Ultralydsbioreaktorer til gæring

Ultralyd er et effektivt middel til at stimulere mikroorganismer ved mekaniske vibrationer og kavitation. I en sonobioreaktor / ultralydsfermentor bliver ultralydsbehandlingen af celler og væv meget kontrollerbar, da miljøfaktorerne kan bestemmes nøjagtigt. Med ultralydsbioreaktorer kan gæringsoutputtet forbedres betydeligt.

gæring

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

Ultralydsstimulering af mikroorganismer

Fermentering er en metabolisk proces, der omdanner sukker til syrer, gasser eller alkohol. Det forekommer i gær og bakterier og også i iltsultne muskelceller, som i tilfælde af mælkesyregæring. Fermentering bruges også mere bredt til at henvise til bulkvækst af mikroorganismer på et vækstmedium, ofte med det formål at producere et specifikt kemisk produkt.
Fermenteringsprocessen udføres i industriel skala ved hjælp af mikroorganismer som bakterier og svampe til gæringen. Fermenterede produkter bruges i fødevareindustrien og den generelle industri. Kemikalier, såsom eddikesyre, citronsyre og ethanol fremstilles ved gæring. Fermenteringshastigheden påvirkes af koncentrationen af mikroorganismer, celler, cellulære komponenter og enzymer samt temperatur og pH. For aerob gæring er ilt også en nøglefaktor. Næsten alle kommercielt fremstillede enzymer, såsom lipase, invertase og osteløbe, fremstilles ved fermentering med genetisk modificerede mikrober.

• Produktion af biomasse (levedygtigt cellemateriale)
• Produktion af ekstracellulære metabolitter (kemiske forbindelser)
• Produktion af intracellulære komponenter (enzymer og andre proteiner)
• Transformation af substrat (hvor det omdannede substrat i sig selv er produktet)

Sonikering før, under og efter gæring

Sonication, anvendelse af lavfrekvente ultralydsbølger, kan bruges før, under og efter gæring på forskellige måder og på forskellige stadier af gæringsprocessen.

Ultralyd præ-fermentering behandling – Forbedring af tilgængeligheden af biomasse

1. Forbedret masseoverførsel: Sonikering som forbehandling bruges til at fremme masseoverførsel og gøre substratet mere tilgængeligt for mikroberne. Ultralydsblanding fremmer masseoverførsel af substrater til og produkter væk fra de mikrobielle celler. Ultralydsintensivering af masseoverførsel kan anvendes som forbehandling såvel som under gæring.
2. Celle afbrydelse: 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 ekstraktion af intracellulære forbindelser fra biologiske materialer før gæring. Dette omfatter udvinding af enzymer, proteiner, nukleinsyrer eller andre målforbindelser fra celler, væv eller plantematerialer til efterfølgende brug 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 risskallen 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 for procesoptimering. Den sonikerede biomasse er meget lettere konvertibel for svampene, så stabiliteten af enzymaktivitet udvides, og aktiviteten af CMCase, b-glucosidase og xylanase øges i forhold til det ikke-sonikerede risskrog. De endelige fermenteringsprodukter var xylotetraose, xylohexaose og xylooligosaccharider med højere molekylvægt. Xylohexaoseudbyttet fra den sonikerede risskrog var 80% højere.

Ultralydassisteret gæring – Stimulering af mikrober

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

Præcist kontrollerbar og repeterbar sonikering hjælper med at forbedre produktiviteten af forskellige gæringsprocesser uden at beskadige celler. Sonikeringsintensiteten kan tilpasses nøjagtigt til den specifikke celleart og dens krav. Ved kontrolleret sonikering påvirkes cellevæksten og metabolismen positivt, og konverteringerne katalyseret af levende celler forbedres betydeligt, f.eks. Stimulering af bifidobakterier i mælk.
For nogle svampedrevne gæringsprocesser bruges sonikering med succes til at ændre vækstmorfologi og bouillonreologi uden at påvirke væksthastighed og udbytte af filamentøse svampe.

Ultralyd efter fermentering

• Cellehøst og adskillelse: 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 gæringsbouillonen. Dette forenkler efterfølgende downstream-processer, såsom cellegenvinding eller produktrensning.
• Udvinding af intracellulære produkter: Efter gæring kan sonikering bruges 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 gæringsprocessen.
• 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 downstream-analyser.

Til produktion af intracellulære komponenter såsom mikrobielle enzymer (f.eks. katalase, amylase, protease, pektinase, glucoseisomerase, cellulase, hemicellulase, lipase, lactase, streptokinase) og rekombinante proteiner (f.eks. insulin, hepatitis B-vaccine, interferon, granulocytkolonistimulerende faktor, streptokinase) skal cellerne lyseres / forstyrres efter gæringsprocessen for at frigive de ønskede proteiner. Ved sonikering lettes ekstraktionen af de intracellulære og ekstracellulære polysaccharid-proteinkomplekser fra den tyktflydende mycel fermenteringsbuljong. Udover dets enestående ekstraktionsudbytte og effektivitet er sonikering veletableret og pålidelig til cellelyse og ekstraktion af intracellulært stof.
Klik her for at læse mere om ultralydslysering og ekstraktion!

Ultralydsbioreaktorer til forbedrede fermenteringsprocesser

Hielscher Ultrasonics har lang erfaring med ultralydstimulerede bioprocesser såsom cellestimulering, fermentering, celleforstyrrelse og ekstraktion. Vi tilbyder forskellige standard ultralydsreaktorer i 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 lidt plads, kan eftermontering i eksisterende bioteknologiske anlæg realiseres uden problemer.
Læs mere om ultralydsreaktortyper, design og anvendelser her!
Tabellen nedenfor angiver generelle enhedsanbefalinger afhængigt af batchvolumen eller flowhastighed, der skal behandles. Klik på enhedstypen for at få flere oplysninger om hver enhed.

Litteratur/Referencer