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 Fermentierung hängt von folgenden prozessbeinflussenden Faktoren ab: die Nährstoffe, Dichte des Mediums, Temperatur, Sauerstoff- / Gasgehalt und Druck sind wichtige Faktoren, welche die mikrobielle Aktivität bestimmen. Mikroorganismen sowie Säugetierzellen gedeihen nur unter bestimmten Bedingungen. Werden die richtigen Bedingungen mit Ultraschallstimulation kombiniert, lässt sich dadurch der Fermentationsertrag 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.
Im Allgemeinen kann die Fermentation in vier Typen unterteilt werden:

• 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

Ultraschall-Vorbehandlung – Verbesserung der Verfügbarkeit von Biomasse

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.
Beispielsweise wurde die Ultraschall-Vorbehandlung von Reishülsen eingesetzt, um die enzymatische Hydrolyse für die Produktion von Xylooligosacchariden (XOs) durch Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1) zu verbessern. Durch die Ultraschallbehandlung wurde die Produktion von zellulolytischen und xylanolytischen Enzymen aus den Reishülsen signifikant gesteigert. Die Hemizelluloseausbeute wurde unter Beschallung auf das 1,4-fache erhöht, und die Produktionszeit wurde von 24 h auf 1,5 h bei 80 ºC stark 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-Fermentation – Stimulation der Mikroben

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.

Ultraschall-Nachbehandlung – Extraktion

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.
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