Ултразвукови биореактори за ферментация

Ултразвукът е ефективно средство за стимулиране на микроорганизмите чрез механични вибрации и кавитация. В сонобиореактор? ултразвуков ферментатор ултразвуковата обработка на клетките и тъканите става силно контролируема, тъй като факторите на околната среда могат да бъдат точно определени. С ултразвуковите биореактори мощността на ферментация може да бъде значително подобрена.

ферментация

Ефективността на ферментацията зависи от условията на процеса: Хранителните вещества, плътността на средата, температурата, съдържанието на кислород? газ и налягането са важни фактори, които влияят върху микробната активност. Микроорганизмите, както и клетките на бозайниците, процъфтяват само при определени условия. Правилните условия, съчетани с ултразвукова стимулация, могат да увеличат максимално добива на ферментация.

Ултразвукова стимулация на микроорганизми

Ферментацията е метаболитен процес, който превръща захарта в киселини, газове или алкохол. Среща се при дрожди и бактерии, а също и в гладни за кислород мускулни клетки, както при млечнокиселата ферментация. Ферментацията се използва и в по-широк смисъл за обозначаване на насипния растеж на микроорганизми върху растежна среда, често с цел производство на специфичен химичен продукт.
Процесът на ферментация се извършва в промишлен мащаб, като за ферментацията се използват микроорганизми като бактерии и гъбички. Ферментиралите продукти се използват в хранително-вкусовата и общата промишленост. Химикали като оцетна киселина, лимонена киселина и етанол се произвеждат чрез ферментация. Скоростта на ферментация се влияе от концентрацията на микроорганизми, клетки, клетъчни компоненти и ензими, както и от температурата и рН. За аеробната ферментация кислородът също е ключов фактор. Почти всички комерсиално произведени ензими, като липаза, инвертаза и сирище, се произвеждат чрез ферментация с генетично модифицирани микроби.

• Производство на биомаса (жизнеспособен клетъчен материал)
• Производство на извънклетъчни метаболити (химични съединения)
• Производство на вътреклетъчни компоненти (ензими и други протеини)
• Трансформация на субстрата (при която трансформираният субстрат сам по себе си е продукт)

Уникиране преди, по време и след ферментацията

Соникацията, прилагането на нискочестотни ултразвукови вълни, може да се използва преди, по време и след ферментация по различни начини и на различни етапи от процеса на ферментация.

Ултразвукова предварителна ферментационна обработка – Подобряване на наличността на биомаса

1. Подобрен пренос на маса: Сондирането като предварителна обработка се използва за насърчаване на масовия трансфер и за повишаване на достъпа на субстрата за микробите. Ултразвуковото смесване насърчава масовия трансфер на субстрати към микробните клетки и продукти далеч от тях. Ултразвуковото интензификиране на масовия трансфер може да се прилага както като предварителна обработка, така и по време на ферментацията.
2. Клетъчно разрушаване: Соникацията може да се използва за разрушаване на клетъчните стени и мембрани, особено в микробни култури или култури от дрожди. Това помага за освобождаването на вътреклетъчни компоненти, като ензими или метаболити, които могат да подобрят ефективността на ферментацията или да улеснят процесите надолу по веригата.
3. Екстракция на вътреклетъчни съединения: Сонирането може да помогне при извличането на вътреклетъчни съединения от биологични материали преди ферментацията. Това включва извличане на ензими, протеини, нуклеинови киселини или други целеви съединения от клетки, тъкани или растителни материали за последваща употреба във ферментационни процеси.

Например, ултразвукова предварителна обработка на оризова обвивка е използвана за подобряване на ензимната хидролиза за производството на ксилоолигозахариди от Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Чрез ултразвука производството на целулолитични и ксиланолитични ензими от оризовата обвивка е значително подобрено. Добивът на хемицелулоза се увеличава до 1,4 пъти при ултразвук и времето за производство е значително съкратено от 24 часа на 1,5 часа при 80ºC – с допълнителен потенциал за оптимизация на процесите. Ултразвуковата биомаса е много по-лесно конвертируема за гъбите, така че стабилността на ензимната активност се удължава и активността на CMCase, b-глюкозидаза и ксиланаза се увеличава в сравнение с оризовата обвивка без ултразвук. Крайните ферментативни продукти са ксилотетраоза, ксилогексаоза и ксилоолигозахариди с по-високо молекулно тегло. Добивът на ксилогексаоза от ултразвуковата оризова обвивка е с 80% по-висок.

Ултразвуково подпомагана ферментация – Стимулиране на микробите

• Смесване и хомогенизиране: Уникирането може да се използва като техника за смесване по време на ферментацията. Прилагането на ултразвукови вълни помага за създаването на микропоток и насърчава хомогенността, осигурявайки равномерно разпределение на хранителните вещества, газовете и микроорганизмите във ферментационния съд.
• Подобряване на масообмена: Свързани с подобреното смесване и хомогенизация са ултразвуково подобрените скорости на пренос на маса по време на ферментацията. Ултразвуковите трептения и кавитацията създават локализирана турбуленция и подобряват дифузията на субстрати, газове и хранителни вещества във ферментационния бульон. Това може да подобри цялостната ефективност и производителност на процеса на ферментация.
• Подобряване на клетъчната жизнеспособност и метаболитната активност: Сонацията може да се приложи към микробни култури по време на ферментация, за да се подобри жизнеспособността на клетките и метаболитната активност. Леката ултразвук може да стимулира определени микроорганизми, насърчавайки растежа, производството на биомаса и синтеза на желаните метаболити или ферментационни продукти.

Прецизно контролируемата и повтаряща се ултразвук помага за подобряване на производителността на различни ферментационни процеси, без да уврежда клетките. Интензитетът на ултразвука може да бъде точно адаптиран към конкретния вид клетка и неговите изисквания. Чрез контролирана ултразвук клетъчният растеж и метаболизъм се влияят положително и преобразуванията, катализирани от живите клетки, се подобряват значително, например стимулиране на бифидобактериите в млякото.
За някои ферментационни процеси, задвижвани от гъби, ултразвукът се използва успешно за промяна на морфологията на растежа и реологията на бульона, без да се засяга скоростта на растеж и добива на нишковидни гъби.

Ултразвукова обработка след ферментация

• Събиране и разделяне на клетки: Уникирането може да помогне при събирането и разделянето на клетките след ферментацията. Той може да помогне за разбиване на клетъчни агрегати, флокуланти или биофилми, улеснявайки освобождаването на клетките от ферментационния бульон. Това опростява последващите процеси надолу по веригата, като възстановяване на клетките или пречистване на продукта.
• Извличане на вътреклетъчни продукти: След ферментацията ултразвукът може да се използва за извличане на вътреклетъчни продукти, като ензими, протеини или вторични метаболити, от микробна или клетъчна биомаса. Този процес на екстракция помага за възстановяването на ценни съединения и подобрява общия добив на процеса на ферментация.
• Клетъчна дезинтеграция за аналитични цели: Сонацията може да се приложи за разрушаване на клетки или микробни проби след ферментация, особено за аналитични цели. Той подпомага клетъчния лизис и освобождаването на вътреклетъчно съдържание, улеснявайки анализа на клетъчните компоненти или извършването на анализи надолу по веригата.

За производството на вътреклетъчни компоненти като микробни ензими (напр. каталаза, амилаза, протеаза, пектиназа, глюкозоизомераза, целулаза, хемицелулаза, липаза, лактаза, стрептокиназа) и рекомбинантни протеини (напр. инсулин, ваксина срещу хепатит В, интерферон, гранулоцитен колониестимулиращ фактор, стрептокиназа), клетките трябва да бъдат лизирани? разрушени след процеса на ферментация, за да се освободят желаните протеини. Чрез ултразвук се улеснява извличането на вътреклетъчния и извънклетъчния полизахаридно-протеинов комплекс от вискозния мицелен ферментационен бульон. Освен изключителния си добив и ефективност, ултразвукът е добре установен и надежден за клетъчен лизис и извличане на вътреклетъчна материя.
Кликнете тук, за да прочетете повече за ултразвуковия лизис и екстракцията!

Ултразвукови биореактори за подобрени ферментационни процеси

Hielscher Ultrasonics има дългогодишен опит с ултразвуково стимулирани биопроцеси като клетъчна стимулация, ферментация, клетъчно разрушаване и екстракция. Предлагаме различни стандартни ултразвукови реактори с различни размери и геометрии за ултразвук в партиден и проточен режим. Като алтернатива предлагаме персонализирани решения за интегриране във вашия съществуващ биореактор. Тъй като нашите ултразвукови процесори са много гъвкави и изискват само малко пространство, преоборудването в съществуващи биотехнологични инсталации може да се реализира без проблеми.
Прочетете повече за видовете, дизайна и приложенията на ултразвуковите реактори тук!
Таблицата по-долу показва общи препоръки за устройството в зависимост от обема на партидата или дебита, който ще се обработва. Щракнете върху типа устройство, за да получите повече информация за всяко устройство.

Литература/Препратки