Ultrazvukové bioreaktory pro fermentaci

Ultrazvuk je účinný prostředek ke stimulaci mikroorganismů mechanickými vibracemi a kavitací. V sonobioreaktoru / ultrazvukovém fermentoru se ultrazvukové ošetření buněk a tkání stává vysoce kontrolovatelným, protože lze přesně určit faktory prostředí. S ultrazvukovými bioreaktory lze výrazně zvýšit fermentační výkon.

fermentace

Účinnost fermentace závisí na podmínkách procesu: Živiny, hustota média, teplota, obsah kyslíku / plynu a tlak jsou důležité faktory, které ovlivňují mikrobiální aktivitu. Mikroorganismům i savčím buňkám se daří pouze za určitých podmínek. Správné podmínky v kombinaci s ultrazvukovou stimulací mohou maximalizovat výtěžek fermentace.

Ultrazvuková stimulace mikroorganismů

Fermentace je metabolický proces, který přeměňuje cukr na kyseliny, plyny nebo alkohol. Vyskytuje se u kvasinek a bakterií a také ve svalových buňkách s nedostatkem kyslíku, jako v případě fermentace kyselinou mléčnou. Fermentace se také v širším měřítku používá k označení hromadného růstu mikroorganismů na růstovém médiu, často s cílem vyrobit konkrétní chemický produkt.
Fermentační proces se provádí v průmyslovém měřítku s využitím mikroorganismů, jako jsou bakterie a houby pro fermentaci. Fermentované výrobky se používají v potravinářském a všeobecném průmyslu. Chemikálie, jako je kyselina octová, kyselina citronová a ethanol, se vyrábějí fermentací. Rychlost fermentace je ovlivněna koncentrací mikroorganismů, buněk, buněčných složek a enzymů, stejně jako teplotou a pH. Pro aerobní fermentaci je klíčovým faktorem také kyslík. Téměř všechny komerčně vyráběné enzymy, jako je lipáza, invertáza a syřidlo, se vyrábějí fermentací pomocí geneticky modifikovaných mikrobů.

• Produkce biomasy (životaschopný buněčný materiál)
• Produkce extracelulárních metabolitů (chemických sloučenin)
• Produkce intracelulárních složek (enzymů a dalších proteinů)
• Transformace substrátu (při kterém je transformovaný substrát sám o sobě součinem)

Sonikace před, během a po fermentaci

Sonikace, aplikace nízkofrekvenčních ultrazvukových vln, může být použita před, během a po fermentaci různými způsoby a v různých fázích fermentačního procesu.

Ultrazvuková předfermentační úprava – Zlepšení dostupnosti biomasy

1. Vylepšený přenos hmoty: Sonikace jako předúprava se používá k podpoře přenosu hmoty a k větší dostupnosti substrátu pro mikroby. Ultrazvukové míchání podporuje přenos hmoty substrátů a produktů pryč od mikrobiálních buněk. Ultrazvuková intenzifikace přenosu hmoty může být použita jako předúprava i během fermentace.
2. Narušení buněk: Sonikace může být použita k narušení buněčných stěn a membrán, zejména v mikrobiálních nebo kvasinkových kulturách. To pomáhá uvolňovat intracelulární složky, jako jsou enzymy nebo metabolity, které mohou zlepšit výkon fermentace nebo usnadnit následné procesy.
3. Extrakce intracelulárních sloučenin: Sonikace může pomoci při extrakci intracelulárních sloučenin z biologických materiálů před fermentací. To zahrnuje extrakci enzymů, proteinů, nukleových kyselin nebo jiných cílových sloučenin z buněk, tkání nebo rostlinných materiálů pro následné použití ve fermentačních procesech.

Například ultrazvuková předúprava rýžových slupek byla použita ke zvýšení enzymatické hydrolýzy pro produkci xylooligosacharidů Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Sonikací se výrazně zvýšila produkce celulolytických a xylanolytických enzymů ze slupek rýže. Výtěžek hemicelulózy byl zvýšen na 1,4násobek při sonikaci a doba výroby se výrazně zkrátila z 24 hodin na 1,5 hodiny při 80 ° C – s dalším potenciálem optimalizace procesů. Sonikovaná biomasa je pro houby mnohem snadněji konvertibilní, takže stabilita aktivity enzymů je prodloužena a aktivita CMCázy, b-glukosidázy a xylanázy je zvýšena ve srovnání s nesonikovaným rýžovým trupem. Posledními fermentačními produkty byly xylotetraosa, xylohexaóza a xylooligosacharidy s vyšší molekulovou hmotností. Výtěžek xylohexaosy ze sonikovaných rýžových slupek byl o 80 % vyšší.

Ultrazvukem asistovaná fermentace – Stimulace mikrobů

• Míchání a homogenizace: Sonikace může být použita jako technika míchání během fermentace. Aplikace ultrazvukových vln pomáhá vytvářet mikrostreaming a podporuje homogenitu, čímž zajišťuje rovnoměrnou distribuci živin, plynů a mikroorganismů ve fermentační nádobě.
• Vylepšení přenosu hmoty: S lepším mícháním a homogenizací souvisí ultrazvukem zlepšené rychlosti přenosu hmoty během fermentace. Ultrazvuková oscilace a kavitace vytvářejí lokální turbulence a zvyšují difúzi substrátů, plynů a živin do fermentačního vývaru. To může zlepšit celkovou účinnost a produktivitu fermentačního procesu.
• Zlepšení životaschopnosti buněk a metabolické aktivity: Sonikace může být aplikována na mikrobiální kultury během fermentace, aby se zvýšila životaschopnost buněk a metabolická aktivita. Mírná sonikace může stimulovat určité mikroorganismy, podporovat růst, produkci biomasy a syntézu požadovaných metabolitů nebo fermentačních produktů.

Přesně kontrolovatelná a opakovatelná sonikace pomáhá zlepšit produktivitu různých fermentačních procesů bez poškození buněk. Intenzita sonikace může být přesně přizpůsobena konkrétnímu buněčnému druhu a jeho požadavkům. Řízenou sonikací je pozitivně ovlivněn buněčný růst a metabolismus a výrazně se zlepšují přeměny katalyzované živými buňkami, např. stimulace bifidobakterií v mléce.
U některých fermentačních procesů řízených houbami se sonikace úspěšně používá k úpravě morfologie růstu a reologie bujónu, aniž by to ovlivnilo rychlost růstu a výtěžek vláknitých hub.

Ultrazvuková postfermentační úprava

• Sběr a separace buněk: Sonikace může pomoci při sklizni a separaci buněk po fermentaci. Může pomoci při rozbíjení buněčných agregátů, flokulantů nebo biofilmů, což usnadňuje uvolňování buněk z fermentačního vývaru. To zjednodušuje následné procesy, jako je obnova buněk nebo čištění produktu.
• Extrakce intracelulárních produktů: Po fermentaci lze sonikaci použít k extrakci intracelulárních produktů, jako jsou enzymy, proteiny nebo sekundární metabolity, z mikrobiální nebo buněčné biomasy. Tento extrakční proces pomáhá získat cenné sloučeniny a zlepšuje celkový výtěžek fermentačního procesu.
• Rozpad buněk pro analytické účely: Sonikace může být použita k narušení buněk nebo mikrobiálních vzorků po fermentaci, zejména pro analytické účely. Pomáhá při lýze buněk a uvolňování intracelulárního obsahu, usnadňuje analýzu buněčných složek nebo provádění následných testů.

Pro produkci intracelulárních složek, jako jsou mikrobiální enzymy (např. kataláza, amyláza, proteáza, pektináza, glukózizomeráza, celuláza, hemiceláza, lipáza, laktáza, streptokináza) a rekombinantní proteiny (např. inzulín, vakcína proti hepatitidě B, interferon, faktor stimulující kolonie granulocytů, streptokináza), musí být buňky po fermentačním procesu lyzovány / narušeny, aby se uvolnily požadované proteiny. Sonikací je usnadněna extrakce intracelulárních a extracelulárních polysacharido-proteinových komplexů z vazkého myceliálního fermentačního bujónu. Kromě vynikajícího výtěžku extrakce a účinnosti je sonikace dobře zavedená a spolehlivá pro lýzu buněk a extrakci intracelulární hmoty.
Klikněte zde a přečtěte si více o ultrazvukové lýze a extrakci!

Ultrazvukové bioreaktory pro zlepšení fermentačních procesů

Hielscher Ultrasonics má dlouholeté zkušenosti s ultrazvukem stimulované biologické procesy, jako je buněčná stimulace, fermentace, narušení buněk a extrakce. Nabízíme různé standardní ultrazvukové reaktory různých velikostí a geometrií pro sonikaci v dávkovém a průtokovém režimu. Alternativně nabízíme řešení na míru pro integraci do vašeho stávajícího bioreaktoru. Vzhledem k tomu, že naše ultrazvukové procesory jsou velmi univerzální a vyžadují pouze malý prostor, lze bez problémů provést dodatečnou montáž do stávajících biotechnologických zařízení.
Přečtěte si více o typech, provedeních a aplikacích ultrazvukových reaktorů zde!
V níže uvedené tabulce jsou uvedena obecná doporučení pro zařízení v závislosti na objemu dávky nebo průtoku, který má být zpracován. Kliknutím na typ zařízení získáte další informace o každém zařízení.

Literatura/Odkazy