Ultralydsbioreaktorer til fermentering

Ultralyd er et effektivt middel til at stimulere mikroorganismer gennem mekaniske vibrationer og kavitation. I en sonobioreaktor / ultralydsfermentor kan ultralydsbehandlingen af celler og væv styres med høj præcision, da miljøfaktorerne kan fastlægges nøjagtigt. Med ultralydsbioreaktorer kan fermenteringsudbyttet øges betydeligt.

Fermentering

Fermenteringens effektivitet 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 bestemte betingelser. De rette betingelser kombineret med ultralydsstimulering kan maksimere fermenteringsudbyttet.

Ultralydsstimulering af mikroorganismer

Fermentering er en metabolisk proces, der omdanner sukker til syrer, gasser eller alkohol. Den forekommer hos gær og bakterier og også i muskelceller med iltmangel, som ved mælkesyrefermentering. Fermentering bruges også i en bredere betydning om dyrkning af mikroorganismer i store mængder på et vækstmedium, ofte med det formål at fremstille et bestemt kemisk produkt.
Fermenteringsprocesser udføres i industriel skala ved hjælp af mikroorganismer såsom bakterier og svampe til fermenteringen. Fermenterede produkter anvendes i fødevareindustrien og industrien generelt. Kemikalier såsom eddikesyre, citronsyre og ethanol fremstilles ved fermentering. Fermenteringshastigheden påvirkes af koncentrationen af mikroorganismer, celler, cellekomponenter og enzymer samt af temperatur og pH. Ved aerob fermentering er ilt også en afgørende faktor. 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)
• Omdannelse af substrat (hvor det omdannede substrat selv er produktet)

Sonikering før, under og efter fermentering

Sonikering, dvs. anvendelse af lavfrekvente ultralydsbølger, kan bruges før, under og efter fermentering på forskellige måder og på forskellige trin i fermenteringsprocessen.

Ultralydsbehandling før fermentering – forbedring af biomassens tilgængelighed

1. Forbedret masseoverførsel: Sonikering som forbehandling bruges til at fremme masseoverførslen og gøre substratet mere tilgængeligt for mikroberne. Ultralydsblanding fremmer masseoverførslen af substrater til og produkter væk fra de mikrobielle celler. Intensivering af masseoverførslen ved hjælp af ultralyd kan anvendes som forbehandling såvel som under fermenteringen.
2. Celledisruption: Sonikering kan anvendes til at nedbryde cellevægge og membraner, især i mikrobielle kulturer eller gærkulturer. Dette hjælper med at frigive intracellulære komponenter såsom enzymer eller metabolitter, hvilket kan forbedre fermenteringens ydeevne eller lette efterfølgende processer.
3. Ekstraktion af intracellulære forbindelser: Sonikering kan understøtte ekstraktionen af intracellulære forbindelser fra biologiske materialer før fermentering. Dette omfatter ekstraktion af enzymer, proteiner, nukleinsyrer eller andre ønskede forbindelser fra celler, væv eller plantematerialer til efterfølgende brug i fermenteringsprocesser.

For eksempel blev ultralydsforbehandling af risskaller anvendt til at forbedre enzymatisk hydrolyse med henblik på produktion af xylooligosakkarider ved hjælp af Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Ved sonikering blev produktionen af cellulolytiske og xylanolytiske enzymer fra risskallerne øget betydeligt. Hemicelluloseudbyttet blev øget til 1,4 gange det oprindelige udbytte under sonikering, og produktionstiden blev kraftigt forkortet fra 24 h til 1,5 h ved 80ºC – med yderligere potentiale for procesoptimering. Den sonikerede biomasse er meget lettere for svampene at omsætte, så enzymaktivitetens stabilitet forlænges, og aktiviteten af CMCase, b-glukosidase og xylanase øges sammenlignet med de ikke-sonikerede risskaller. De endelige fermenteringsprodukter var xylotetraose, xylohexaose og xylooligosakkarider med højere molekylvægt. Udbyttet af xylohexaose fra de sonikerede risskaller var 80% højere.

Ultralydsassisteret fermentering – stimulering af mikrober

• Blanding og homogenisering: Sonikering kan bruges som blandingsteknik under fermentering. Anvendelsen af ultralydsbølger hjælper med at skabe mikrostrømninger og fremmer homogenitet, hvilket sikrer en ensartet fordeling af næringsstoffer, gasser og mikroorganismer i fermenteringsbeholderen.
• Forbedring af masseoverførslen: Den forbedrede blanding og homogenisering hænger sammen med den øgede masseoverførselshastighed under fermentering ved hjælp af ultralyd. Ultralydssvingninger og kavitation skaber lokal turbulens og øger diffusionen af substrater, gasser og næringsstoffer ind i fermenteringsvæsken. Dette kan forbedre fermenteringsprocessens samlede effektivitet og produktivitet.
• Forbedring af cellernes levedygtighed og metaboliske aktivitet: Sonikering kan anvendes på mikrobielle kulturer under fermentering for at forbedre cellernes levedygtighed og metaboliske aktivitet. Mild sonikering kan stimulere bestemte mikroorganismer og dermed fremme vækst, biomasseproduktion og syntese af ønskede metabolitter eller fermenteringsprodukter.

Præcist styrbar og gentagelig sonikering hjælper med at forbedre produktiviteten i forskellige fermenteringsprocesser uden at beskadige cellerne. Sonikeringsintensiteten kan tilpasses nøjagtigt til den specifikke celletype og dens krav. Kontrolleret sonikering påvirker cellevæksten og metabolismen positivt og forbedrer de omdannelser, der katalyseres af levende celler, betydeligt, f.eks. ved at stimulere bifidobakterier i mælk.
I nogle svampedrevne fermenteringsprocesser anvendes sonikering med succes til at ændre vækstmorfologien og fermenteringsvæskens reologi uden at påvirke filamentøse svampes væksthastighed og udbytte.

Ultralydsbehandling efter fermentering

• Cellehøst og separation: Sonikering kan understøtte cellehøst og separation efter fermentering. Den kan hjælpe med at nedbryde celleaggregater, flokkuleringsmidler eller biofilm og dermed lette frigivelsen af celler fra fermenteringsvæsken. Dette forenkler efterfølgende processer såsom genvinding af celler eller produktoprensning.
• Ekstraktion af intracellulære produkter: Efter fermentering kan sonikering bruges til at ekstrahere intracellulære produkter såsom enzymer, proteiner eller sekundære metabolitter fra mikrobiel biomasse eller cellebiomasse. Denne ekstraktionsproces hjælper med at genvinde værdifulde forbindelser og forbedrer fermenteringsprocessens samlede udbytte.
• Celledisintegration til analytiske formål: Sonikering kan anvendes til at nedbryde celler eller mikrobielle prøver efter fermentering, især til analytiske formål. Den understøtter cellelyse og frigivelse af intracellulært indhold og letter dermed analysen af cellekomponenter eller udførelsen af efterfølgende analyseforsøg.

Ved produktion af intracellulære komponenter såsom mikrobielle enzymer (f.eks. katalase, amylase, protease, pektinase, glukoseisomerase, cellulase, hemicellulase, lipase, laktase, streptokinase) og rekombinante proteiner (f.eks. insulin, hepatitis B-vaccine, interferon, granulocytkolonistimulerende faktor, streptokinase) skal cellerne lyseres / nedbrydes efter fermenteringsprocessen for at frigive de ønskede proteiner. Sonikering letter ekstraktionen af de intracellulære og ekstracellulære polysakkarid–protein-komplekser fra den viskøse mycelieholdige fermenteringsvæske. Ud over sit fremragende ekstraktionsudbytte og sin effektivitet er sonikering veletableret og pålidelig til cellelyse og ekstraktion af intracellulært materiale.
Klik her for at læse mere om ultralydslyse og ekstraktion!

Ultralydsbioreaktorer til forbedrede fermenteringsprocesser

Hielscher Ultrasonics har mange års erfaring med ultralydsstimulerede bioprocesser såsom cellestimulering, fermentering, celledisruption og ekstraktion. Vi tilbyder forskellige standardultralydsreaktorer i forskellige størrelser og geometrier til sonikering i batch- og gennemstrømningsdrift. Alternativt tilbyder vi kundetilpassede løsninger til integration i din eksisterende bioreaktor. Da vores ultralydsprocessorer er meget alsidige og kun kræver lidt plads, kan eftermontering i eksisterende bioteknologiske anlæg gennemføres uden problemer.
Læs mere om ultralydsreaktortyper, udformninger og anvendelser her!
Tabellen nedenfor angiver generelle anbefalinger af apparater afhængigt af det batchvolumen eller den volumenstrøm, der skal behandles. Klik på apparattypen for at få flere oplysninger om hvert apparat.

Litteratur/referencer

• 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.