Βιοαντιδραστήρες υπερήχων για ζύμωση

Οι υπέρηχοι αποτελούν αποτελεσματικό μέσο για τη διέγερση μικροοργανισμών μέσω μηχανικών δονήσεων και σπηλαίωσης. Σε έναν βιοαντιδραστήρα υπερήχων / ζυμωτήρα υπερήχων, η κατεργασία κυττάρων και ιστών με υπερήχους καθίσταται σε μεγάλο βαθμό ελεγχόμενη, καθώς οι περιβαλλοντικοί παράγοντες μπορούν να προσδιοριστούν με ακρίβεια. Με τους βιοαντιδραστήρες υπερήχων, η παραγωγή της ζύμωσης μπορεί να αυξηθεί σημαντικά.

Ζύμωση

Η αποτελεσματικότητα της ζύμωσης εξαρτάται από τις συνθήκες της διεργασίας: Τα θρεπτικά συστατικά, η πυκνότητα του μέσου, η θερμοκρασία, η περιεκτικότητα σε οξυγόνο / αέρια και η πίεση είναι σημαντικοί παράγοντες που επηρεάζουν τη μικροβιακή δραστηριότητα. Οι μικροοργανισμοί, όπως και τα κύτταρα των θηλαστικών, ευδοκιμούν μόνο υπό ορισμένες συνθήκες. Οι κατάλληλες συνθήκες, σε συνδυασμό με τη διέγερση με υπερήχους, μπορούν να μεγιστοποιήσουν την απόδοση της ζύμωσης.

Διέγερση μικροοργανισμών με υπερήχους

Η ζύμωση είναι μια μεταβολική διεργασία που μετατρέπει τα σάκχαρα σε οξέα, αέρια ή αλκοόλη. Πραγματοποιείται σε ζύμες και βακτήρια, καθώς και σε μυϊκά κύτταρα που στερούνται οξυγόνου, όπως στην περίπτωση της γαλακτικής ζύμωσης. Ο όρος ζύμωση χρησιμοποιείται επίσης ευρύτερα για να περιγράψει τη μαζική ανάπτυξη μικροοργανισμών σε ένα θρεπτικό μέσο, συχνά με στόχο την παραγωγή ενός συγκεκριμένου χημικού προϊόντος.
Οι διεργασίες ζύμωσης πραγματοποιούνται σε βιομηχανική κλίμακα με τη χρήση μικροοργανισμών, όπως βακτήρια και μύκητες, για τη ζύμωση. Τα προϊόντα ζύμωσης χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία τροφίμων και στη βιομηχανία γενικότερα. Χημικές ουσίες, όπως το οξικό οξύ, το κιτρικό οξύ και η αιθανόλη, παράγονται μέσω ζύμωσης. Ο ρυθμός ζύμωσης επηρεάζεται από τη συγκέντρωση των μικροοργανισμών, των κυττάρων, των κυτταρικών συστατικών και των ενζύμων, καθώς και από τη θερμοκρασία και το pH. Για την αερόβια ζύμωση, το οξυγόνο αποτελεί επίσης βασικό παράγοντα. Σχεδόν όλα τα ένζυμα που παράγονται εμπορικά, όπως η λιπάση, η ιμβερτάση και η πυτιά, παρασκευάζονται μέσω ζύμωσης με γενετικά τροποποιημένα μικρόβια.

• Παραγωγή βιομάζας (βιώσιμου κυτταρικού υλικού)
• Παραγωγή εξωκυτταρικών μεταβολιτών (χημικών ενώσεων)
• Παραγωγή ενδοκυτταρικών συστατικών (ενζύμων και άλλων πρωτεϊνών)
• Μετασχηματισμός υποστρώματος (κατά τον οποίο το ίδιο το μετασχηματισμένο υπόστρωμα αποτελεί το προϊόν)

Κατεργασία με υπερήχους πριν, κατά τη διάρκεια και μετά τη ζύμωση

Η κατεργασία με υπερήχους, δηλαδή η εφαρμογή υπερηχητικών κυμάτων χαμηλής συχνότητας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί πριν, κατά τη διάρκεια και μετά τη ζύμωση, με διάφορους τρόπους και σε διαφορετικά στάδια της διεργασίας ζύμωσης.

Κατεργασία με υπερήχους πριν από τη ζύμωση – Βελτίωση της διαθεσιμότητας της βιομάζας

1. Βελτιωμένη μεταφορά μάζας: Η κατεργασία με υπερήχους χρησιμοποιείται ως προκατεργασία για την ενίσχυση της μεταφοράς μάζας και την αύξηση της διαθεσιμότητας του υποστρώματος για τα μικρόβια. Η ανάμιξη με υπερήχους ενισχύει τη μεταφορά μάζας των υποστρωμάτων προς τα μικροβιακά κύτταρα και των προϊόντων μακριά από αυτά. Η εντατικοποίηση της μεταφοράς μάζας με υπερήχους μπορεί να εφαρμοστεί τόσο ως προκατεργασία όσο και κατά τη διάρκεια της ζύμωσης.
2. Κυτταρική διάρρηξη: Η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διάρρηξη των κυτταρικών τοιχωμάτων και μεμβρανών, ιδιαίτερα σε μικροβιακές καλλιέργειες ή καλλιέργειες ζυμών. Αυτό βοηθά στην απελευθέρωση ενδοκυτταρικών συστατικών, όπως ένζυμα ή μεταβολίτες, τα οποία μπορούν να βελτιώσουν την απόδοση της ζύμωσης ή να διευκολύνουν τις επακόλουθες διεργασίες.
3. Εκχύλιση ενδοκυτταρικών ενώσεων: Η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να βοηθήσει στην εκχύλιση ενδοκυτταρικών ενώσεων από βιολογικά υλικά πριν από τη ζύμωση. Αυτό περιλαμβάνει την εκχύλιση ενζύμων, πρωτεϊνών, νουκλεϊκών οξέων ή άλλων ενώσεων-στόχων από κύτταρα, ιστούς ή φυτικά υλικά για μετέπειτα χρήση σε διεργασίες ζύμωσης.

Για παράδειγμα, χρησιμοποιήθηκε προκατεργασία φλοιού ρυζιού με υπερήχους για την ενίσχυση της ενζυμικής υδρόλυσης με σκοπό την παραγωγή ξυλοολιγοσακχαριτών από τον Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Με την κατεργασία με υπερήχους, ενισχύθηκε σημαντικά η παραγωγή κυτταρινολυτικών και ξυλανολυτικών ενζύμων από τον φλοιό ρυζιού. Η απόδοση σε ημικυτταρίνη αυξήθηκε σε 1,4 φορές την αρχική με την κατεργασία με υπερήχους και ο χρόνος παραγωγής μειώθηκε σημαντικά από 24 h σε 1,5 h στους 80ºC – με περαιτέρω δυνατότητες βελτιστοποίησης της διεργασίας. Η βιομάζα που έχει υποστεί κατεργασία με υπερήχους μετατρέπεται πολύ ευκολότερα από τους μύκητες, με αποτέλεσμα να παρατείνεται η σταθερότητα της ενζυμικής δραστικότητας και να αυξάνεται η δραστικότητα της CMCase, της b-γλυκοσιδάσης και της ξυλανάσης σε σύγκριση με τον φλοιό ρυζιού που δεν έχει υποστεί κατεργασία με υπερήχους. Τα τελικά προϊόντα της ζύμωσης ήταν ξυλοτετραόζη, ξυλοεξαόζη και ξυλοολιγοσακχαρίτες υψηλότερου μοριακού βάρους. Η απόδοση σε ξυλοεξαόζη από τον φλοιό ρυζιού που είχε υποστεί κατεργασία με υπερήχους ήταν κατά 80% υψηλότερη.

Ζύμωση υποβοηθούμενη από υπερήχους – Διέγερση μικροοργανισμών

• Ανάμιξη και ομογενοποίηση: Η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως τεχνική ανάμιξης κατά τη ζύμωση. Η εφαρμογή υπερηχητικών κυμάτων συμβάλλει στη δημιουργία μικρορροών και προάγει την ομοιογένεια, εξασφαλίζοντας την ομοιόμορφη κατανομή των θρεπτικών συστατικών, των αερίων και των μικροοργανισμών μέσα στο δοχείο ζύμωσης.
• Ενίσχυση της μεταφοράς μάζας: Με τη βελτιωμένη ανάμιξη και ομογενοποίηση συνδέονται οι βελτιωμένοι μέσω υπερήχων ρυθμοί μεταφοράς μάζας κατά τη ζύμωση. Η υπερηχητική ταλάντωση και η σπηλαίωση δημιουργούν τοπικές τυρβώδεις ροές και ενισχύουν τη διάχυση υποστρωμάτων, αερίων και θρεπτικών συστατικών στον ζωμό ζύμωσης. Αυτό μπορεί να βελτιώσει τη συνολική αποδοτικότητα και παραγωγικότητα της διεργασίας ζύμωσης.
• Βελτίωση της κυτταρικής βιωσιμότητας και της μεταβολικής δραστηριότητας: Η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να εφαρμοστεί σε μικροβιακές καλλιέργειες κατά τη ζύμωση για την ενίσχυση της κυτταρικής βιωσιμότητας και της μεταβολικής δραστηριότητας. Η ήπια κατεργασία με υπερήχους μπορεί να διεγείρει ορισμένους μικροοργανισμούς, προάγοντας την ανάπτυξη, την παραγωγή βιομάζας και τη σύνθεση επιθυμητών μεταβολιτών ή προϊόντων ζύμωσης.

Η επακριβώς ελεγχόμενη και επαναλήψιμη κατεργασία με υπερήχους συμβάλλει στη βελτίωση της παραγωγικότητας διαφόρων διεργασιών ζύμωσης χωρίς να προκαλεί βλάβη στα κύτταρα. Η ένταση της κατεργασίας με υπερήχους μπορεί να προσαρμοστεί με ακρίβεια στο συγκεκριμένο είδος κυττάρων και στις απαιτήσεις του. Με την ελεγχόμενη κατεργασία με υπερήχους, η κυτταρική ανάπτυξη και ο μεταβολισμός επηρεάζονται θετικά και οι μετατροπές που καταλύονται από ζωντανά κύτταρα βελτιώνονται σημαντικά, π.χ. με τη διέγερση των Bifidobacteria στο γάλα.
Σε ορισμένες διεργασίες ζύμωσης που πραγματοποιούνται από μύκητες, η κατεργασία με υπερήχους χρησιμοποιείται με επιτυχία για την τροποποίηση της μορφολογίας ανάπτυξης και της ρεολογίας του ζωμού χωρίς να επηρεάζει τον ρυθμό ανάπτυξης και την απόδοση των νηματοειδών μυκήτων.

Κατεργασία με υπερήχους μετά τη ζύμωση

• Συγκομιδή και διαχωρισμός κυττάρων: Η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να συμβάλει στη συγκομιδή και στον διαχωρισμό των κυττάρων μετά τη ζύμωση. Μπορεί να βοηθήσει στη διάσπαση κυτταρικών συσσωματωμάτων, κροκιδωτικών παραγόντων ή βιοϋμενίων, διευκολύνοντας την απελευθέρωση των κυττάρων από τον ζωμό ζύμωσης. Αυτό απλοποιεί τις επακόλουθες διεργασίες, όπως η ανάκτηση των κυττάρων ή ο καθαρισμός του προϊόντος.
• Εκχύλιση ενδοκυτταρικών προϊόντων: Μετά τη ζύμωση, η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκχύλιση ενδοκυτταρικών προϊόντων, όπως ένζυμα, πρωτεΐνες ή δευτερογενείς μεταβολίτες, από μικροβιακή ή κυτταρική βιομάζα. Αυτή η διεργασία εκχύλισης συμβάλλει στην ανάκτηση πολύτιμων ενώσεων και βελτιώνει τη συνολική απόδοση της διεργασίας ζύμωσης.
• Κυτταρική αποσύνθεση για αναλυτικούς σκοπούς: Η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να εφαρμοστεί για τη διάρρηξη κυττάρων ή μικροβιακών δειγμάτων μετά τη ζύμωση, ιδιαίτερα για αναλυτικούς σκοπούς. Συμβάλλει στην κυτταρική λύση και στην απελευθέρωση του ενδοκυτταρικού περιεχομένου, διευκολύνοντας την ανάλυση των κυτταρικών συστατικών ή τη διεξαγωγή επακόλουθων αναλυτικών δοκιμασιών.

Για την παραγωγή ενδοκυτταρικών συστατικών, όπως μικροβιακών ενζύμων (π.χ. καταλάση, αμυλάση, πρωτεάση, πηκτινάση, ισομεράση της γλυκόζης, κυτταρινάση, ημικυτταρινάση, λιπάση, λακτάση, στρεπτοκινάση) και ανασυνδυασμένων πρωτεϊνών (π.χ. ινσουλίνη, εμβόλιο κατά της ηπατίτιδας Β, ιντερφερόνη, παράγοντας διέγερσης αποικιών κοκκιοκυττάρων, στρεπτοκινάση), τα κύτταρα πρέπει να υποστούν λύση / διάρρηξη μετά τη διαδικασία ζύμωσης, ώστε να απελευθερωθούν οι επιθυμητές πρωτεΐνες. Η κατεργασία με υπερήχους διευκολύνει την εκχύλιση των ενδοκυτταρικών και εξωκυτταρικών συμπλόκων πολυσακχαριτών–πρωτεϊνών από τον ιξώδη μυκηλιακό ζωμό ζύμωσης. Πέρα από την εξαιρετική απόδοση και αποτελεσματικότητά της στην εκχύλιση, η κατεργασία με υπερήχους αποτελεί καθιερωμένη και αξιόπιστη μέθοδο για την κυτταρική λύση και την εκχύλιση ενδοκυτταρικού υλικού.
Κάντε κλικ εδώ για να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με τη λύση και την εκχύλιση με υπερήχους!

Βιοαντιδραστήρες υπερήχων για βελτιωμένες διεργασίες ζύμωσης

Η Hielscher Ultrasonics διαθέτει πολυετή εμπειρία σε βιοδιεργασίες που διεγείρονται με υπερήχους, όπως η κυτταρική διέγερση, η ζύμωση, η κυτταρική διάρρηξη και η εκχύλιση. Προσφέρουμε διάφορους τυποποιημένους αντιδραστήρες υπερήχων διαφορετικών μεγεθών και γεωμετριών για κατεργασία με υπερήχους σε λειτουργία παρτίδας και συνεχούς ροής. Εναλλακτικά, προσφέρουμε εξατομικευμένες λύσεις για ενσωμάτωση στον υπάρχοντα βιοαντιδραστήρα σας. Καθώς οι επεξεργαστές υπερήχων μας είναι ιδιαίτερα ευέλικτοι και απαιτούν λίγο μόνο χώρο, η εκ των υστέρων ενσωμάτωσή τους σε υπάρχουσες βιοτεχνολογικές εγκαταστάσεις μπορεί να πραγματοποιηθεί χωρίς προβλήματα.
Διαβάστε εδώ περισσότερα σχετικά με τους τύπους, τους σχεδιασμούς και τις εφαρμογές των αντιδραστήρων υπερήχων!
Ο παρακάτω πίνακας παρέχει γενικές συστάσεις συσκευών ανάλογα με τον όγκο παρτίδας ή την παροχή προς επεξεργασία. Κάντε κλικ στον τύπο της συσκευής για να λάβετε περισσότερες πληροφορίες για κάθε συσκευή.

Βιβλιογραφία/Αναφορές

• N. Sainz Herrán, J. L. Casas López, J. A. Sánchez Pérez, Y. Chisti (2010): Influence of ultrasound amplitude and duty cycle on fungal morphology and broth rheology of Aspergillus terreus. World J Microbiol Biotechnol 2010, 26: 1409–1418.
• 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.