Ultralyd er et effektivt middel til at stimulere mikroorganismer ved mekaniske vibrationer og kavitation. I en sonobioreactor / ultralyd fermenter bliver ultralydsbehandling af celler og væv meget kontrollerbar, da de miljømæssige faktorer kan bestemmes nøjagtigt. Med ultralydbioreaktorer kan fermenteringsoutputtet forbedres betydeligt.

fermentering

Effektiviteten af fermentering afhænger af procesbetingelserne: Næringsstoffer, densitet af mediet, temperatur, ilt / gasindhold og tryk er vigtige faktorer, der påvirker den mikrobielle aktivitet. Mikroorganismer såvel som pattedyrceller trives kun under visse betingelser. De rigtige betingelser kombineret med ultralydstimulering kan maksimere udbyttet af gæring.

Ultrasonic Stimulering af mikroorganismer

Fermentering er en metabolisk proces, der omdanner sukker til syre, gas eller alkohol. Det sker i gær og bakterier, og også i oxygen-udsultede muskelceller, som i tilfældet med mælkesyrefermentering. Fermentering bruges også mere bredt til at henvise til hovedparten væksten af ​​mikroorganismer på et vækstmedium, ofte med det formål at frembringe et specifikt kemikalie.
Gæringsproces udføres på industriel målestok under anvendelse af mikroorganismer, såsom bakterier og svampe til fermenteringen. Fermenterede produkter anvendes i fødevarer og generelle industri. Kemikalier, såsom eddikesyre, citronsyre og ethanol fremstillet ved gæring. Fermenteringen sats er påvirket af koncentrationen af ​​mikroorganismer, celler, cellulære bestanddele og enzymer samt temperatur og pH. Til aerob fermentering, oxygen er en nøglefaktor også. Næsten alle kommercielt producerede enzymer, såsom lipase, invertase og osteløbe, fremstilles ved fermentering med genetisk modificerede mikroorganismer.
 
Generelt kan fermenteringer opdeles i fire procestyper / trin:

• Produktion af biomasse (levedygtige cellemateriale)
• Produktion af ekstracellulære metabolitter (kemiske forbindelser)
• Produktion af intracellulære komponenter (enzymer og andre proteiner)
• Transformation af substrat (hvor den transformerede substrat selv er produktet)

Sonikering før, under og efter fermentering

Sonikering, anvendelse af lavfrekvente ultralydbølger, kan anvendes før, under og efter gæring på forskellige måder og på forskellige stadier af fermenteringsprocessen.

Ultralyd præ-fermentering behandling – Forbedring af biomasse Tilgængelighed

1. Forbedret masseoverførsel: Sonikering som forbehandling bruges til at fremme masseoverførsel og gøre substratet mere tilgængeligt for mikrober. Ultralydblanding fremmer masseoverførsel af substrater til og produkter væk fra de mikrobielle celler. Ultralydintensering af masseoverførsel kan anvendes som forbehandling samt under gæring.
2. Celleforstyrrelse: Sonikering kan anvendes til at forstyrre cellevægge og membraner, især i mikrobielle eller gærkulturer. Dette hjælper med at frigive intracellulære komponenter, såsom enzymer eller metabolitter, som kan forbedre fermenteringsydelsen eller lette downstream-processer.
3. Ekstraktion af intracellulære forbindelser: Sonikering kan hjælpe med udvinding af intracellulære forbindelser fra biologiske materialer før gæring. Dette omfatter ekstraktion af enzymer, proteiner, nukleinsyrer eller andre målforbindelser fra celler, væv eller plantematerialer til efterfølgende anvendelse i fermenteringsprocesser.

For eksempel blev ultralydsforbehandling af risskrog brugt til at forbedre enzymatisk hydrolyse til xylooligosaccharider produktion af Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Ved sonikering blev produktionen af cellulolytiske og xylanolytiske enzymer fra risskroget signifikant forbedret. Hemicelluloseudbyttet blev øget til 1,4 gange under sonikering, og produktionstiden blev stærkt forkortet fra 24 timer til 1,5 timer ved 80 ° C – med yderligere potentiale af procesoptimering. Det sonikerede biomasse er meget lettere konvertibel for svampene, således at stabiliteten af ​​enzymaktiviteten er forlænget og aktiviteten af ​​CMCase, b-glucosidase og xylanase er øget i forhold til den ikke-lydbehandlet risskaller. De endelige fermentative produkter var xylotetraose, xylohexaose, og højere molekylvægt xylooligosaccharider. Den xylohexaose udbytte ud fra sonikeret risskaller var 80% højere.

Ultralydassisteret gæring – Stimulering af mikroorganismer

• Blanding og homogenisering: Sonikering kan bruges som en blandingsteknik under gæring. Anvendelsen af ultralydbølger hjælper med at skabe mikrostreaming og fremmer homogenitet, hvilket sikrer ensartet fordeling af næringsstoffer, gasser og mikroorganismer i fermenteringsbeholderen.
• Forbedring af masseoverførsel: Relateret til forbedret blanding og homogenisering er de ultralyd forbedrede masseoverførselshastigheder under gæring. Ultralydoscillation og kavitation skaber lokaliseret turbulens og forbedrer diffusionen af substrater, gasser og næringsstoffer i fermenteringsbuljongen. Dette kan forbedre den samlede effektivitet og produktivitet af fermenteringsprocessen.
• Forbedring af cellelevedygtighed og metabolisk aktivitet: Sonikering kan anvendes på mikrobielle kulturer under gæring for at forbedre cellelevedygtighed og metabolisk aktivitet. Mild sonikering kan stimulere visse mikroorganismer, fremme vækst, biomasseproduktion og syntese af ønskede metabolitter eller fermenteringsprodukter.

Nøjagtigt styrbar og gentagelig lydbehandling hjælper til at forbedre produktiviteten af ​​forskellige gæringsprocesser uden at beskadige celler. Sonication intensitet kan nøjagtigt tilpasses de specifikke celle-arter og dens krav. Ved styret sonikering er cellen vækst og metabolisme positivt påvirket og omdannelserne katalyseret af levende celler er væsentligt forbedret, f.eks stimulerende bifidobakterier i mælk.
For nogle fungale-drevet fermenteringsprocesser er lydbehandling med held anvendes til at modificere vækstmorfologi og bouillon rheologi uden at påvirke vækst og udbytte af filamentøse svampe.

Ultralyd eftergæring behandling

• Cellehøst og separation: Sonikering kan hjælpe med cellehøst og adskillelse efter gæring. Det kan hjælpe med at bryde celleaggregater, flokkuleringsmidler eller biofilm, hvilket letter frigivelsen af celler fra fermenteringsbouillonen. Dette forenkler efterfølgende downstream-processer, såsom cellegenvinding eller produktrensning.
• Ekstraktion af intracellulære produkter: Efter fermentering kan sonikering anvendes til at ekstrahere intracellulære produkter, såsom enzymer, proteiner eller sekundære metabolitter, fra mikrobiel eller cellulær biomasse. Denne ekstraktionsproces hjælper med at genvinde værdifulde forbindelser og forbedrer det samlede udbytte af fermenteringsprocessen.
• Celleopløsning til analytiske formål: Sonikering kan anvendes til at forstyrre celler eller mikrobielle prøver efter gæring, især til analytiske formål. Det hjælper med cellelyse og frigivelse af intracellulært indhold, hvilket letter analysen af cellulære komponenter eller udfører nedstrøms assays.

Til produktion af intracellulære komponenter såsom mikrobielle enzymer (f.eks katalase, amylase, protease, pectinase, glucoseisomerase, cellulase, hemicellulase, lipase, lactase, streptokinase) og rekombinante proteiner (f.eks insulin, hepatitis B vaccine, interferon, granulocyt koloni-stimulerende faktor, streptokinase), skal cellerne lyseres / afbrudt efter fermenteringsprocessen for at frigive de ønskede proteiner. Ved lydbehandling udføres ekstraktionen af ​​de intracellulære og ekstracellulære polysaccharid-protein-komplekser fra den viskose mycelial fermenteringsvæske lettes. Ud over sin fremragende ekstraktionsudbytte og effektivitet, lydbehandling er veletableret og pålidelige for cellelyse og udvinding af intracellulære stof.
Klik her for at læse mor om ultralyd lyse og udvinding!

Ultralydbioreaktorer til forbedrede fermenteringsprocesser

Hielscher Ultrasonics har lang tid erfaring med ultralydstimulerede bioprocesser såsom cellestimulering, gæring, celleforstyrrelser og ekstraktion. Vi tilbyder forskellige standard ultralydreaktorer af forskellige størrelser og geometrier til sonikering i batch og gennemstrømningstilstand. Alternativt tilbyder vi skræddersyede løsninger til integration i din eksisterende bioreaktor. Da vores ultralydsprocessorer er meget alsidige og kun kræver lille plads, kan eftermontering i eksisterende bioteknologiske anlæg realiseres uden problemer.
Læs mere om ultralydreaktortyper, design og applikationer her!
Tabellen nedenfor angiver generel enhed anbefalinger afhængigt batchvolumenet eller flowhastigheden skal behandles. Klik på den type enhed for at få mere information om hver enkelt enhed.

Litteratur / Referencer