Hielscher ultrazvuková technologie

Biosynthetic Production of Human Milk Oligosaccharides

Biosyntéza oligosacharidů lidského mléka (HMOs) prostřednictvím fermentace nebo enzymatických reakcí je složitý, náročný a často s nízkým výnosem. Ultrazvuku zvyšuje přenos hmoty mezi substrátem a buněčných továren a stimuluje růst buněk a metabolismus. Tím, sonikace zesiluje fermentaci a bio-chemické procesy, což vede k urychlené a efektivnější výrobu HmOs.

Lidské mléko Oligosacharidy

Lidské mléko oligosacharidy (HmOs), také známý jako lidské mléko glykany, jsou molekuly cukru, které jsou součástí skupiny oligosacharidů. Mezi významné příklady HmO patří 2'-fukosyllactóza (2′-FL), lakto-N-neotetraos (LNnT), 3'-galaktosyllactose (3′-GL) a difukosylabaktóza (DFL).
Zatímco lidské mateřské mléko se skládá z více než různých 150 HMO struktur, pouze 2′-fucosyllactose (2′-FL) a lakto-N-neotetraose (LNnT) jsou v současné době vyrábí na komerční úrovni a používá se jako nutriční přísady v kojenecké výživy.
Lidské mléko oligosacharidy (HmOs) jsou známé pro jejich význam v dětské výživy. Lidské mléko oligosacharidy jsou jedinečným typem živin, které působí jako prebiotika, anti-adhesive antimikrobiální látky, a imunomodulátory ve střevě dítěte a významně přispívají k rozvoji mozku. HmO se nacházejí výhradně v lidském mateřském mléce; ostatní savčí mléko (např. kráva, koza, ovce, velbloud atd.) nemají tyto specifické formy oligosacharidů.
Lidské mléko oligosacharidy jsou třetí nejhojnější pevnou složkou v lidském mléce, která může být přítomna buď v rozpuštěné nebo emulgované nebo suspendované formě ve vodě. Laktóza a mastné kyseliny jsou nejhojnější pevné látky nalezené v lidském mléce. HmO jsou přítomny v koncentraci 0,35–0,88 unce (9,9–24,9 g)/ L. Je známo přibližně 200 strukturálně odlišných oligosacharidů lidského mléka. Dominantní oligosaacharid u 80% všech žen je 2′-fucosyllactóza, která je přítomna v mateřském mléce v koncentraci přibližně 2,5 g/ L.
Vzhledem k tomu, že HmOs nejsou tráveny, kaloricky nepřispívají k výživě. Jsou nestravivé sacharidy, fungují jako prebiotika a jsou selektivně fermentovány žádoucí střevní mikroflórou, zejména bifidobakteriemi.

Zdravotní přínosy oligosacharidů lidského mléka (HmOs)

  • podporovat rozvoj kojenců
  • jsou důležité pro vývoj mozku
  • má protizánětlivé a
  • antiadhezivní účinky v gastrointestinálním traktu
  • podporuje imunitní systém u dospělých
Ultrasonication and the use of ultrasonic bioreactors (sono-bioreactors) are highly effective to promote mass transfer between substrate and living cells used as cell factories

Ultrazvukový procesor UIP2000hdT zvyšuje přenos hmoty a aktivuje buněčné továrny pro vyšší výnosy biologickyntetizovaných biologických molekul, jako jsou HmOs

Žádost o informace





Biosyntéza oligosacharidů lidského mléka

Buněčné továrny a enzymatické / chemo-enzymatické systémy jsou současné technologie používané pro syntézu HMO. Pro výrobu HMO v průmyslovém měřítku jsou možné způsoby biovýroby HMO fermentace mikrobiálních buněčných továren, biochemické syntézy a různé enzymatické reakce. Z ekonomických důvodů je biosyntace prostřednictvím mikrobiálních buněčných továren v současné době jedinou technikou používanou na úrovni průmyslové výroby HmOs.

Fermentace HmOs pomocí mikrobiálních buněčných továren

E.coli, Saccharomyces cerevisiae a Lactococcus lactis jsou běžně používané buněčné továrny používané pro bioprodukci biologických molekul, jako jsou HmOs. Fermentace je biochemický proces využívající mikroorganismy k přeměně substrátu na cílené biologické molekuly. Továrny na mikrobiální buňky používají jednoduché cukry jako substrát, které přeměňují na HmOs. Vzhledem k tomu, jednoduché cukry (např. laktóza) jsou hojné, levné substrát, to udržuje bio-syntéza proces nákladově efektivní.
Rychlost růstu a biokonverze je ovlivněna především hromadným přenosem živin (substrátu) na mikroorganismy. Přenosová rychlost hmoty je hlavním faktorem, který ovlivňuje syntézu produktu během fermentace. Ultrazvuku je dobře známo, že podporují přenos hmoty.
During fermentation, the conditions in the bioreactor must be constantly monitored and regulated so that the cells can grow as quickly as possible in order to then produce the targeted biomolecules (e.g. oligosaccharides such as HMOs; insulin; recombinant proteins). Theoretically, the product formation starts as soon as the cell culture begins to grow. However especially in genetically modified cells such as engineered microorganisms it is usually induced later by adding a chemical substance to the substrate, which upregulates the expression of the targeted biomolecule. Ultrasonic bioreactors (sono-bioreactor) can be precisely controlled and allow for the specific stimulation of microbes. This results in an accelerated biosynthesis and higher yields.
Ultrasonic lysis and extraction: Fermentation of complex HMOs might be limited by low fermentation titers and products remaining intracellular. Ultrasonic lysis and extraction is used to release intracellular material before purification and down-stream processes.

Ultrazvukem podporované fermentace

The growth rate of microbes such as Escherichia coli, engineered E.coli, Saccharomyces cerevisiae and Lactococcus lactis can be accelerated by increasing the mass transfer rate and cell wall permeability by applying controlled low-frequency ultrasonication. As a mild, non-thermal processing technique, ultrasonication applies purely mechanical forces into the fermentation broth.
Acoustic Cavitation: The working principle of sonication is based on acoustic cavitation. The ultrasonic probe (sonotrode) couples low-frequency ultrasound d waves into the medium. The ultrasound waves travel through the liquid creating alternating high-pressure (compression) / low-pressure (rarefaction) cycles. By compressing and stretching the liquid in alternating cycles, minute vacuum bubbles arise. These small vacuum bubbles grow over several cycles until they reach a size where they cannot absorb any further energy. At this point of maximum growth, the vacuum bubble implodes violently and generates locally extreme conditions, known as the phenomenon of cavitation. In the cavitational “hot-spot”, high pressure and temperature differentials and intense shear forces with liquid jets of up to 280m/sec can be observed. By these cavitational effects, thorough mass transfer and sonoporation (the perforation of cell walls and cell membranes) is achieved. The nutrients of the substrate are floated to and into the living whole cells, so that the cell factories are optimally nourished and growth as well as conversion rates are accelerated. Ultrasonic bioreactors are a simple, yet highly effective strategy to process biomass in a one-pot biosynthesis process.
Přesně kontrolované, mírné použití ultrazvuku je dobře známo, že zesílit fermentační procesy.
Sonikace zlepšuje "produktivitu mnoha bioprocesů zahrnujících živé buňky prostřednictvím zvýšení příjmu substrátu, zvýšení výroby nebo růstu zvýšením buněčné pórovitosti a potenciálně vylepšeného uvolňování buněčných složek." (Naveena et al. 2015)
Read more about ultrasonically-assisted fermentation!
Výhody ultrazvukem intenzivnější fermentace

  • zvyšuje výnos
  • Zrychlená fermentace
  • Stimulace specifická pro buňky
  • Vylepšené využití substrátu
  • Zvýšená buněčná pórovitost
  • snadno ovladatelný
  • bezpečný
  • Jednoduché dodatečně montáž
  • lineární scale-up
  • Zpracování dávky nebo iniinu
  • rychlá RoI

Naveena et al. (2015) zjistila, že ultrazvukové intenzifikace nabízí několik výhod během biologického zpracování, včetně nízkých provozních nákladů ve srovnání s jinými možnostmi zlepšení léčby, jednoduchosti provozu a skromných požadavků na napájení.

Agitated ultrasonic tank (sono-bioreactor) for batch processing

Nádrž s 8kW ultrasonicators a míchadla

Vysoce výkonné ultrazvukové fermentační reaktory

Fermentační procesy zahrnují živé mikroorganismy, jako jsou bakterie nebo kvasinky, které fungují jako buněčné továrny. Zatímco použití ultrazvuku se používá na podporu přenosu hmoty a zvýšení růstu mikroorganismu a konverzní rychlost, je důležité kontrolovat ultrazvukové intenzity přesně, aby se zabránilo zničení buněčných továren.
Hielscher Ultrazvuk je specialista na navrhování, výrobu a distribuci vysoce výkonných ultrasonicators, které mohou být přesně kontrolovány a monitorovány, aby zajistily vynikající fermentační výnosy.
Přesná kontrola nad parametry ultrazvukového procesu Hielscher Ultrasonics' inteligentní softwareŘízení procesů je nezbytné nejen pro vysoké výnosy a vynikající kvalitu, ale umožňuje opakovat a reprodukovat výsledky. Zvláště když ist přijde na stimulaci buněčných továren, buňka-specifické adaptace parametrů ultrazvuku je nezbytné pro dosažení vysokých výnosů a aby se zabránilo degradaci buněk. Proto jsou všechny digitální modely Hielscher ultrasonicators jsou vybaveny inteligentním softwarem, který vám umožní nastavit, sledovat, a revidovat parametry použití ultrazvuku. Ultrazvukové parametry procesu, jako je amplituda, teplota, tlak, doba sonikace, pracovní cykly a energetické vstupy, jsou nezbytné pro podporu výroby HMO prostřednictvím fermentace.
Inteligentní software Hielscher ultrasonicators automaticky zaznamenává všechny důležité parametry procesu na integrované SD-kartě. Automatické zaznamenávání dat procesu použití ultrazvuku jsou základem pro standardizaci procesů a reprodukovatelnost / opakovatelnost, které jsou potřebné pro správnou výrobní praxi (GMP).

Hielscher Ultrazvuk Cascatrode

kascatyTm v ultrazvukovém tokovém buněčném reaktoru

Ultrazvukové rektoři pro fermentaci

Hielscher Ultrazvuk CascatrodeHielscher offers ultrasonic probes of various size, length and geometries, which can be used for batch as well as continuous flow-through treatments. Ultrasonic reactors, also known as sono-bioreactors, are available for any volume covering the ultrasonic bioprocessing from small lab samples to pilot and fully-commercial production level.
Je dobře známo, že umístění ultrazvukové sonotrody v reakční nádobě ovlivňuje distribuci kavitace a mikro-streamingu v médiu. Sonotroda a ultrazvukový reaktor by měly být vybrány v souladu s objemem zpracování buněčného vývaru. Zatímco použití ultrazvuku lze provádět v dávce i v nepřetržitém režimu, pro vysoké objemy výroby se doporučuje použití kontinuálního toku instalace. Procházející ultrazvukové průtokové buňky, všechny buněčné médium dostane přesně stejnou expozici použití ultrazvuku zajištění nejúčinnější léčby. Hielscher Ultrazvukem širokou škálu ultrazvukových sond a toku buněk reaktorů umožňuje sestavit ideální ultrazvukové bioprocessing nastavení.

Hielscher Ultrazvuk – Od laboratoře k pilotovi k výrobě

Hielscher Ultrazvuk pokrývá celé spektrum ultrazvukových zařízení, které nabízejí kompaktní ruční ultrazvukové homogenizátory pro přípravu vzorků na bench-top a pilotní systémy, stejně jako výkonné průmyslové ultrazvukové jednotky, které snadno zpracovávají náklad za hodinu. Být univerzální a flexibilní v možnostech instalace a montáže, Hielscher ultrasonicators lze snadno integrovat do všech druhů dávkových reaktorů, fed-dávky nebo kontinuální průtok-through nastavení.
Různé příslušenství, stejně jako přizpůsobené díly umožňují ideální přizpůsobení vašeho ultrazvukového nastavení vašim požadavkům na proces.
Postaven pro 24 / 7 provoz při plném zatížení a vysoké zatížení v náročných podmínkách, Hielscher ultrazvukové procesory jsou spolehlivé a vyžadují pouze nízkou údržbu.
Níže uvedená tabulka vám dává informaci o přibližné zpracovatelské kapacity našich ultrasonicators:

Hromadná dávka průtok Doporučené Devices
1 až 500 ml 10 až 200 ml / min UP100H
10 až 2000ml 20 až 400 ml / min Uf200 ः t, UP400St
00,1 až 20L 00,2 až 4 litry / min UIP2000hdT
10 až 100L 2 až 10 l / min UIP4000hdT
na 10 až 100L / min UIP16000
na větší hrozen UIP16000

Kontaktujte nás! / Zeptej se nás!

Požádejte o další informace

Použijte prosím níže uvedený formulář a vyžádejte si další informace o ultrazvukových procesorech, aplikacích a ceně. Rádi s vámi probereme váš proces a nabídneme vám ultrazvukový systém splňující vaše požadavky!









Uvědomte si prosím naši Zásady ochrany osobních údajů,


Hielscher Ultrazvuková zařízení vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizéry pro disperzi, napodobování a extrakci buněk.

Vysoce energetické ultrazvukové homogenizéry z Laboratoř na Pilot a Průmyslový měřítko.

Literatura / Reference



Fakta Worth Knowing

Biosynthesis using Cell Factories

A microbial cell factory is a method of bioengineering, which utilizes microbial cells as a production facility. By genetically engineering microbes, the DNA of microorganisms such as bacteria, yeasts, fungi, mammalian cells, or algae is modified turning microbes into cell factories. Cell factories are used to convert substrates into valuable biological molecules, which are used e.g. in food, pharma, chemistry and fuel production. Different strategies of cell factory-based biosynthesis aim at the production of native metabolites, expression of heterologous biosynthetic pathways, or protein expression.
Cell factories can be used to either synthesize native metabolites, to express heterologous biosynthetic pathways, or to express proteins.

Biosynthesis of native metabolites

Native metabolites are defined as biological molecules, which the cells used as cell factory produce naturally. Cell factories produce these biological molecules either intracellularly or a secreted substance. The latter is preferred since it facilitates the separation and purification of the targeted compounds. Examples for native metabolites are amino and nucleic acids, antibiotics, vitamins, enzymes, bioactive compounds, and proteins produced from anabolic pathways of cell.

Heterologus Biosynthetic Pathways

When trying to produce an interesting compound, one of the most important decisions is the choice of production in the native host, and optimize this host, or transfer of the pathway to another well-known host. If the original host can be adapted to an industrial fermentation process, and there are no health-related risks in doing so (e.g., production of toxic by-products), this can be a preferred strategy (as was the case e.g., for penicillin). However, in many modern cases, the potential of using an industrially preferred cell factory and related platform processes out-weighs the difficulty of transferring the pathway.

Protein Expression

The expression of proteins can be achieved via homologous and heterologous ways. In homologous expression, a gene that is naturally present in an organism is over-expressed. Through this over-expression, a higher yield of a certain biological molecule can be produced. For heterologous expression, a specific gene is transferred into a host cell in that the gene is not present naturally. Using cell engineering and recombinant DNA technology, the gene is inserted into the host’s DNA so that the host cell produces (large) amounts of a protein that it would not produce naturally. Protein expression is done in a variety of hosts from bacteria, e.g. E. coli and Bacillis subtilis, yeasts, e.g., Klyuveromyces lactis, Pichia pastoris, S. cerevisiae, filamentous fungi, e.g. as A. niger, and cells derived from multicellular organisms such as mammals and insects. Innummerous proteins are of great commercial interest, including from bulk enzymes, complex bio-pharmaceuticals, diagnostics and research reagents. (cf. A.M. Davy et al. 2017)