Ultrasonics je djelotvoran način da stimuliše mikroorganizme mehaničkim vibracijama i šupljim. U sonobioraktu/ultrasonični fermenter, ultrasonični tretman ćelija i tkiva postaje jako pitomija, jer faktor okoliša može biti potpuno odlučan. Sa ultrazvučnim bioreima, proizvodnja fermentacije može biti značajno poboljšana.

fermentacija

Efikasnost fermentacije zavisi od uslova procesa: Hranljive materije, gustina medija, temperatura, sadržaj kiseonika/gasa i pritisak su važni faktori koji utiču na mikrobnu aktivnost. Mikroorganizmi i ćelije sisara uspijevaju samo pod određenim uvjetima. Pravi uslovi u kombinaciji sa ultrazvučnom stimulacijom mogu maksimizirati prinos fermentacije.

Ultrazvučno Stimulacija mikroorganizama

Fermentacija je metabolički proces koji pretvara šećer u kiselinama, plinovima, ili alkohol. Javlja se u kvasca i bakterija, kao iu kisika od gladi mišićne ćelije, kao u slučaju mliječne kiseline fermentacije. Fermentacija se koristi u širem smislu da se odnosi na rast većinu mikroorganizama na srednji rast, često sa ciljem izrade specifičnih kemijskih proizvoda.
proces fermentacije se izvode na industrijskoj skali pomoću mikroorganizama kao što su bakterije i gljivice za fermentaciju. Fermentirani proizvodi se koriste u prehrambenoj i općoj industriji. Kemikalije, kao što su octena kiselina, limunska kiselina i etanol se proizvode fermentacijom. Stopa fermentacije pod uticajem koncentracija mikroorganizama, ćelije, ćelijske komponente, i enzima, kao i temperaturu i pH. Za aerobne fermentacije, kisika je ključni faktor previše. Skoro sve komercijalno proizvedenih enzima, kao što su lipaza, invertaze i sirila, napravljene su fermentacijom s genetski modificiranih mikroba.
 
Općenito, fermentacije se mogu podijeliti u četiri vrste procesa/faze:

• Proizvodnja biomase (održivih ćelijskog materijala)
• Proizvodnja ekstracelularnog metabolita (kemijskih spojeva)
• Proizvodnja intracelularne komponenti (enzima i drugih proteina)
• Transformacija podloge (u kojoj je transformisala podlogu je sam po sebi proizvod)

Sonication Prije, tokom i nakon fermentacije

Sonikacija, primena niskofrekventnih ultrazvučnih talasa, može se koristiti pre, za vreme i posle fermentacije na različite načine i u različitim fazama procesa fermentacije.

Ultrazvučni tretman prije fermentacije – Poboljšanje biomase Dostupnost

1. Poboljšan prenos mase: Sonicacija se koristi za promociju masovnog prijenosa i učini da se podloge više dostupnim mikrobima. Ultrasonični miješanje promovira masivni prijenos substrata, i proizvoda daleko, mikrobiološki ćelije. Ultrazvučna intenziviranja masovnog prijenosa može se primjenjivati kao pretlječenje kao i tokom fermentacije.
2. Poremećaj ćelije: Sonikacija se može koristiti za narušavanje ćelijskih zidova i membrana, posebno u mikrobnim ili kulturama kvasca. Ovo pomaže u oslobađanju unutarćelijskih komponenti, kao što su enzimi ili metaboliti, koji mogu poboljšati performanse fermentacije ili olakšati nizvodne procese.
3. Ekstrakcija unutarćelijskih spojeva: Sonikacija može pomoći u ekstrakciji unutarćelijskih 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.

Naprimjer, ultrazvučna predterapija trupa riže korištena je za poboljšanje enzimske hidrolize za proizvodnju ksilooligosaharida od strane Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Sonikacijom je značajno povećana proizvodnja celulitičkih i ksilanolitičkih enzima iz trupa riže. Prinos hemiceluloze povećan je na 1,4 puta pod sonikacijom, a vrijeme proizvodnje je znatno skraćeno sa 24 h na 1,5 h na 80ºC – s daljnjim potencijalom optimizacije procesa. Je sonicated biomase je mnogo lakše kabriolet za gljivice, tako da je proširen stabilnost enzima i aktivnost CMCase, B-glukozidaze, a ksilanazu je povećan u odnosu na ne-sonicated riža trup. Konačni fermentacije proizvodi bili su xylotetraose, xylohexaose, i veće molekularne xylooligosaccharides težine. U xylohexaose prinos od sonicated riže trup bio je veći od 80%.

Ultrazvučno potpomognuta fermentacija – Stimulacija mikroba

• Mešanje i homogenizacija: Sonikacija se može koristiti kao tehnika mešanja tokom fermentacije. Primena ultrazvučnih talasa pomaže u stvaranju mikroprotoka i promoviše homogenost, osiguravajući ravnomernu distribuciju hranljivih materija, gasova i mikroorganizama unutar fermentacione posude.
• Povećanje masovnog transfera: U vezi sa poboljšanim mešanjem i homogenizacijom su ultrazvučno poboljšane stope prenosa mase tokom fermentacije. Ultrazvučna oscilacija i kavitacija stvaraju lokalizovane turbulencije i poboljšavaju difuziju supstrata, gasova i hranljivih materija u fermentacionu čorbu. Ovo može poboljšati ukupnu efikasnost i produktivnost procesa fermentacije.
• Poboljšanje ćelijske održivosti i metaboličke aktivnosti: Sonikacija se može primeniti na mikrobne kulture tokom fermentacije kako bi se poboljšala održivost ćelija i metabolička aktivnost. Blaga sonifikacija može stimulisati određene mikroorganizme, promovišući rast, proizvodnju biomase i sintezu željenih metabolita ili fermentacionih proizvoda.

Upravo kontrolisati i ponovljivi sonication pomaže da se poboljša produktivnost različitih procesa fermentacije bez oštećenja ćelija. Intenzitet sonication se može točno prilagoditi specifičnim vrstama ćelija i njegovim zahtjevima. Kontrolisanim sonication, rast ćelija i metabolizam je pozitivno uticala i konverzija katalizovana žive ćelije je značajno poboljšan, npr stimulativne Bifidobacteria u mlijeku.
Za neke procese fermentacije gljivica pogon, sonication se uspješno koristi za modifikaciju morfologija rast i čorbe reologija bez utjecaja na stopu rasta i prinosa filamentoznih gljiva.

Ultrazvučni postfermentacioni tretman

• Sakupljanje i odvajanje ćelija: Sonikacija može pomoći u žetvi i odvajanju ćelija nakon fermentacije. Može pomoći u razbijanju ćelijskih agregata, flokulanata ili biofilmova, olakšavajući oslobađanje ćelija iz fermentacione čorbe. Ovo pojednostavljuje naknadne nizvodne procese, kao što su oporavak ćelija ili prečišćavanje proizvoda.
• Ekstrakcija unutarćelijskih proizvoda: Nakon fermentacije, sonicacija se može koristiti za izdvajanje unutarćelijskih proizvoda, kao što su enzimi, proteini ili sekundarni metaboliti, iz mikrobne ili ćelijske biomase. Ovaj proces ekstrakcije pomaže u obnavljanju vrijednih spojeva i poboljšava ukupni prinos procesa fermentacije.
• Dezintegracija ćelija u analitičke svrhe: Sonikacija se može primijeniti za ometanje ćelija ili mikrobnih uzoraka nakon fermentacije, posebno u analitičke svrhe. Pomaže u lizi ćelija i oslobađanju unutarćelijskog sadržaja, olakšavajući analizu ćelijskih komponenti ili izvođenje nizvodnih testova.

Za proizvodnju intracelularne komponenti kao što su mikrobiološke enzimi (npr katalaze, amilaze, proteaze, pektinaza, glukoizomeraze, celulaza, hemicellulase, lipaze, laktaze, streptokinaza) i rekombinantne proteine ​​(npr inzulin, vakcine protiv hepatitisa B, interferon, granulocita kolonija stimulativni faktor, streptokinaza), ćelije moraju biti lysed / prekinut nakon procesa fermentacije da oslobodi željenog proteina. Do sonication, ekstrakciju intracelularne i ekstracelularne polisaharid-protein kompleksa iz viskozna micelija fermentacija čorba je olakšan. Osim izuzetne prinos i efikasnost ekstrakcije, sonication je dobro uspostavljen i pouzdan za mobilne lizu i vađenje intracelularne materije.
Kliknite ovde da pročitate mor o ultrazvučnom lize i izvlačenje!

Ultrazvučni bioreaktori za poboljšane procese fermentacije

Hielscher Ultrasonics je dugogodišnje iskustvo sa ultrazvučno stimulisanim bioprocesima kao što su stimulacija ćelija, fermentacija, poremećaj ćelija i ekstrakcija. Nudimo različite standardne ultrazvučne reaktore različitih veličina i geometrija za sonicaciju u batch i flow modu. Alternativno, nudimo prilagođena rešenja za integraciju u vaš postojeći bioreaktor. Pošto su naši ultrazvučni procesori veoma svestrani i zahtevaju samo mali prostor, preuređenje u postojeće biotehnološke pogone može se realizovati bez problema.
Više o tipovima ultrazvučnih reaktora, dizajnu i aplikacijama pročitajte ovdje!
Tabela u nastavku, ukazuje na preporuke generalni uređaj u zavisnosti od obima serije ili protoka koji se obrađuju. Kliknite na tip uređaja da biste dobili više informacija o svakom uređaju.

Literatura / Reference