Ultraschall-Bioreaktoren für die Fermentation

Ultraschall ist eine wirksame Methode, um Mikroorganismen durch mechanische Vibration und Kavitation zu stimulieren. In einem Sonobioreaktor? Ultraschallfermenter ist die Ultraschallbehandlung von Zellen und Gewebe hochgradig regulierbar, da die prozessbeinflussenden Faktoren genau eingestellt werden können. Mit Ultraschall-Bioreaktoren kann der Fermentationsertrag 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. Mikroorganismen wie auch Säugetierzellen gedeihen nur unter bestimmten Bedingungen. Die richtigen Bedingungen in Verbindung mit einer Ultraschallstimulation können die Ausbeute der Fermentation maximieren.

Ultraschall-Stimulation von Mikroorganismen

Die Fermentation ist ein Stoffwechselprozess, bei dem Zucker in Säuren, Gase oder Alkohol umwandelt wird. Die Fermentation kommt vor allem in Hefepilzen und Bakterien vor, aber tritt auch auch in Muskelzellen, denen Sauerstoff fehlt, auf (z.B. bei der Milchsäuregärung). Wird die Begriffdefinition "Fermentation" weiter gefasst, umfasst sie auch die Massenkultivierung von Mikroorganismen in einem Wachstumsmedium. In der industriellen Mikrobiologie werden Bakterien häufig im großen Maßstab kultiviert, um ein bestimmtes chemisches Produkt herzustellen.
Bei Fermentationsverfahren im industriellen Maßstab werden Mikroorganismen wie Bakterien und Hefepilze für die Fermentation eingesetzt. Produkte, die durch die Fermentation synthetisiert werden, werden vor allem in der Lebensmittelindustrie, Pharmazie, Chemie sowie in anderen Industriezweigen genutzt. Chemikalien, wie Essigsäure, Zitronensäure und Ethanol werden durch Fermentation hergestellt. Die Fermentationsrate wird durch die Konzentration von Mikroorganismen, Zellen, Zellkomponenten und Enzymen sowie Temperatur und pH-Wert beeinflusst. Für die aerobe Fermentation ist Sauerstoff ebenfalls ein wichtiger Faktor. Nahezu alle kommerziell hergestellten Enzyme, wie z.B. Lipase, Invertase und Lab, werden durch Fermentation mit gentechnisch veränderten Mikroorganismen produziert.

• Die Produktion von Biomasse (keimfähige Zellen)
• Die Produktion von extrazellulären Metaboliten (chemische Verbindungen)
• Produktion von intrazellulären Komponenten (Enzyme und andere Proteine)
• Transformation des Substrats (dabei ist das umgewandelte Substrat dann das Produkt)

Beschallung vor, während und nach der Gärung

Die Beschallung, d. h. die Anwendung von Niederfrequenz-Ultraschallwellen, kann vor, während und nach der Gärung auf verschiedene Weise und in unterschiedlichen Stadien des Gärungsprozesses eingesetzt werden.

Ultraschallbehandlung vor der Gärung – Verbesserung der Verfügbarkeit von Biomasse

1. Verbesserter Stoffaustausch: Die Beschallung als Vorbehandlung wird eingesetzt, um den Stoffaustausch zu fördern und das Substrat für die Mikroben besser verfügbar zu machen. Das Ultraschall-gestützte Mischen fördert den Massentransfer. Dabei wird das Substrat zu den mikrobiellen Zellen transportiert und das Produkt von den mikrobiellen Zellen wegbewegt. Die Intensivierung des Massentransfers durch Ultraschall kann sowohl als Vorbehandlung als auch während der Fermentation angewendet werden.
2. Zellaufschluss: Die Ultraschallbehandlung kann eingesetzt werden, um Zellwände und Membranen zu zerstören, insbesondere bei Mikroben- oder Hefekulturen. Dadurch werden intrazelluläre Bestandteile wie Enzyme oder Stoffwechselprodukte freigesetzt, die die Fermentationsleistung verbessern oder nachgeschaltete Prozesse erleichtern können.
3. Extraktion von intrazellulären Verbindungen: Die Beschallung kann bei der Extraktion von intrazellulären Verbindungen aus biologischem Material vor der Fermentation helfen. Dazu gehört die Extraktion von Enzymen, Proteinen, Nukleinsäuren oder anderen Zielverbindungen aus Zellen, Geweben oder pflanzlichen Materialien zur späteren Verwendung in Fermentationsprozessen.

So wurde beispielsweise die Ultraschall-Vorbehandlung von Reishüllen zur Steigerung der enzymatischen Hydrolyse für die Produktion von Xylooligosacchariden durch Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1) eingesetzt. Durch Beschallung wurde die Produktion von zellulolytischen und xylanolytischen Enzymen aus der Reishülle erheblich gesteigert. Die Ausbeute an Hemicellulose wurde durch die Sonikation um das 1,4-fache erhöht und die Produktionszeit bei 80ºC von 24 Stunden auf 1,5 Stunden verkürzt. – wobei der Prozess weiteres Potenzial der Prozessoptimierung birgt. Die beschallte Biomasse ist für die Pilze viel einfacher verfügbar und umwandelbar, so dass die Stabilität der Enzymaktivität verlängert wird. Die Aktivität der Enzyme CMCase, b-Glucosidase und Xylanase war im Vergleich zu den nicht-beschallten Reishülsen erhöht. Die fermentativen Endprodukte waren Xylotetraose, Xylohexaose und Xylooligosaccharide mit einem höheren Molekulargewicht. Die Xylohexaose-Ausbeute aus den beschallten Reishülsen war 80% höher.

Ultraschall-unterstützte Fermentation – Stimulation der Mikroben

• Mischen und Homogenisieren: Die Beschallung kann als Mischtechnik während der Fermentierung 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 Stoffaustauschs: Mit der verbesserten Durchmischung und Homogenisierung verbunden sind die durch Ultraschall verbesserten Stoffübertragungsraten während der Fermentation. Ultraschallschwingungen und Kavitation erzeugen lokale Turbulenzen und verbessern die Diffusion von Substraten, Gasen und Nährstoffen in die Fermentationsbrühe. Dies kann die Gesamteffizienz und Produktivität des Fermentationsprozesses verbessern.
• Verbesserung der Lebensfähigkeit der Zellen und der Stoffwechselaktivität: Mikrobenkulturen können während der Fermentation mit Ultraschall behandelt werden, um die Lebensfähigkeit der Zellen und die Stoffwechselaktivität zu verbessern. Eine milde Beschallung kann bestimmte Mikroorganismen stimulieren und das Wachstum, die Biomasseproduktion und die Synthese gewünschter Stoffwechselprodukte oder Fermentationsprodukte fördern.

Präzise kontrollierbare und wiederholbare Beschallung verbessert die Produktivität verschiedener Fermentationsprozesse ohne die lebenden Zellen zu beeinträchtigen oder schädigen. Die Beschallungsintensität kann exakt auf die spezifischen Zellart und deren Anforderungen angepasst werden. Durch gezielte Beschallung wird das Zellwachstum und der Metabolismus positiv beeinflusst. Dadurch wird die Umwandlung, welche durch die lebenden Zellen katalysiert wird, signifikant verbessert. Ultraschall wird beispielsweise eingesetzt, um das Wachstum von Bifidobakterien in Milch zu stimulieren.
Zum Beispiel wird für einige Fermentationsverfahren, welche auf dem Einsatz von Hefepilzen basieren, Ultraschall erfolgreich genutzt, um die Wachstumsmorphologie und Rheologie der Zellsuspension zu modifizieren ohne die Wachstumsrate und Ausbeute der filamentösen Pilze zu beeinträchtigen.

Ultraschallbehandlung nach der Gärung

• Zellernte und -trennung: Die Sonikation kann die Zellernte und -trennung nach der Fermentation unterstützen. Sie kann dabei helfen, Zellaggregate, Flockungsmittel oder Biofilme aufzubrechen, was die Freisetzung der Zellen aus der Fermentationsbrühe erleichtert. Dies vereinfacht nachfolgende Prozesse, wie die Zellrückgewinnung oder die Produktaufbereitung.
• Extraktion von intrazellulären Produkten: Nach der Fermentation können durch Beschallung intrazelluläre Produkte wie Enzyme, Proteine oder Sekundärmetaboliten aus der mikrobiellen oder zellulären Biomasse extrahiert werden. Dieser Extraktionsprozess trägt zur Rückgewinnung wertvoller Verbindungen bei und verbessert die Gesamtausbeute des Fermentationsprozesses.
• Zellaufschluss zu analytischen Zwecken: Die Ultraschallbehandlung kann zum Aufbrechen von Zellen oder mikrobiellen Proben nach der Fermentation eingesetzt werden, insbesondere für analytische Zwecke. Sie hilft bei der Zelllyse und der Freisetzung intrazellulärer Inhalte, was die Analyse der Zellbestandteile oder die Durchführung nachgeschalteter Tests erleichtert.

Zur Herstellung intrazellulärer Komponenten wie mikrobiellen Enzymen (z.B. Katalase, Amylase, Protease, Pektinase, Glukoseinsomerase, Cellulase, Hemicellulase, Lipase, Laktase, Streptokinase) und rekombinanten Proteinen (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. Durch Ultraschall wird die Extraktion der intrazellulären und extrazellulären Polysaccharid-Proteinkomplexe aus der viskosen myzelialen Fermentationsbrühe erleichtert. Durch ihre hervorragenden Extraktionsausbeute und Effizienz hat sich die Beschallung für die Zelllyse und die Extraktion als äußerst zuverlässige Methode etabliert.
Klicken Sie hier, um mehr über die ultraschall-gestützte Lyse und Extraktion zu erfahren!

Ultraschall-Bioreaktoren für verbesserte Fermentationsprozesse

Hielscher Ultrasonics verfügt über langjährige Erfahrung mit ultraschallstimulierten Bioprozessen wie Zellstimulation, Fermentation, Zellaufschluss und Extraktion. Wir bieten verschiedene Standard-Ultraschallreaktoren in unterschiedlichen Größen und Geometrien für die Beschallung im Batch- und Flow-Through-Modus an. Alternativ bieten wir auch kundenspezifische Lösungen für die Integration in Ihren bestehenden Bioreaktor an. Da unsere Ultraschallprozessoren sehr vielseitig sind und nur wenig Platz benötigen, ist eine Nachrüstung in bestehende biotechnologische Anlagen problemlos möglich.
Lesen Sie hier mehr über Ultraschallreaktortypen, Konstruktionen und Anwendungen!
Die folgende Tabelle zeigt allgemeine Geräteempfehlungen in Abhängigkeit von dem zu verarbeitenden Batch-Volumen bzw. der Durchflussrate. Klicken Sie auf den jeweiligen Gerätetyp, um weitere Informationen zu dem jeweiligen Ultraschallprozessor zu erhalten.

Literatur