Ultrazvukové bioreaktory pro fermentaci

Ultrazvuk je účinným prostředkem ke stimulaci mikroorganismů pomocí mechanických vibrací a kavitace. V sonobioreaktoru / ultrazvukovém fermentoru se ultrazvukové ošetření buněk a tkání stává vysoce řiditelným, protože faktory prostředí lze přesně stanovit. S ultrazvukovými bioreaktory lze výstup fermentace výrazně zvýšit.

Fermentace

Účinnost fermentace závisí na procesních podmínkách: živiny, hustota média, teplota, obsah kyslíku / plynů 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. Probíhá v kvasinkách a bakteriích a také ve svalových buňkách s nedostatkem kyslíku, jako v případě mléčné fermentace. Pojem fermentace se v širším smyslu používá také pro hromadný růst mikroorganismů na růstovém médiu, často s cílem vyrobit konkrétní chemický produkt.
Fermentační procesy se v průmyslovém měřítku provádějí s využitím mikroorganismů, jako jsou bakterie a houby. Fermentované produkty se používají v potravinářském i obecném průmyslu. Chemikálie, jako je kyselina octová, kyselina citronová a ethanol, se vyrábějí fermentací. Rychlost fermentace je ovlivňována koncentrací mikroorganismů, buněk, buněčných složek a enzymů, jakož i teplotou a pH. U aerobní fermentace je klíčovým faktorem také kyslík. Téměř všechny komerčně vyráběné enzymy, jako je lipáza, invertáza a syřidlo, se vyrábějí fermentací s geneticky modifikovanými mikroby.

Obecně lze fermentace rozdělit do čtyř typů/fází procesu:

• Produkce biomasy (životaschopného buněčného materiálu)
• Produkce extracelulárních metabolitů (chemických sloučenin)
• Produkce intracelulárních složek (enzymů a dalších proteinů)
• Transformace substrátu (kdy je transformovaný substrát sám produktem)

Sonikace před fermentací, během ní a po ní

Sonikaci, tedy aplikaci nízkofrekvenčních ultrazvukových vln, lze využít před fermentací, během ní i po ní, a to různými způsoby a v různých fázích fermentačního procesu.

Ultrazvuková předfermentační úprava – zlepšení dostupnosti biomasy

1. Zlepšený přenos hmoty: Sonikace jako předúprava se používá k podpoře přenosu hmoty a ke zvýšení dostupnosti substrátu pro mikroby. Ultrazvukové míchání podporuje přenos substrátů k mikrobiálním buňkám a produktů od nich. Ultrazvukovou intenzifikaci přenosu hmoty lze uplatnit jako předúpravu i během fermentace.
2. Dezintegrace buněk: Sonikaci lze využít k narušení buněčných stěn a membrán, zejména u mikrobiálních nebo kvasinkových kultur. To pomáhá uvolnit intracelulární složky, jako jsou enzymy nebo metabolity, což může zlepšit výkonnost fermentace nebo usnadnit navazující procesy.
3. Extrakce intracelulárních sloučenin: Sonikace může napomoci extrakci intracelulárních sloučenin z biologických materiálů před fermentací. To zahrnuje extrakci enzymů, proteinů, nukleových kyselin nebo jiných cílových sloučenin z buněk, tkání či rostlinných materiálů pro následné využití ve fermentačních procesech.

Například ultrazvuková předúprava rýžových slupek byla použita ke zlepšení enzymatické hydrolýzy pro produkci xylooligosacharidů pomocí Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Sonikací se produkce celulolytických a xylanolytických enzymů z rýžových slupek výrazně zvýšila. Výtěžek hemicelulózy se při sonikaci zvýšil na 1,4násobek a doba produkce se výrazně zkrátila z 24 h na 1,5 h při 80ºC – s dalším potenciálem optimalizace procesu. Sonikovaná biomasa je pro houby mnohem snáze přeměnitelná, takže se prodlužuje stabilita enzymové aktivity a aktivita CMCázy, b-glukosidázy a xylanázy se ve srovnání s nesonikovanými rýžovými slupkami zvyšuje. Konečnými fermentačními produkty byly xylotetraóza, xylohexaóza a xylooligosacharidy s vyšší molekulovou hmotností. Výtěžek xylohexaózy ze sonikovaných rýžových slupek byl o 80% vyšší.

Fermentace s podporou ultrazvuku – stimulace mikrobů

• Míchání a homogenizace: Sonikaci lze během fermentace využít jako techniku míchání. Aplikace ultrazvukových vln pomáhá vytvářet mikroproudění a podporuje homogenitu, čímž zajišťuje rovnoměrné rozložení živin, plynů a mikroorganismů ve fermentační nádobě.
• Zvýšení přenosu hmoty: Se zlepšeným mícháním a homogenizací souvisí i ultrazvukem zvýšené rychlosti přenosu hmoty během fermentace. Ultrazvukové oscilace a kavitace vytvářejí lokální turbulence a zlepšují difuzi substrátů, plynů a živin do fermentačního média. To může zlepšit celkovou účinnost a produktivitu fermentačního procesu.
• Zlepšení životaschopnosti buněk a metabolické aktivity: Sonikaci lze během fermentace aplikovat na mikrobiální kultury ke zvýšení životaschopnosti buněk a metabolické aktivity. Mírná sonikace může stimulovat určité mikroorganismy a podporovat růst, produkci biomasy a syntézu požadovaných metabolitů nebo fermentačních produktů.

Přesně řiditelná a opakovatelná sonikace pomáhá zlepšit produktivitu různých fermentačních procesů bez poškození buněk. Intenzitu sonikace lze přesně přizpůsobit konkrétnímu buněčnému druhu a jeho požadavkům. Řízenou sonikací se pozitivně ovlivňuje růst a metabolismus buněk a výrazně se zlepšují konverze katalyzované živými buňkami, např. při stimulaci bifidobakterií v mléce.
U některých fermentačních procesů poháněných houbami se sonikace úspěšně používá k modifikaci růstové morfologie a reologie fermentačního média, aniž by ovlivnila rychlost růstu a výtěžek vláknitých hub.

Ultrazvuková postfermentační úprava

• Sběr a separace buněk: Sonikace může napomoci při sběru a separaci buněk po fermentaci. Může pomoci při rozrušování buněčných agregátů, flokulantů nebo biofilmů, a usnadnit tak uvolňování buněk z fermentačního média. To zjednodušuje následné navazující procesy, jako je izolace 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 získávat cenné sloučeniny a zvyšuje celkový výtěžek fermentačního procesu.
• Dezintegrace buněk pro analytické účely: Sonikaci lze po fermentaci použít k dezintegraci buněk nebo mikrobiálních vzorků, zejména pro analytické účely. Napomáhá lyzi buněk a uvolnění intracelulárního obsahu, čímž usnadňuje analýzu buněčných složek nebo provádění navazujících testů.

Pro produkci intracelulárních složek, jako jsou mikrobiální enzymy (např. kataláza, amyláza, proteáza, pektináza, glukózaizomeráza, celuláza, hemiceluláza, lipáza, laktáza, streptokináza) a rekombinantní proteiny (např. inzulin, vakcína proti hepatitidě B, interferon, faktor stimulující kolonie granulocytů, streptokináza), je nutné buňky po fermentačním procesu lyzovat / dezintegrovat, aby se uvolnily požadované proteiny. Sonikace usnadňuje extrakci intracelulárních a extracelulárních polysacharid–proteinových komplexů z viskózního myceliálního fermentačního média. Kromě vynikajícího extrakčního výtěžku a účinnosti je sonikace zavedenou a spolehlivou metodou pro lyzi buněk a extrakci intracelulárních látek.
Klikněte zde a přečtěte si více o ultrazvukové lyzi a extrakci!

Ultrazvukové bioreaktory pro zlepšené fermentační procesy

Hielscher Ultrasonics má dlouholeté zkušenosti s ultrazvukem stimulovanými bioprocesy, jako je stimulace buněk, fermentace, dezintegrace buněk a extrakce. Nabízíme různé standardní ultrazvukové reaktory různých velikostí a geometrií pro sonikaci ve vsádkovém a průtokovém režimu. Alternativně nabízíme řešení na míru pro integraci do Vašeho stávajícího bioreaktoru. Protože jsou naše ultrazvukové procesory velmi univerzální a vyžadují jen málo místa, lze dodatečnou instalaci do stávajících biotechnologických zařízení realizovat bez problémů.
Další informace o typech, konstrukcích a aplikacích ultrazvukových reaktorů naleznete zde!
Níže uvedená tabulka uvádí obecná doporučení zařízení v závislosti na zpracovávaném objemu vsádky nebo průtoku. Klikněte na typ zařízení a získáte další informace o jednotlivých zařízeních.

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.