المناسبة، مقترنة بالتحفيز بالموجات فوق الصوتية، أن ترفع مردود التخمير إلى أقصى حد.

تحفيز الكائنات الحية الدقيقة بالموجات فوق الصوتية

التخمير عملية أيضية تحوّل السكر إلى أحماض أو غازات أو كحول. ويحدث في الخمائر والبكتيريا، وكذلك في الخلايا العضلية المحرومة من الأكسجين، كما في تخمير حمض اللاكتيك. ويُستخدم مصطلح التخمير أيضًا بمعنى أوسع للإشارة إلى نمو الكائنات الحية الدقيقة بكميات كبيرة على وسط نمو، غالبًا بهدف إنتاج منتج كيميائي محدد.
تُجرى عمليات التخمير على نطاق صناعي باستخدام كائنات حية دقيقة، مثل البكتيريا والفطريات، لتنفيذ التخمير. وتُستخدم المنتجات المخمّرة في الصناعات الغذائية والصناعة عمومًا. وتُنتج مواد كيميائية، مثل حمض الأسيتيك وحمض الستريك والإيثانول، بالتخمير. ويتأثر معدل التخمير بتركيز الكائنات الحية الدقيقة والخلايا والمكونات الخلوية والإنزيمات، وكذلك بدرجة الحرارة ودرجة الحموضة pH. وفي التخمير الهوائي، يُعد الأكسجين أيضًا عاملًا أساسيًا. وتُنتج تقريبًا جميع الإنزيمات المصنعة تجاريًا، مثل الليباز والإنفرتاز والمنفحة، بالتخمير باستخدام ميكروبات معدلة وراثيًا.

• إنتاج الكتلة الحيوية (مادة خلوية حية)
• إنتاج المستقلبات خارج الخلايا (مركبات كيميائية)
• إنتاج المكونات داخل الخلايا (الإنزيمات والبروتينات الأخرى)
• تحويل الركيزة (حيث تكون الركيزة المحوّلة نفسها هي المنتج)

المعالجة بالموجات فوق الصوتية قبل التخمير وأثناءه وبعده

يمكن استخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية، وهي تطبيق موجات فوق صوتية منخفضة التردد، قبل التخمير وأثناءه وبعده بطرق مختلفة وفي مراحل مختلفة من عملية التخمير.

المعالجة بالموجات فوق الصوتية قبل التخمير – تحسين إتاحة الكتلة الحيوية

1. تحسين انتقال الكتلة: تُستخدم المعالجة بالموجات فوق الصوتية بوصفها معالجة مسبقة لتعزيز انتقال الكتلة وجعل الركيزة أكثر إتاحة للميكروبات. ويعزز الخلط بالموجات فوق الصوتية انتقال كتلة الركائز إلى الخلايا الميكروبية وانتقال المنتجات بعيدًا عنها. ويمكن تطبيق تعزيز انتقال الكتلة بالموجات فوق الصوتية بوصفه معالجة مسبقة، وكذلك أثناء التخمير.
2. تفكيك الخلايا: يمكن استخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية لتفكيك جدران الخلايا وأغشيتها، ولا سيما في المزارع الميكروبية أو مزارع الخمائر. ويساعد ذلك على تحرير المكونات داخل الخلايا، مثل الإنزيمات أو المستقلبات، مما قد يحسّن أداء التخمير أو يسهّل عمليات المعالجة اللاحقة.
3. استخلاص المركبات داخل الخلايا: يمكن أن تساعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية على استخلاص المركبات داخل الخلايا من المواد البيولوجية قبل التخمير. ويشمل ذلك استخلاص الإنزيمات أو البروتينات أو الأحماض النووية أو غيرها من المركبات المستهدفة من الخلايا أو الأنسجة أو المواد النباتية لاستخدامها لاحقًا في عمليات التخمير.

على سبيل المثال، استُخدمت المعالجة المسبقة لقشور الأرز بالموجات فوق الصوتية لتعزيز التحلل المائي الإنزيمي لإنتاج السكريات قليلة التعدد الزيلوزية بواسطة Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). وزادت المعالجة بالموجات فوق الصوتية إنتاج الإنزيمات المحللة للسليلوز والزيلان من قشور الأرز زيادة كبيرة. وارتفع مردود الهيميسليلوز إلى 1.4 ضعف مع المعالجة بالموجات فوق الصوتية، وانخفض زمن الإنتاج انخفاضًا كبيرًا من 24 h إلى 1.5 h عند 80ºC – مع وجود إمكانية إضافية لتحسين العملية. وتصبح الكتلة الحيوية المعالجة بالموجات فوق الصوتية أسهل بكثير في التحويل بواسطة الفطريات، مما يطيل استقرار النشاط الإنزيمي ويزيد نشاط CMCase وb-glucosidase والزيلاناز مقارنة بقشور الأرز غير المعالجة بالموجات فوق الصوتية. وكانت المنتجات النهائية للتخمير هي الزيلوتتراوز والزيلوهكساوز والسكريات قليلة التعدد الزيلوزية ذات الوزن الجزيئي الأعلى. وكان مردود الزيلوهكساوز من قشور الأرز المعالجة بالموجات فوق الصوتية أعلى بنسبة 80%.

التخمير بمساعدة الموجات فوق الصوتية – تحفيز الميكروبات

• الخلط والتجنيس: يمكن استخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنيةً للخلط أثناء التخمير. ويساعد تطبيق الموجات فوق الصوتية على إحداث تيارات دقيقة وتعزيز التجانس، مما يضمن توزيعًا منتظمًا للمغذيات والغازات والكائنات الحية الدقيقة داخل وعاء التخمير.
• تعزيز انتقال الكتلة: يرتبط تحسين الخلط والتجنيس بتحسين معدلات انتقال الكتلة بالموجات فوق الصوتية أثناء التخمير. وتُحدث الاهتزازات فوق الصوتية والتجويف اضطرابًا موضعيًا وتعزز انتشار الركائز والغازات والمغذيات إلى مرق التخمير. ويمكن أن يحسّن ذلك الكفاءة والإنتاجية الإجماليتين لعملية التخمير.
• تحسين حيوية الخلايا والنشاط الأيضي: يمكن تطبيق المعالجة بالموجات فوق الصوتية على المزارع الميكروبية أثناء التخمير لتعزيز حيوية الخلايا ونشاطها الأيضي. ويمكن للمعالجة اللطيفة بالموجات فوق الصوتية أن تحفّز بعض الكائنات الحية الدقيقة، مما يعزز النمو وإنتاج الكتلة الحيوية وتخليق المستقلبات أو منتجات التخمير المرغوبة.

تساعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية القابلة للتحكم الدقيق والتكرار على تحسين إنتاجية عمليات التخمير المختلفة دون إتلاف الخلايا. ويمكن مواءمة شدة المعالجة بالموجات فوق الصوتية بدقة مع النوع المحدد من الخلايا ومتطلباته. وتؤثر المعالجة بالموجات فوق الصوتية الخاضعة للتحكم تأثيرًا إيجابيًا في نمو الخلايا وأيضها، وتحسّن التحولات التي تحفزها الخلايا الحية تحسنًا كبيرًا، مثل تحفيز Bifidobacteria في الحليب.
وفي بعض عمليات التخمير التي تقوم بها الفطريات، تُستخدم المعالجة بالموجات فوق الصوتية بنجاح لتعديل مورفولوجيا النمو والخصائص الريولوجية للمرق دون التأثير في معدل نمو الفطريات الخيطية ومردودها.

المعالجة بالموجات فوق الصوتية بعد التخمير

• حصاد الخلايا وفصلها: يمكن أن تساعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية على حصاد الخلايا وفصلها بعد التخمير. ويمكن أن تساعد على تفكيك تجمعات الخلايا أو عوامل التلبيد أو الأغشية الحيوية، مما يسهّل تحرير الخلايا من مرق التخمير. ويبسّط ذلك عمليات المعالجة اللاحقة، مثل استرجاع الخلايا أو تنقية المنتج.
• استخلاص المنتجات داخل الخلايا: بعد التخمير، يمكن استخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية لاستخلاص المنتجات داخل الخلايا، مثل الإنزيمات أو البروتينات أو المستقلبات الثانوية، من الكتلة الحيوية الميكروبية أو الخلوية. وتساعد عملية الاستخلاص هذه على استرجاع المركبات القيّمة وتحسّن المردود الإجمالي لعملية التخمير.
• تفكيك الخلايا لأغراض تحليلية: يمكن تطبيق المعالجة بالموجات فوق الصوتية لتفكيك الخلايا أو العينات الميكروبية بعد التخمير، ولا سيما لأغراض تحليلية. وتساعد على تحلل الخلايا وتحرير محتوياتها الداخلية، مما يسهّل تحليل المكونات الخلوية أو إجراء الاختبارات اللاحقة.

لإنتاج المكونات داخل الخلايا، مثل الإنزيمات الميكروبية (مثل الكاتالاز والأميلاز والبروتياز والبكتيناز وإيزوميراز الغلوكوز والسليولاز والهيميسليولاز والليباز واللاكتاز والستربتوكيناز)، والبروتينات المؤتلفة (مثل الإنسولين ولقاح التهاب الكبد B والإنترفيرون وعامل تحفيز مستعمرات الخلايا المحببة والستربتوكيناز)، يجب تحليل الخلايا / تفكيكها بعد عملية التخمير لتحرير البروتينات المرغوبة. وتسهّل المعالجة بالموجات فوق الصوتية استخلاص معقدات عديدات السكاريد–البروتين داخل الخلايا وخارجها من مرق التخمير الميسيليومي اللزج. وإلى جانب مردود الاستخلاص وكفاءته المتميزين، تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية طريقة راسخة وموثوقة لتحلل الخلايا واستخلاص المواد داخل الخلايا.
انقر هنا لقراءة المزيد عن التحلل والاستخلاص بالموجات فوق الصوتية!

مفاعلات حيوية بالموجات فوق الصوتية لتحسين عمليات التخمير

تتمتع Hielscher Ultrasonics بخبرة طويلة في العمليات الحيوية المحفَّزة بالموجات فوق الصوتية، مثل تحفيز الخلايا والتخمير وتفكيك الخلايا والاستخلاص. ونوفر مفاعلات قياسية متنوعة بالموجات فوق الصوتية بأحجام وأشكال هندسية مختلفة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية في الوضع الدفعي ووضع التدفق المستمر. وبدلًا من ذلك، نوفر حلولًا مخصصة لدمجها في مفاعلكم الحيوي القائم. ونظرًا إلى أن معالجاتنا بالموجات فوق الصوتية متعددة الاستخدامات ولا تتطلب إلا مساحة صغيرة، يمكن تركيبها في منشآت التكنولوجيا الحيوية القائمة دون مشكلات.
اقرأ المزيد عن أنواع المفاعلات بالموجات فوق الصوتية وتصاميمها وتطبيقاتها هنا!
يعرض الجدول أدناه توصيات عامة للأجهزة وفقًا لحجم الدفعة أو معدل التدفق المطلوب معالجته. انقر على نوع الجهاز للحصول على مزيد من المعلومات عن كل جهاز.

المراجع / المصادر

• N. Sainz Herrán, J. L. Casas López, J. A. Sánchez Pérez, Y. Chisti (2010): Influence of ultrasound amplitude and duty cycle on fungal morphology and broth rheology of Aspergillus terreus. World J Microbiol Biotechnol 2010, 26: 1409–1418.
• N. Sainz Herrán, J. L. Casas López, J. A. Sánchez Pérez, Y. Chisti (2008): Effects of ultrasound on culture of Aspergillus terreus. J Chem Technol Biotechnol 2008, 83: 593–600./li>
• C. F. Liu, W. B. Zhou (2010): Stimulating Bio-yogurt Fermentation by High Intensity Ultrasound Processing.