Hielscher – Ultraschall-Technologie

Ultraschallbioreaktoren für die Fermentation

  • Ultraschall ist ein wirksames Mittel, um Mikroorganismen durch mechanische Vibrationen und Kavitation zu stimulieren.
  • In einem Sonobioreaktor / Ultraschallfermenter wird die Ultraschallbehandlung von Zellen und Gewebe hochgradig steuerbar, da die Umgebungsfaktoren genau bestimmt werden können.
  • Mit Ultraschallbioreaktoren kann die Fermentationsleistung deutlich gesteigert werden.

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. Sowohl Mikroorganismen als auch Säugetierzellen gedeihen nur unter bestimmten Bedingungen. Die richtigen Bedingungen in Kombination mit der Ultraschallstimulation können die Ausbeute der Fermentation maximieren.

Ultraschallstimulation von Mikroorganismen

Die Fermentation ist ein Stoffwechselprozess, der Zucker in Säuren, Gase oder Alkohol umwandelt. Sie tritt in Hefen und Bakterien auf, aber auch in sauerstoffarmen Muskelzellen, wie bei der Milchsäuregärung. Die Fermentation wird auch weiter gefasst, um das Massenwachstum von Mikroorganismen auf einem Wachstumsmedium zu beschreiben, oft mit dem Ziel, ein bestimmtes chemisches Produkt herzustellen.
Der Fermentationsprozess wird im industriellen Maßstab mit Mikroorganismen wie Bakterien und Pilzen für die Fermentation durchgeführt. Fermentierte Produkte werden in der Lebensmittel- und allgemeinen Industrie eingesetzt. Chemikalien wie Essigsäure, Zitronensäure und Ethanol werden durch Fermentation hergestellt. Die Fermentationsrate wird durch die Konzentration von Mikroorganismen, Zellen, Zellkomponenten und Enzymen sowie durch Temperatur und pH-Wert beeinflusst. Für die aerobe Fermentation ist auch der Sauerstoff ein Schlüsselfaktor. Fast alle kommerziell hergestellten Enzyme wie Lipase, Invertase und Lab werden durch Fermentation mit gentechnisch veränderten Mikroben hergestellt.
Im Allgemeinen können Fermentationen in vier Arten eingeteilt werden:

  • Herstellung von Biomasse (lebensfähiges Zellmaterial)
  • Herstellung von extrazellulären Metaboliten (chemische Verbindungen)
  • Produktion von intrazellulären Komponenten (Enzyme und andere Proteine)
  • Transformation des Substrats (wobei das transformierte Substrat selbst das Produkt ist)

Sondierung vor, während und nach der Fermentation

Ultraschallvorbehandlung – Verbesserung der Verfügbarkeit von Biomasse

Ultraschallvorbehandlung des Reishülsens zur Verbesserung der enzymatischen Hydrolyse von Xylooligosacchariden (XOs) durch Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Durch die Sondierung wurde die Produktion von cellulolytischen und xylanolytischen Enzymen aus der Reishülle deutlich verbessert. Die Hemicellulose-Ausbeute wurde unter Ultraschall auf das 1,4-fache gesteigert und die Produktionszeit von 24 h auf 1,5 h bei 80ºC stark verkürzt. – mit weiterem Potenzial zur Prozessoptimierung. Die beschallte Biomasse ist für die Pilze viel einfacher umsetzbar, so dass die Stabilität der Enzymaktivität verlängert und die Aktivität von CMCase, b-Glukosidase und Xylanase im Vergleich zum nicht beschalltem Reishügel erhöht wird. Die endgültigen fermentativen Produkte waren Xylotetraose, Xylohexaose und Xylooligosaccharide mit höherem Molekulargewicht. Die Xylohexaose-Ausbeute aus dem beschallten Reishügel war um 80% höher.

Ultraschallgärung – Stimulation von Mikroben

Die präzise steuerbare und wiederholbare Ultraschalluntersuchung trägt dazu bei, die Produktivität verschiedener Fermentationsprozesse zu verbessern, ohne die Zellen zu schädigen. Die Ultraschallintensität kann exakt an die spezifische Zellart und deren Anforderungen angepasst werden. Durch kontrollierte Sondierung wird das Zellwachstum und der Stoffwechsel positiv beeinflusst und die von lebenden Zellen katalysierten Umwandlungen werden deutlich verbessert, z.B. die Stimulierung von Bifidobakterien in der Milch.
Bei einigen pilzgetriebenen Fermentationsprozessen wird die Sondierung erfolgreich eingesetzt, um die Wachstumsmorphologie und die Brühe-Rheologie zu modifizieren, ohne die Wachstumsrate und den Ertrag von filamentösen Pilzen zu beeinträchtigen.

Ultraschall-Nachbehandlung – Extraktion

Zur Herstellung von intrazellulären Komponenten wie mikrobiellen Enzymen (z.B. Katalase, Amylase, Protease, Pektinase, Glukoseinsomerase, Cellulase, Hemicellulase, Lipase, Laktase, Streptokinase) und rekombinanten Proteinen (z.B.g. Insulin, Hepatitis-B-Impfstoff, Interferon, Granulozyten-Kolonie-stimulierender Faktor, Streptokinase), müssen die Zellen nach dem Fermentationsprozess lysiert / gestört werden, um die gewünschten Proteine freizusetzen. Durch die Sondierung wird die Extraktion der intrazellulären und extrazellulären Polysaccharid-Proteinkomplexe aus der viskosen myzelialen Fermentationsbrühe erleichtert. Neben der hervorragenden Extraktionsausbeute und Effizienz ist die Sondierung für die Zelllyse und die Extraktion von intrazellulärem Material etabliert und zuverlässig.
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Ultraschallbioreaktoren

Hielscher Ultrasonics verfügt über langjährige Erfahrung mit ultraschallangeregten Prozessen. Wir bieten vielfältige Ultraschallreaktoren in verschiedenen Größen und Geometrien an. Alternativ bieten wir Ihnen maßgeschneiderte Lösungen für die Integration in Ihren bestehenden Bioreaktor. Da unsere Ultraschallprozessoren sehr vielseitig einsetzbar sind und nur wenig Platz benötigen, ist die Nachrüstung in bestehende biotechnologische Anlagen problemlos möglich.
Die folgende Tabelle zeigt allgemeine Geräteempfehlungen in Abhängigkeit vom zu verarbeitenden Chargenvolumen oder Durchfluss. Klicken Sie auf den Gerätetyp, um weitere Informationen zu den einzelnen Geräten zu erhalten.

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
0,5 bis 1,5 ml n.a. VialTweeter
1 bis 500ml 10 bis 200ml/min UP100H
10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400S
0.1 bis 20l 0.2 bis 4l/min UIP1000hdT, UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000
Ultraschallbatchprozesse sorgen für schnelles Mischen mit hoher Geschwindigkeit.

Sondierung von Biomasse

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Die Ultraschallbestrahlung fördert die Extraktion von Wirkstoffen aus Safran.

Ultraschallgerät UIP1000hd für die Extraktion

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Literatur