Ултразвукови биореактори за ферментация

Ултразвукът е ефективно средство за стимулиране на микроорганизмите чрез механични вибрации и кавитация. В сонобиореактор / ултразвуков ферментатор ултразвуковата обработка на клетки и тъкани може да се контролира с висока точност, тъй като факторите на средата могат да бъдат точно определени. С ултразвукови биореактори добивът от ферментацията може да бъде значително повишен.

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 бозайници, се развиват успешно само при определени условия. Подходящите условия, съчетани с ултразвукова стимулация, могат да увеличат максимално добива от ферментацията.

Ултразвукова стимулация на микроорганизми

Ферментацията е метаболитен процес, който превръща захарта в киселини, газове или алкохол. Тя протича при дрожди и бактерии, както и в мускулни клетки с недостиг на кислород, както при млечнокиселата ферментация. Терминът „ферментация“ се използва и в по-широк смисъл за масовото размножаване на микроорганизми върху хранителна среда, често с цел получаване на определен химичен продукт.
Ферментационните процеси се извършват в промишлен мащаб с използване на микроорганизми като бактерии и гъби за ферментацията. Продуктите от ферментацията се използват в хранително-вкусовата промишленост и в промишлеността като цяло. Химични вещества като оцетна киселина, лимонена киселина и етанол се произвеждат чрез ферментация. Скоростта на ферментацията се влияе от концентрацията на микроорганизми, клетки, клетъчни компоненти и ензими, както и от температурата и pH. При аеробната ферментация кислородът също е ключов фактор. Почти всички ензими, произвеждани за търговски цели, като липаза, инвертаза и сирищни ензими, се получават чрез ферментация с генетично модифицирани микроорганизми.

• Производство на биомаса (жизнеспособен клетъчен материал)
• Производство на извънклетъчни метаболити (химични съединения)
• Производство на вътреклетъчни компоненти (ензими и други протеини)
• Преобразуване на субстрат (при което самият преобразуван субстрат е продуктът)

Ултразвукова обработка преди, по време на и след ферментацията

Ултразвуковата обработка, която представлява прилагане на нискочестотни ултразвукови вълни, може да се използва преди, по време на и след ферментацията по различни начини и на различни етапи от ферментационния процес.

Ултразвукова обработка преди ферментацията – подобряване на достъпността на биомасата

1. Подобрен масопренос: Ултразвуковата обработка като предварителна обработка се използва за подпомагане на масопреноса и за повишаване на достъпността на субстрата за микроорганизмите. Ултразвуковото смесване подпомага масопреноса на субстратите към микробните клетки и на продуктите от тях. Ултразвуковото интензифициране на масопреноса може да се прилага както като предварителна обработка, така и по време на ферментацията.
2. Разрушаване на клетките: Ултразвуковата обработка може да се използва за разрушаване на клетъчните стени и мембрани, особено в микробни или дрождеви култури. Това спомага за освобождаването на вътреклетъчни компоненти, като ензими или метаболити, които могат да подобрят резултатите от ферментацията или да улеснят последващите процеси.
3. Екстракция на вътреклетъчни съединения: Ултразвуковата обработка може да подпомогне екстракцията 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 последващо използване във ферментационни процеси.

Например ултразвукова предварителна обработка на оризови люспи е използвана за подобряване на ензимната хидролиза при производството на ксилоолигозахариди от Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Чрез ултразвукова обработка производството на целулолитични и ксиланолитични ензими от оризовите люспи е значително повишено. Добивът на хемицелулоза е увеличен до 1,4 пъти при ултразвукова обработка, а времето за производство е значително съкратено от 24 h на 1,5 h при 80ºC – с допълнителен потенциал за оптимизиране на процеса. Обработената с ултразвук биомаса се преобразува много по-лесно от гъбите, така че стабилността на ензимната активност се запазва по-дълго, а активността на CMCase, b-глюкозидазата и ксиланазата се повишава в сравнение с необработените с ултразвук оризови люспи. Крайните продукти от ферментацията са ксилотетраоза, ксилохексаоза и ксилоолигозахариди с по-висока молекулна маса. Добивът на ксилохексаоза от обработените с ултразвук оризови люспи е с 80% по-висок.

Ферментация, подпомагана с ултразвук – стимулация на микроорганизмите

• Смесване и хомогенизация: Ултразвуковата обработка може да се използва като техника за смесване по време на ферментацията. Прилагането на ултразвукови вълни спомага за създаването на микропотоци и подобрява хомогенността, като осигурява равномерно разпределение на хранителните вещества, газовете и микроорганизмите във ферментационния съд.
• Подобряване на масопреноса: С подобреното смесване и хомогенизиране е свързано и повишаването на скоростите на масопренос чрез ултразвук по време на ферментацията. Ултразвуковите трептения и кавитацията създават локализирана турбулентност и усилват дифузията на субстрати, газове и хранителни вещества във ферментационния бульон. Това може да подобри общата ефективност и производителността на ферментационния процес.
• Подобряване на клетъчната жизнеспособност и метаболитната активност: Ултразвукова обработка може да се прилага върху микробни култури по време на ферментацията за повишаване на клетъчната жизнеспособност и метаболитната активност. Щадящата ултразвукова обработка може да стимулира определени микроорганизми, като подпомага растежа, производството на биомаса и синтеза на желаните метаболити или ферментационни продукти.

Прецизно контролируемата и повторяема ултразвукова обработка спомага за подобряване на производителността на различни ферментационни процеси, без да уврежда клетките. Интензитетът на ултразвуковата обработка може да бъде точно адаптиран към конкретния вид клетки и неговите изисквания. Чрез контролирана ултразвукова обработка се повлиява положително клетъчният растеж и метаболизмът и значително се подобряват преобразуванията, катализирани от живи клетки, например чрез стимулиране на Bifidobacteria в мляко.
При някои ферментационни процеси, осъществявани от гъби, ултразвуковата обработка се използва успешно за промяна на морфологията на растежа и реологията на бульона, без да влияе върху скоростта на растеж и добива на нишковидните гъби.

Ултразвукова обработка след ферментацията

• Събиране и отделяне на клетките: Ултразвуковата обработка може да подпомогне събирането и отделянето на клетките след ферментацията. Тя може да спомогне за разрушаването на клетъчни агрегати, флокуланти или биофилми, като улеснява освобождаването на клетките от ферментационния бульон. Това опростява последващите процеси, като извличане на клетките или пречистване на продукта.
• Екстракция на вътреклетъчни продукти: След ферментацията ултразвуковата обработка може да се използва за извличане на вътреклетъчни продукти, като ензими, протеини или вторични метаболити, от микробна или клетъчна биомаса. Този процес на екстракция спомага за извличането на ценни съединения и подобрява общия добив от ферментационния процес.
• Разрушаване на клетките за аналитични цели: Ултразвуковата обработка може да се прилага за разрушаване на клетки или микробни проби след ферментацията, особено за аналитични цели. Тя подпомага клетъчния лизис и освобождаването на вътреклетъчното съдържание, като улеснява анализа на клетъчните компоненти или извършването на последващи аналитични изследвания.

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 B, интерферон, гранулоцитен колониестимулиращ фактор, стрептокиназа) клетките трябва да бъдат лизирани / разрушени след ферментационния процес, за да се освободят желаните протеини. Ултразвуковата обработка улеснява екстракцията на вътреклетъчните и извънклетъчните полизахаридно–протеинови комплекси от вискозния мицелен ферментационен бульон. Освен че осигурява изключителен добив и ефективност на екстракцията, ултразвуковата обработка е утвърден и надежден метод за клетъчен лизис и извличане на вътреклетъчен материал.
Щракнете тук, за да прочетете повече за ултразвуковия лизис и екстракцията!

Ултразвукови биореактори за подобрени ферментационни процеси

Hielscher Ultrasonics има дългогодишен опит с биопроцеси, стимулирани чрез ултразвук, като клетъчна стимулация, ферментация, разрушаване на клетките и екстракция. Предлагаме различни стандартни ултразвукови реактори с различни размери и геометрии за ултразвукова обработка в периодичен и проточен режим. Като алтернатива предлагаме индивидуални решения за интегриране във Вашия съществуващ биореактор. Тъй като нашите ултразвукови процесори са много универсални и изискват само малко пространство, вграждането им в съществуващи биотехнологични инсталации може да се осъществи без проблеми.
Прочетете повече за типовете, конструкциите и приложенията на ултразвуковите реактори тук!
Таблицата по-долу представя общи препоръки за устройства според обема на партидата или дебита, който трябва да се обработва. Щракнете върху типа устройство, за да получите повече информация за всяко устройство.

Литература/Източници

• 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.