Ultrazvučni bioreaktori za fermentaciju

Ultrazvuk je djelotvorno sredstvo za stimulaciju mikroorganizama mehaničkim vibracijama i kavitacijom. U sonobioreaktoru / ultrazvučnom fermentoru ultrazvučna obrada ćelija i tkiva postaje visoko kontrolirana, jer se čimbenici okoline mogu tačno odrediti. Pomoću ultrazvučnih bioreaktora prinos fermentacije može se znatno povećati.

Fermentacija

Efikasnost fermentacije ovisi o uslovima procesa: hranjive tvari, gustoća medija, temperatura, sadržaj kisika / plina i tlak važni su faktori koji utječu na aktivnost mikroba. Mikroorganizmi, kao i ćelije sisara, uspijevaju samo pod određenim uslovima. Pravi uslovi u kombinaciji s ultrazvučnom stimulacijom mogu maksimalno povećati prinos fermentacije.

Ultrazvučna stimulacija mikroorganizama

Fermentacija je metabolički proces koji pretvara šećer u kiseline, plinove ili alkohol. Odvija se u kvascu i bakterijama, a također i u mišićnim ćelijama lišenim kisika, kao u slučaju fermentacije mliječne kiseline. Fermentacija se također šire koristi za označavanje masovnog rasta mikroorganizama na hranjivoj podlozi, često s ciljem proizvodnje određenog kemijskog proizvoda.
Procesi fermentacije provode se u industrijskim razmjerima uz upotrebu mikroorganizama poput bakterija i gljiva za fermentaciju. Fermentirani proizvodi koriste se u prehrambenoj i općoj industriji. Fermentacijom se proizvode kemikalije poput octene kiseline, limunske kiseline i etanola. Na brzinu fermentacije utječu koncentracija mikroorganizama, ćelija, staničnih komponenti i enzima, kao i temperatura i pH. Za aerobnu fermentaciju kisik je također ključni faktor. Gotovo svi komercijalno proizvedeni enzimi, poput lipaze, invertaze i renina, proizvode se fermentacijom pomoću genetski modificiranih mikroba.

Općenito, fermentacije se mogu podijeliti na četiri vrste procesa / faze:

• Proizvodnja biomase (održivog ćelijskog materijala)
• Proizvodnja ekstracelularnih metabolita (kemijskih spojeva)
• Proizvodnja intracelularnih komponenti (enzima i drugih proteina)
• Transformacija supstrata (pri čemu je transformirani supstrat sam proizvod)

Ultrazvučna obrada prije, tokom i nakon fermentacije

Ultrazvučna obrada (sonikacija), primjena ultrazvučnih valova niske frekvencije, može se koristiti prije, tokom i nakon fermentacije na različite načine i u različitim fazama procesa fermentacije.

Ultrazvučna obrada prije fermentacije – poboljšanje dostupnosti biomase

1. Poboljšan prijenos mase: Ultrazvučna obrada kao predobrada koristi se za poticanje prijenosa mase i za veću dostupnost supstrata mikrobima. Ultrazvučno miješanje potiče prijenos mase supstrata prema mikrobnim ćelijama i proizvoda od njih. Ultrazvučna intenzifikacija prijenosa mase može se primijeniti kao predobrada, kao i tokom fermentacije.
2. Razgradnja ćelija: Ultrazvučna obrada može se koristiti za razgradnju ćelijskih zidova i membrana, osobito u mikrobnim kulturama ili kulturama kvasca. To pomaže oslobađanju intracelularnih komponenti, poput enzima ili metabolita, što može poboljšati učinak fermentacije ili olakšati naknadne procese.
3. Ekstrakcija intracelularnih spojeva: Ultrazvučna obrada može pomoći u ekstrakciji intracelularnih spojeva iz bioloških materijala prije fermentacije. To uključuje ekstrakciju enzima, proteina, nukleinskih kiselina ili drugih ciljnih spojeva iz ćelija, tkiva ili biljnih materijala za naknadnu upotrebu u procesima fermentacije.

Na primjer, ultrazvučna predobrada pljevice riže korištena je za poboljšanje enzimske hidrolize radi proizvodnje ksilooligosaharida pomoću Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Ultrazvučnom obradom proizvodnja celulolitičkih i ksilanolitičkih enzima iz pljevice riže znatno je povećana. Prinos hemiceluloze povećan je 1,4 puta pod ultrazvučnom obradom, a vrijeme proizvodnje znatno je skraćeno s 24 h na 1,5 h pri 80ºC – uz daljnji potencijal za optimizaciju procesa. Ultrazvučno obrađena biomasa gljivama je mnogo lakše pretvorljiva, pa se stabilnost enzimske aktivnosti produžuje, a aktivnost CMCaze, b-glukozidaze i ksilanaze povećava se u odnosu na neobrađenu pljevicu riže. Konačni fermentacijski proizvodi bili su ksilotetraoza, ksiloheksaoza i ksilooligosaharidi veće molekulske mase. Prinos ksiloheksaoze iz ultrazvučno obrađene pljevice riže bio je 80% veći.

Fermentacija potpomognuta ultrazvukom – stimulacija mikroba

• Miješanje i homogenizacija: Ultrazvučna obrada može se koristiti kao tehnika miješanja tokom fermentacije. Primjena ultrazvučnih valova pomaže u stvaranju mikrostrujanja i potiče homogenost, osiguravajući ravnomjernu raspodjelu hranjivih tvari, plinova i mikroorganizama unutar posude za fermentaciju.
• Poboljšanje prijenosa mase: Uz poboljšano miješanje i homogenizaciju povezane su i ultrazvučno poboljšane brzine prijenosa mase tokom fermentacije. Ultrazvučne oscilacije i kavitacija stvaraju lokaliziranu turbulenciju i pojačavaju difuziju supstrata, plinova i hranjivih tvari u fermentacijsku juhu. To može poboljšati ukupnu efikasnost i produktivnost procesa fermentacije.
• Poboljšanje vitalnosti ćelija i metaboličke aktivnosti: Ultrazvučna obrada može se primijeniti na mikrobne kulture tokom fermentacije radi povećanja vitalnosti ćelija i metaboličke aktivnosti. Blaga ultrazvučna obrada može stimulirati određene mikroorganizme, potičući rast, proizvodnju biomase i sintezu željenih metabolita ili fermentacijskih proizvoda.

Precizno kontrolirana i ponovljiva ultrazvučna obrada pomaže u poboljšanju produktivnosti različitih procesa fermentacije bez oštećenja ćelija. Intenzitet ultrazvučne obrade može se tačno prilagoditi specifičnoj vrsti ćelija i njenim zahtjevima. Kontroliranom ultrazvučnom obradom pozitivno se utječe na rast i metabolizam ćelija, a konverzije koje katalizuju žive ćelije znatno su poboljšane, npr. stimulacijom bifidobakterija u mlijeku.
U nekim procesima fermentacije koje pokreću gljive ultrazvučna obrada uspješno se koristi za izmjenu morfologije rasta i reologije juhe, bez utjecaja na brzinu rasta i prinos končastih gljiva.

Ultrazvučna obrada nakon fermentacije

• Prikupljanje i odvajanje ćelija: Ultrazvučna obrada može pomoći pri prikupljanju i odvajanju ćelija nakon fermentacije. Može pomoći u razbijanju ćelijskih agregata, flokulana ili biofilmova, olakšavajući oslobađanje ćelija iz fermentacijske juhe. To pojednostavljuje naknadne procese, poput izdvajanja ćelija ili pročišćavanja proizvoda.
• Ekstrakcija intracelularnih proizvoda: Nakon fermentacije ultrazvučna obrada može se koristiti za ekstrakciju intracelularnih proizvoda, poput enzima, proteina ili sekundarnih metabolita, iz mikrobne ili ćelijske biomase. Taj proces ekstrakcije pomaže u izdvajanju vrijednih spojeva i poboljšava ukupni prinos procesa fermentacije.
• Dezintegracija ćelija u analitičke svrhe: Ultrazvučna obrada može se primijeniti za razgradnju ćelija ili mikrobnih uzoraka nakon fermentacije, osobito u analitičke svrhe. Pomaže pri liziranju ćelija i oslobađanju intracelularnog sadržaja, olakšavajući analizu ćelijskih komponenti ili provođenje naknadnih testova.

Za proizvodnju intracelularnih komponenti, poput mikrobnih enzima (npr. katalaza, amilaza, proteaza, pektinaza, glukoza-izomeraza, celulaza, hemicelulaza, lipaza, laktaza, streptokinaza) i rekombinantnih proteina (npr. inzulin, vakcina protiv hepatitisa B, interferon, faktor stimulacije kolonija granulocita, streptokinaza), ćelije se nakon procesa fermentacije moraju lizirati / razgraditi kako bi se oslobodili željeni proteini. Ultrazvučnom obradom olakšava se ekstrakcija intracelularnih i ekstracelularnih kompleksa polisaharida i proteina iz viskozne micelijske fermentacijske juhe. Pored izvrsnog prinosa i efikasnosti ekstrakcije, ultrazvučna obrada dobro je utvrđena i pouzdana za lizu ćelija i ekstrakciju intracelularne tvari.
Kliknite ovdje da biste pročitali više o ultrazvučnoj lizi i ekstrakciji!

Ultrazvučni bioreaktori za poboljšane procese fermentacije

Hielscher Ultrasonics ima dugogodišnje iskustvo s ultrazvučno stimuliranim bioprocesima, kao što su stimulacija ćelija, fermentacija, razgradnja ćelija i ekstrakcija. Nudimo različite standardne ultrazvučne reaktore različitih veličina i geometrija za ultrazvučnu obradu u šaržnom i protočnom načinu rada. Alternativno, nudimo rješenja po mjeri za integraciju u vaš postojeći bioreaktor. Budući da su naši ultrazvučni procesori vrlo svestrani i zahtijevaju samo malo prostora, naknadna ugradnja u postojeća biotehnološka postrojenja može se izvesti bez problema.
Pročitajte ovdje više o vrstama, izvedbama i primjenama ultrazvučnih reaktora!
Tabela ispod prikazuje opće preporuke uređaja ovisno o volumenu šarže ili protoku koji se obrađuje. Kliknite na vrstu uređaja da biste dobili više informacija o svakom uređaju.

Literatura / reference

• 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.