Ultrazvučni bioreaktori za fermentaciju

Ultrazvuk je efikasno sredstvo za stimulaciju mikroorganizama mehaničkim vibracijama i kavitacijom. U sonobioreaktoru? ultrazvučnom fermentoru, ultrazvučni tretman ćelija i tkiva postaje vrlo kontrolisan jer se faktori okoline mogu tačno odrediti. Uz ultrazvučne bioreaktore, učinak fermentacije može se značajno poboljšati.

fermentacija

Efikasnost fermentacije zavisi od uslova procesa: Hranljivi sastojci, gustina medijuma, temperatura, sadržaj kiseonika/gasa i pritisak su važni faktori koji utiču na mikrobnu aktivnost. Mikroorganizmi, kao i ćelije sisara, napreduju samo pod određenim uslovima. Pravi uslovi u kombinaciji sa ultrazvučnom stimulacijom mogu maksimalno povećati prinos fermentacije.

Ultrazvučna stimulacija mikroorganizama

Fermentacija je metabolički proces koji pretvara šećer u kiseline, plinove ili alkohol. Javlja se u kvascu i bakterijama, kao iu mišićnim stanicama kojima nedostaje kisika, kao u slučaju fermentacije mliječne kiseline. Fermentacija se također koristi šire za označavanje masovnog rasta mikroorganizama na mediju za rast, često s ciljem proizvodnje specifičnog kemijskog proizvoda.
Proces fermentacije se odvija u industrijskoj skali koristeći mikroorganizme kao što su bakterije i gljivice za fermentaciju. Fermentirani proizvodi se koriste u prehrambenoj i općoj industriji. Hemikalije, kao što su octena kiselina, limunska kiselina i etanol, proizvode se fermentacijom. Na brzinu fermentacije utječu koncentracija mikroorganizama, stanica, staničnih komponenti i enzima, kao i temperatura i pH. Za aerobnu fermentaciju kisik je također ključni faktor. Gotovo svi komercijalno proizvedeni enzimi, kao što su lipaza, invertaza i sirilo, nastaju fermentacijom s genetski modificiranim mikrobima.

• Proizvodnja biomase (održivi stanični materijal)
• Proizvodnja ekstracelularnih metabolita (hemijskih jedinjenja)
• Proizvodnja intracelularnih komponenti (enzimi i drugi proteini)
• Transformacija supstrata (u kojoj je transformirani supstrat sam proizvod)

Sonikacija prije, za vrijeme i poslije fermentacije

Sonikacija, primjena niskofrekventnih ultrazvučnih valova, može se koristiti prije, za vrijeme i nakon fermentacije na različite načine iu različitim fazama procesa fermentacije.

Ultrazvučni tretman pre fermentacije – Poboljšanje dostupnosti biomase

1. Poboljšani prijenos mase: Sonikacija kao prethodna obrada koristi se za promicanje prijenosa mase i učini supstrat dostupnijim mikrobima. Ultrazvučno miješanje pospješuje prijenos mase supstrata u mikrobne ćelije i proizvoda dalje od njih. Ultrazvučno intenziviranje prijenosa mase može se primijeniti kao predtretman kao i tokom fermentacije.
2. Poremećaj ćelije: Sonikacija se može koristiti za razbijanje staničnih zidova i membrana, posebno u kulturama mikroba ili kvasca. Ovo pomaže u oslobađanju intracelularnih komponenti, kao što su enzimi ili metaboliti, koji mogu poboljšati performanse fermentacije ili olakšati nizvodne procese.
3. Ekstrakcija intracelularnih spojeva: Sonikacija može pomoći u ekstrakciji intracelularnih spojeva iz bioloških materijala prije fermentacije. Ovo uključuje ekstrakciju enzima, proteina, nukleinskih kiselina ili drugih ciljnih jedinjenja iz ćelija, tkiva ili biljnih materijala za naknadnu upotrebu u procesima fermentacije.

Na primjer, ultrazvučna predtretman pirinčane ljuske korištena je za poboljšanje enzimske hidrolize za proizvodnju ksilooligosaharida od strane Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Sonikacijom je značajno povećana proizvodnja celulolitičkih i ksilanolitičkih enzima iz ljuske riže. Prinos hemiceluloze je povećan na 1,4 puta pod ultrazvukom, a vrijeme proizvodnje je znatno skraćeno sa 24 h na 1,5 h na 80ºC – sa daljnjim potencijalom optimizacije procesa. Sonicirana biomasa je mnogo lakše konvertovana za gljive, tako da je stabilnost aktivnosti enzima produžena i aktivnost CMCaze, b-glukozidaze i ksilanaze je povećana u poređenju sa nesoniciranom ljuskom riže. Konačni proizvodi fermentacije bili su ksilotetraoza, ksiloheksaoza i ksilooligosaharidi veće molekularne težine. Prinos ksiloheksaoze iz sonikirane ljuske riže bio je 80% veći.

Ultrazvučno potpomognuta fermentacija – Stimulacija mikroba

• Miješanje i homogenizacija: Sonikacija se može koristiti kao tehnika miješanja tokom fermentacije. Primjena ultrazvučnih valova pomaže u stvaranju mikrotoka i promovira homogenost, osiguravajući ujednačenu distribuciju hranjivih tvari, plinova i mikroorganizama unutar posude za fermentaciju.
• Poboljšanje prijenosa mase: U vezi sa poboljšanim mešanjem i homogenizacijom su ultrazvučno poboljšane brzine prenosa mase tokom fermentacije. Ultrazvučna oscilacija i kavitacija stvaraju lokaliziranu turbulenciju i poboljšavaju difuziju supstrata, plinova i hranjivih tvari u fermentacijski bujon. Ovo može poboljšati ukupnu efikasnost i produktivnost procesa fermentacije.
• Poboljšanje vitalnosti ćelije i metaboličke aktivnosti: Sonikacija se može primijeniti na mikrobne kulture tijekom fermentacije kako bi se poboljšala vitalnost stanica i metabolička aktivnost. Blaga sonikacija može stimulirati određene mikroorganizme, promovirajući rast, proizvodnju biomase i sintezu željenih metabolita ili proizvoda fermentacije.

Precizno kontrolirana i ponovljiva sonikacija pomaže poboljšanju produktivnosti različitih procesa fermentacije bez oštećenja stanica. Intenzitet sonikacije može se precizno prilagoditi specifičnoj ćelijskoj vrsti i njenim zahtjevima. Kontroliranom ultrazvukom pozitivno se utječe na rast i metabolizam stanica i značajno se poboljšava konverzije koje kataliziraju žive stanice, npr. stimulacija bifidobakterija u mlijeku.
Za neke procese fermentacije izazvane gljivama, sonikacija se uspješno koristi za modificiranje morfologije rasta i reologije bujona bez utjecaja na brzinu rasta i prinos filamentoznih gljiva.

Ultrazvučni tretman post-fermentacije

• Sakupljanje i odvajanje ćelija: Sonikacija može pomoći u sakupljanju ćelija i razdvajanju nakon fermentacije. Može pomoći u razbijanju staničnih agregata, flokulanta ili biofilma, olakšavajući oslobađanje stanica iz fermentacijske juhe. Ovo pojednostavljuje naknadne procese, kao što je obnavljanje ćelija ili prečišćavanje proizvoda.
• Ekstrakcija unutarćelijskih proizvoda: Nakon fermentacije, ultrazvuk se može koristiti za ekstrakciju intracelularnih proizvoda, kao što su enzimi, proteini ili sekundarni metaboliti, iz mikrobne ili stanične biomase. Ovaj proces ekstrakcije pomaže povratu vrijednih spojeva i poboljšava ukupni prinos procesa fermentacije.
• Dezintegracija ćelija u analitičke svrhe: Sonikacija se može primijeniti da razbije ćelije ili mikrobne uzorke nakon fermentacije, posebno u analitičke svrhe. Pomaže u ćelijskoj lizi i oslobađanju intracelularnog sadržaja, olakšavajući analizu ćelijskih komponenti ili izvođenje nizvodnih analiza.

Za proizvodnju intracelularnih komponenti kao što su mikrobni enzimi (npr. katalaza, amilaza, proteaza, pektinaza, glukoza izomeraza, celulaza, hemicelulaza, lipaza, laktaza, streptokinaza) i rekombinantnih proteina (npr. insulin, vakcina protiv hepatitisa B, interferon, granulostimulacija faktor, streptokinaza), ćelije moraju biti lizirane/poremećene nakon procesa fermentacije da bi se oslobodili željeni proteini. Sonikacijom se olakšava ekstrakcija intracelularnih i ekstracelularnih polisaharid-proteinskih kompleksa iz viskoznog micelijskog fermentacionog bujona. Osim izvanrednog prinosa ekstrakcije i efikasnosti, sonikacija je dobro uspostavljena i pouzdana za lizu ćelija i ekstrakciju intracelularne materije.
Kliknite ovdje da pročitate više o ultrazvučnoj lizi i ekstrakciji!

Ultrazvučni bioreaktori za poboljšane procese fermentacije

Hielscher Ultrasonics ima dugogodišnje iskustvo s ultrazvučno stimuliranim bio-procesima kao što su stimulacija stanica, fermentacija, razbijanje stanica i ekstrakcija. Nudimo različite standardne ultrazvučne reaktore različitih veličina i geometrija za ultrazvučnu obradu u šaržnom i protočnom načinu rada. Alternativno, nudimo prilagođena rješenja za integraciju u vaš postojeći bioreaktor. Budući da su naši ultrazvučni procesori vrlo raznovrsni i zahtijevaju samo mali prostor, naknadna ugradnja u postojeća biotehnološka postrojenja može se realizirati bez problema.
Pročitajte više o tipovima, dizajnu i primjeni ultrazvučnih reaktora ovdje!
Donja tabela ukazuje na opšte preporuke uređaja u zavisnosti od količine šarže ili protoka koji se obrađuje. Kliknite na tip uređaja da biste dobili više informacija o svakom uređaju.

Literatura/Reference