Ultraschallbioreaktoren für die Fermentation

Ultraschall ist ein wirksames Mittel, um Mikroorganismen durch mechanische Schwingungen und Kavitation zu stimulieren. In einem Sonobioreaktor / Ultraschallfermenter lässt sich die Ultraschallbehandlung von Zellen und Gewebe sehr präzise steuern, da die Umgebungsfaktoren genau festgelegt werden können. Mit Ultraschallbioreaktoren lässt sich die Fermentationsausbeute deutlich steigern.

Fermentation

Die Effizienz der Fermentation hängt von den Prozessbedingungen ab: Nährstoffe, Dichte des Mediums, Temperatur, Sauerstoff- / Gasgehalt und Druck sind wichtige Faktoren, die die mikrobielle Aktivität beeinflussen. Mikroorganismen und Säugetierzellen gedeihen nur unter bestimmten Bedingungen. Die richtigen Bedingungen können in Kombination mit einer Ultraschallstimulation die Fermentationsausbeute maximieren.

Ultraschallstimulation von Mikroorganismen

Fermentation ist ein Stoffwechselprozess, bei dem Zucker in Säuren, Gase oder Alkohol umgewandelt wird. Sie findet in Hefen und Bakterien sowie in Muskelzellen bei Sauerstoffmangel statt, etwa bei der Milchsäuregärung. Im weiteren Sinne bezeichnet Fermentation auch die massenhafte Vermehrung von Mikroorganismen auf einem Nährmedium, häufig mit dem Ziel, ein bestimmtes chemisches Produkt herzustellen.
Fermentationsprozesse werden im industriellen Maßstab mithilfe von Mikroorganismen wie Bakterien und Pilzen durchgeführt. Fermentierte Produkte werden in der Lebensmittelindustrie und in anderen Industriezweigen eingesetzt. Chemikalien wie Essigsäure, Zitronensäure und Ethanol werden durch Fermentation hergestellt. Die Fermentationsrate wird durch die Konzentration von Mikroorganismen, Zellen, Zellbestandteilen und Enzymen sowie durch Temperatur und pH-Wert beeinflusst. Bei der aeroben Fermentation ist auch Sauerstoff ein entscheidender Faktor. Nahezu alle kommerziell hergestellten Enzyme wie Lipase, Invertase und Lab werden durch Fermentation mit gentechnisch veränderten Mikroorganismen gewonnen.

• Produktion von Biomasse (lebensfähigem Zellmaterial)
• Produktion extrazellulärer Metaboliten (chemischer Verbindungen)
• Produktion intrazellulärer Bestandteile (Enzyme und andere Proteine)
• Umwandlung von Substrat (wobei das umgewandelte Substrat selbst das Produkt ist)

Ultraschallbehandlung vor, während und nach der Fermentation

Die Beschallung, also die Anwendung niederfrequenter Ultraschallwellen, kann vor, während und nach der Fermentation auf unterschiedliche Weise und in verschiedenen Phasen des Fermentationsprozesses eingesetzt werden.

Ultraschallbehandlung vor der Fermentation – Verbesserung der Verfügbarkeit von Biomasse

1. Verbesserter Stofftransport: Die Ultraschallbehandlung wird als Vorbehandlung eingesetzt, um den Stofftransport zu fördern und das Substrat für die Mikroorganismen besser verfügbar zu machen. Das Mischen mit Ultraschall fördert den Transport von Substraten zu den mikrobiellen Zellen und den Abtransport von Produkten aus deren Umgebung. Die Intensivierung des Stofftransports durch Ultraschall kann sowohl als Vorbehandlung als auch während der Fermentation erfolgen.
2. Zellaufschluss: Die Ultraschallbehandlung kann eingesetzt werden, um Zellwände und Membranen aufzubrechen, insbesondere in Mikroorganismen- oder Hefekulturen. Dies unterstützt die Freisetzung intrazellulärer Bestandteile wie Enzyme oder Metaboliten, was die Fermentationsleistung verbessern oder nachgelagerte Prozesse erleichtern kann.
3. Extraktion intrazellulärer Verbindungen: Die Ultraschallbehandlung kann vor der Fermentation die Extraktion intrazellulärer Verbindungen aus biologischen Materialien unterstützen. Dazu gehört die Extraktion von Enzymen, Proteinen, Nukleinsäuren oder anderen Zielverbindungen aus Zellen, Geweben oder pflanzlichen Materialien zur anschließenden Verwendung in Fermentationsprozessen.

Beispielsweise wurde eine Ultraschallvorbehandlung von Reisspelzen eingesetzt, um die enzymatische Hydrolyse zur Produktion von Xylooligosacchariden durch Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1) zu verbessern. Durch die Beschallung wurde die Produktion cellulolytischer und xylanolytischer Enzyme aus den Reisspelzen deutlich gesteigert. Die Hemicelluloseausbeute erhöhte sich unter Beschallung auf das 1,4-Fache, und die Produktionszeit wurde bei 80ºC von 24 h auf 1,5 h erheblich verkürzt – mit weiterem Potenzial zur Prozessoptimierung. Die beschallte Biomasse lässt sich von den Pilzen wesentlich leichter umsetzen, sodass die Enzymaktivität länger stabil bleibt und die Aktivität von CMCase, b-Glucosidase und Xylanase gegenüber unbehandelten Reisspelzen erhöht ist. Die Endprodukte der Fermentation waren Xylotetraose, Xylohexaose und Xylooligosaccharide mit höherem Molekulargewicht. Die Xylohexaoseausbeute aus den beschallten Reisspelzen war um 80% höher.

Ultraschallunterstützte Fermentation – Stimulation von Mikroorganismen

• Mischen und Homogenisieren: Die Ultraschallbehandlung kann während der Fermentation als Mischverfahren eingesetzt werden. Die Anwendung von Ultraschallwellen trägt zur Erzeugung von Mikroströmungen bei und fördert die Homogenität, wodurch eine gleichmäßige Verteilung von Nährstoffen, Gasen und Mikroorganismen im Fermentationsbehälter gewährleistet wird.
• Verbesserung des Stofftransports: Mit dem verbesserten Mischen und Homogenisieren gehen durch Ultraschall erhöhte Stofftransportraten während der Fermentation einher. Ultraschallschwingungen und Kavitation erzeugen lokale Turbulenzen und verstärken die Diffusion von Substraten, Gasen und Nährstoffen in die Fermentationsbrühe. Dies kann die Gesamteffizienz und Produktivität des Fermentationsprozesses verbessern.
• Verbesserung der Zellviabilität und Stoffwechselaktivität: Mikrobielle Kulturen können während der Fermentation mit Ultraschall behandelt werden, um die Zellviabilität und Stoffwechselaktivität zu erhöhen. Eine milde Beschallung kann bestimmte Mikroorganismen stimulieren und dadurch Wachstum, Biomasseproduktion sowie die Synthese gewünschter Metaboliten oder Fermentationsprodukte fördern.

Eine präzise steuerbare und reproduzierbare Ultraschallbehandlung hilft, die Produktivität verschiedener Fermentationsprozesse zu verbessern, ohne die Zellen zu schädigen. Die Beschallungsintensität lässt sich genau an die jeweilige Zellart und ihre Anforderungen anpassen. Durch kontrollierte Beschallung werden Zellwachstum und Stoffwechsel positiv beeinflusst und die von lebenden Zellen katalysierten Umsetzungen deutlich verbessert, beispielsweise durch die Stimulation von Bifidobakterien in Milch.
Bei einigen durch Pilze vermittelten Fermentationsprozessen wird die Ultraschallbehandlung erfolgreich eingesetzt, um die Wachstumsmorphologie und die Rheologie der Fermentationsbrühe zu verändern, ohne die Wachstumsrate und die Ausbeute der Fadenpilze zu beeinflussen.

Ultraschallbehandlung nach der Fermentation

• Zellernte und Abtrennung: Die Ultraschallbehandlung kann die Zellernte und Abtrennung nach der Fermentation unterstützen. Sie kann dazu beitragen, Zellaggregate, Flockungsmittel oder Biofilme aufzubrechen, und so die Freisetzung von Zellen aus der Fermentationsbrühe erleichtern. Dies vereinfacht nachgelagerte Prozesse wie die Zellgewinnung oder Produktreinigung.
• Extraktion intrazellulärer Produkte: Nach der Fermentation kann die Ultraschallbehandlung eingesetzt werden, um intrazelluläre Produkte wie Enzyme, Proteine oder Sekundärmetaboliten aus mikrobieller oder zellulärer Biomasse zu extrahieren. Dieser Extraktionsprozess hilft, wertvolle Verbindungen zu gewinnen, und verbessert die Gesamtausbeute des Fermentationsprozesses.
• Zellaufschluss für analytische Zwecke: Die Ultraschallbehandlung kann nach der Fermentation zum Aufschluss von Zellen oder mikrobiellen Proben eingesetzt werden, insbesondere für analytische Zwecke. Sie unterstützt die Zelllyse und die Freisetzung intrazellulärer Inhalte und erleichtert dadurch die Analyse von Zellbestandteilen oder die Durchführung nachgelagerter Assays.

Zur Herstellung intrazellulärer Bestandteile wie mikrobieller Enzyme (z. B. Katalase, Amylase, Protease, Pektinase, Glucoseisomerase, Cellulase, Hemicellulase, Lipase, Laktase, Streptokinase) und rekombinanter Proteine (z. B. Insulin, Hepatitis-B-Impfstoff, Interferon, Granulozyten-Kolonie-stimulierender Faktor, Streptokinase) müssen die Zellen nach dem Fermentationsprozess lysiert / aufgeschlossen werden, um die gewünschten Proteine freizusetzen. Die Ultraschallbehandlung erleichtert die Extraktion der intrazellulären und extrazellulären Polysaccharid-Protein-Komplexe aus der viskosen myzelhaltigen Fermentationsbrühe. Neben ihrer herausragenden Extraktionsausbeute und Effizienz ist die Ultraschallbehandlung ein etabliertes und zuverlässiges Verfahren zur Zelllyse und zur Extraktion intrazellulären Materials.
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Ultraschallbioreaktoren für verbesserte Fermentationsprozesse

Hielscher Ultrasonics verfügt über langjährige Erfahrung mit ultraschallstimulierten Bioprozessen wie Zellstimulation, Fermentation, Zellaufschluss und Extraktion. Wir bieten verschiedene Standard-Ultraschallreaktoren unterschiedlicher Größen und Geometrien für die Beschallung im Batch- und Durchflussbetrieb an. Alternativ bieten wir maßgeschneiderte Lösungen zur Integration in Ihren bestehenden Bioreaktor. Da unsere Ultraschallprozessoren sehr vielseitig einsetzbar sind und nur wenig Platz benötigen, lassen sie sich problemlos in bestehende biotechnologische Anlagen nachrüsten.
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Die folgende Tabelle enthält allgemeine Geräteempfehlungen in Abhängigkeit vom zu verarbeitenden Chargenvolumen oder Volumenstrom. Klicken Sie auf den Gerätetyp, um weitere Informationen zum jeweiligen Gerät zu erhalten.

Literatur/Quellen

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• 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.