Hielscher – Ultraschall-Technologie

Ultraschall-Bioreaktoren für Fermentation

  • Ultrasonics ist ein wirksames Mittel, um Mikroorganismen durch mechanische Schwingungen und Kavitation zu stimulieren.
  • In einem sonobioreactor / Ultraschall-Fermenter, die Ultraschall-Behandlung von Zellen und Geweben wird in hohem Maße steuerbar, da die Umweltfaktoren können genau bestimmt werden.
  • Mit Ultraschall-Bioreaktoren kann der Fermentationsaustrag deutlich verbessert werden.

Fermentation

Die Effizienz der Fermentierung, hängt von den Verfahrensbedingungen: Nährstoffe, die Dichte des Mediums, der Temperatur, Sauerstoff- / Gasgehalt und Druck sind wichtige Faktoren, die die mikrobielle Aktivität beeinflussen. Mikroorganismen sowie Säugetierzellen gedeihen nur unter bestimmten Bedingungen. Die richtigen Bedingungen mit Ultraschallstimulation kombiniert kann die Ausbeute an Fermentations maximieren.

Ultraschall-Stimulation 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.
Fermentationsverfahren sind im industriellen Maßstab unter Verwendung von Mikroorganismen wie Bakterien und Pilze für die Fermentation durchgeführt wird. Fermentierte Produkte werden in der Lebensmittel- und allgemeine Industrie. 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 aerobe Fermentation ist Sauerstoff ein wichtiger Faktor zu. Nahezu alle kommerziell hergestellten Enzyme, wie Lipase, Invertase und Lab, werden durch Fermentation mit gentechnisch veränderten Mikroorganismen hergestellt.
Im Allgemeinen können Gärungen in vier Typen eingeteilt werden:

  • Die Produktion von Biomasse (tragfähige Zellmaterial)
  • Die Produktion von extrazellulären Metaboliten (chemische Verbindungen)
  • Produktion von intrazellulären Komponenten (Enzyme und andere Proteine)
  • Transformation des Substrats (in der der transformierte Substrat selbst das Produkt)

Ultraschall-Behandlung vor, während und nach der Gärung

Ultraschall-Vorbehandlung – Verbesserung der Verfügbarkeit von Biomasse

Ultraschall-Vorbehandlung von Reis Rumpf zu verbessern enzymatische Hydrolyse für Xylooligosacchariden (XOs) Produktion von Aspergillus japonicus (var. Japonicus CY6-1). Durch Beschallung wurde die Produktion von cellulolytischen und xylanolytische Enzyme aus dem Reis Rumpf deutlich verbessert. Die Hemicellulose Ausbeute wurde erhöht auf 1,4-fach unter Beschallung und Produktionszeit wurde von 24 h bis 1,5 h bei 80 ° C stark verkürzt – mit weiterem Potenzial der Prozessoptimierung. Die beschallte Biomasse sind viel einfacher, umwandelbar für die Pilze, so dass die Stabilität der Enzymaktivität verlängert wird und die Aktivität der CMCase, b-Glucosidase, und Xylanase, im Vergleich zu den nicht-beschallten Reishüllen erhöht. Die endgültigen fermentative Produkte waren xylotetraose, xylohexaose und höheres Molekulargewicht Xylooligosacchariden. Die xylohexaose Ausbeute aus dem beschallt Reis Rumpf war 80% höher.

Ultraschall-Fermentation – Die Stimulation der Mikroben

Präzise kontrollierbare und wiederholbare Beschallung hilft ohne schädliche Zellen, die Produktivität der verschiedenen Fermentationsprozesse zu verbessern. Die Beschallungsintensität kann exakt auf die spezifischen Zellart angepasst und deren Anforderungen. Durch gezielte Beschallung wird das Zellwachstum und den Stoffwechsel positiv beeinflusst und die von lebenden Zellen katalysierte Umwandlungen signifikant verbessert wird, beispielsweise Bifidobakterien in der Milch zu stimulieren.
Für einige Pilz angetriebene Fermentationsverfahren wird Beschallen mit Erfolg zu modifizieren Wachstumsmorphologie und Brühe Rheologie ohne Wachstum zu beeinflussen Rate und Ausbeute von filamentösen Pilzen verwendet.

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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Ultraschall-Bioreaktoren

Hielscher Ultrasonics hat langjährige Erfahrung mit ultraschallgesteuerten Prozessen. Wir bieten vielfältige Ultraschallreaktoren in verschiedenen Größen und Geometrien. Alternativ bieten wir maßgeschneiderte Lösungen für die Integration in Ihren bestehenden Bioreaktor. Da unsere Ultraschallprozessoren sehr vielseitig sind und nur wenig Platz benötigen, kann eine Nachrüstung in bestehende biotechnologische Anlagen problemlos realisiert werden.
Die folgende Tabelle zeigt allgemeine Geräteempfehlungen in Abhängigkeit von dem zu verarbeitenden Chargenvolumen oder der Durchflussrate. Klicken Sie auf den Gerätetyp, um weitere Informationen zu jedem Gerät 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
Ultraschall-Batch-Verfahren bietet eine hohe Geschwindigkeit Misch

Beschallung von Biomasse

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Ultraschallbestrahlung fördert die Extraktion von Wirkstoffen aus Safran

Ultraschallgerät zur Extraktion UIP1000hd

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Literatur