Tecnología de ultrasonido de Hielscher

Producción biosintética de oligosacáridos de la leche humana

La biosíntesis de los oligosacáridos de la leche humana (HMO) mediante la fermentación o las reacciones enzimáticas es un proceso complejo, agotador y a menudo de bajo rendimiento. La ecografía aumenta la transferencia de masa entre el sustrato y las fábricas de células y estimula el crecimiento y el metabolismo celular. De este modo, la sonicación intensifica la fermentación y los procesos bioquímicos, lo que da lugar a una producción acelerada y más eficiente de HMO.

Oligosacáridos de la leche humana

Los oligosacáridos de la leche humana, también conocidos como glicanos de la leche humana, son moléculas de azúcar que forman parte del grupo de los oligosacáridos. Ejemplos destacados de HMO incluyen la 2'-fucosilactosa (2′-FL), lacto-N-neotetraosa (LNnT), 3'-galactosilactosa (3′-GL), y la difucosilactosa (DFL).
Si bien la leche materna humana está compuesta por más de 150 estructuras diferentes de HMO, sólo la 2′-fucosilactosa (2′-FL) y la lacto-N-neteotetraosa (LNnT) se producen actualmente a nivel comercial y se utilizan como aditivos nutricionales en las fórmulas para lactantes.
Los oligosacáridos de la leche humana (HMO) son conocidos por su importancia en la nutrición del bebé. Los oligosacáridos de la leche humana son un tipo único de nutrientes, que actúan como prebióticos, antimicrobianos antiadherentes e inmunomoduladores en el intestino del bebé y contribuyen sustancialmente al desarrollo del cerebro. Los HMO se encuentran exclusivamente en la leche materna humana; otras leches de mamíferos (por ejemplo, de vaca, cabra, oveja, camello, etc.) no tienen esta forma específica de oligosacáridos.
Los oligosacáridos de la leche humana son el tercer componente sólido más abundante en la leche humana, que puede estar presente en forma disuelta, emulsionada o suspendida en el agua. La lactosa y los ácidos grasos son los sólidos más abundantes que se encuentran en la leche humana. Están presentes en una concentración de 0,35-0,88 onzas (9,9-24,9 g)/L. Se conocen aproximadamente 200 oligosacáridos de leche humana estructuralmente diferentes. El oligosacárido dominante en el 80% de todas las mujeres es el 2′-fucosilactosa, que está presente en la leche materna humana en una concentración de aproximadamente 2,5 g/l.
Como los HMO no se digieren, no contribuyen calóricamente a la nutrición. Al ser carbohidratos indigeribles, funcionan como prebióticos y son fermentados selectivamente por la deseable microflora intestinal, especialmente las bifidobacterias.

Beneficios para la salud de los oligosacáridos de la leche humana (HMO)

  • promover el desarrollo de los lactantes
  • son importantes para el desarrollo del cerebro
  • tiene antiinflamatorios y
  • efectos antiadhesivos en el tracto gastrointestinal
  • apoya el sistema inmunológico en los adultos
Ultrasonication and the use of ultrasonic bioreactors (sono-bioreactors) are highly effective to promote mass transfer between substrate and living cells used as cell factories

El Procesador ultrasónico UIP2000hdT aumenta la transferencia de masa y activa las fábricas de células para un mayor rendimiento de las moléculas biológicas biosintetizadas, como las HMO.

Solicitar información




Observe nuestro Política de privacidad.


Biosíntesis de los oligosacáridos de la leche humana

Las fábricas de células y los sistemas enzimáticos y quimio-enzimáticos son tecnologías actuales utilizadas para la síntesis de HMO. Para la producción de HMO a escala industrial, la fermentación de fábricas de células microbianas, la síntesis bioquímica y las diferentes reacciones enzimáticas son formas viables de bioproducción de HMO. Por razones económicas, la biosíntesis mediante fábricas de células microbianas es actualmente la única técnica utilizada a nivel de producción industrial de HMO.

Fermentación de HMOs usando Fábricas de Células Microbianas

E.coli, Saccharomyces cerevisiae y Lactococcus lactis son fábricas celulares de uso común utilizadas para la bioproducción de moléculas biológicas como las HMO. La fermentación es un proceso bioquímico que utiliza microorganismos para convertir un sustrato en moléculas biológicas específicas. Las fábricas de células microbianas utilizan azúcares simples como sustrato, que convierten en HMO. Dado que los azúcares simples (por ejemplo, la lactosa) son un sustrato abundante y barato, esto hace que el proceso de biosíntesis sea rentable.
El crecimiento y la tasa de bioconversión se ven influidos principalmente por la transferencia masiva de nutrientes (sustrato) a los microorganismos. La tasa de transferencia de masa es un factor principal que afecta a la síntesis del producto durante la fermentación. Es bien sabido que la ultrasonificación promueve la transferencia de masa.
Durante la fermentación, las condiciones en el biorreactor deben vigilarse y regularse constantemente para que las células puedan crecer lo más rápidamente posible a fin de producir luego las biomoléculas seleccionadas (por ejemplo, oligosacáridos como los HMO; insulina; proteínas recombinantes). Teóricamente, la formación del producto comienza tan pronto como el cultivo celular empieza a crecer. Sin embargo, especialmente en las células modificadas genéticamente, como los microorganismos manipulados, suele inducirse más tarde añadiendo una sustancia química al sustrato, lo que aumenta la expresión de la biomolécula seleccionada. Los biorreactores ultrasónicos (sono-biorreactor) pueden ser controlados con precisión y permiten la estimulación específica de los microbios. Esto da como resultado una biosíntesis acelerada y mayores rendimientos.
Lisis y extracción ultrasónica: La fermentación de los HMO complejos podría estar limitada por los bajos títulos de fermentación y los productos que permanecen intracelulares. La lisis y extracción ultrasónica se utiliza para liberar material intracelular antes de la purificación y los procesos posteriores.

Fermentación promovida por ultrasonido

La tasa de crecimiento de microbios como Escherichia coli, E. coli, Saccharomyces cerevisiae y Lactococcus lactis puede acelerarse aumentando la tasa de transferencia de masa y la permeabilidad de la pared celular mediante la aplicación de ultrasonidos de baja frecuencia controlada. Como técnica de procesamiento suave y no térmica, la ultrasonicación aplica fuerzas puramente mecánicas en el caldo de fermentación.
Cavitación acústica: El principio de funcionamiento de la sonicación se basa en la cavitación acústica. La sonda ultrasónica (sonotrodo) acopla ondas d de ultrasonido de baja frecuencia al medio. Las ondas de ultrasonido viajan a través del líquido creando ciclos alternos de alta presión (compresión) / baja presión (rarefacción). Al comprimir y estirar el líquido en ciclos alternos, surgen diminutas burbujas de vacío. Estas pequeñas burbujas de vacío crecen a lo largo de varios ciclos hasta que alcanzan un tamaño en el que no pueden absorber más energía. En este punto de máximo crecimiento, la burbuja de vacío implosiona violentamente y genera localmente condiciones extremas, conocidas como el fenómeno de la cavitación. En el "punto caliente" de la cavitación, se pueden observar altos diferenciales de presión y temperatura e intensas fuerzas de cizallamiento con chorros de líquido de hasta 280m/seg. Mediante estos efectos cavitacionales se logra una transferencia de masa y una sonoporación (la perforación de las paredes y membranas celulares). Los nutrientes del sustrato flotan hacia y dentro de las células enteras vivas, de modo que las fábricas celulares se nutren de manera óptima y se acelera el crecimiento y las tasas de conversión. Los biorreactores ultrasónicos son una estrategia simple, pero muy eficaz, para procesar la biomasa en un proceso de biosíntesis de un solo punto.
Se sabe que una sonicación suave y controlada con precisión intensifica los procesos de fermentación.
La sonicación mejora "la productividad de muchos bioprocesos en los que intervienen células vivas mediante el aumento de la captación de sustrato, la mejora de la producción o el crecimiento al aumentar la porosidad de las células y la posible mejora de la liberación de los componentes de las células". (Naveena et al. 2015)
Lea más sobre la fermentación asistida por ultrasonidos.
Ventajas de la fermentación intensificada por ultrasonido

  • mayor rendimiento
  • Fermentación acelerada
  • Estimulación específica de la célula
  • Aumento de la absorción de sustrato
  • Aumento de la porosidad celular
  • fácil de manejar
  • seguro
  • Simple Retro-Fitting
  • aumento lineal a gran escala de producción industrial
  • Procesamiento por lotes o en línea
  • RoI rápido

Naveena y otros (2015) observaron que la intensificación ultrasónica ofrece varias ventajas durante el bioprocesamiento, entre ellas los bajos costos de operación en comparación con otras opciones de tratamiento de mejora, la sencillez de funcionamiento y los modestos requisitos de potencia.

Agitated ultrasonic tank (sono-bioreactor) for batch processing

Tanque con ultrasonidos de 8kW y agitador

Reactores de fermentación ultrasónicos de alto rendimiento

En los procesos de fermentación participan microorganismos vivos como bacterias o levaduras, que funcionan como fábricas de células. Mientras que la sonicación se aplica para promover la transferencia de masa y aumentar la tasa de crecimiento y conversión de los microorganismos, es crucial controlar la intensidad de los ultrasonidos con precisión para evitar la destrucción de las fábricas celulares.
Hielscher Ultrasonics es especialista en el diseño, la fabricación y la distribución de ultrasonidos de alto rendimiento, que pueden controlarse y supervisarse con precisión para garantizar un rendimiento de fermentación superior.
Control preciso de los parámetros del proceso ultrasónico por Hielscher Ultrasonics' software inteligenteEl control de los procesos no sólo es esencial para obtener altos rendimientos y una calidad superior, sino que permite repetir y reproducir los resultados. Especialmente cuando se trata de la estimulación de las fábricas celulares, la adaptación específica de los parámetros de sonicación es esencial para lograr altos rendimientos y para prevenir la degradación celular. Por lo tanto, todos los modelos digitales de ultrasonidos de Hielscher están equipados con un software inteligente que permite ajustar, controlar y revisar los parámetros de sonicación. Los parámetros de los procesos ultrasónicos como la amplitud, la temperatura, la presión, la duración de la sonicación, los ciclos de trabajo y la entrada de energía son esenciales para promover la producción de HMO a través de la fermentación.
El software inteligente de los ultrasonidos de Hielscher registra automáticamente todos los parámetros importantes del proceso en la tarjeta SD integrada. El registro automático de datos del proceso de sonicación es la base para la estandarización del proceso y la reproducibilidad / repetibilidad, que se requieren para las Buenas Prácticas de Fabricación (BPF).

Hielscher Ultrasonidos Cascatrode

cascateroTM en un reactor de células de flujo ultrasónico

Rectores ultrasónicos para la fermentación

Hielscher Ultrasonidos CascatrodeHielscher ofrece sondas de ultrasonidos de varios tamaños, longitudes y geometrías, que pueden utilizarse tanto para tratamientos por lotes como para tratamientos de flujo continuo. Los reactores ultrasónicos, también conocidos como sono-biorreactores, están disponibles para cualquier volumen que cubra el bioprocesamiento ultrasónico desde pequeñas muestras de laboratorio hasta el nivel de producción piloto y totalmente comercial.
Es bien sabido que la ubicación del sonotrodo ultrasónico en el recipiente de reacción influye en la distribución de la cavitación y la microcorriente dentro del medio. El sonotrodo y el reactor ultrasónico deben elegirse de acuerdo con el volumen de procesamiento del caldo celular. Si bien la sonicación puede realizarse tanto por lotes como en modo continuo, para volúmenes de producción elevados se recomienda el uso de una instalación de flujo continuo. Al pasar por una célula de flujo ultrasónico, todo el medio celular recibe exactamente la misma exposición a la sonicación, lo que garantiza el tratamiento más eficaz. La amplia gama de sondas ultrasónicas y reactores de células de flujo de Hielscher Ultrasonics permite montar la instalación ideal de bioprocesamiento ultrasónico.

Hielscher Ultrasonics – Del laboratorio al piloto y a la producción

Hielscher Ultrasonics cubre todo el espectro de equipos de ultrasonidos ofreciendo compactos homogeneizadores de ultrasonidos de mano para la preparación de muestras a sistemas de mesa y piloto, así como potentes unidades industriales de ultrasonidos que procesan fácilmente cargas de camiones por hora. Al ser versátiles y flexibles en cuanto a las opciones de instalación y montaje, los ultrasonidos Hielscher pueden integrarse fácilmente en todo tipo de reactores de lote, de alimentación por lotes o de flujo continuo.
Diversos accesorios, así como piezas personalizadas, permiten la adaptación ideal de su configuración ultrasónica a los requisitos de su proceso.
Construidos para funcionar 24 horas al día, 7 días a la semana, a plena carga y en condiciones exigentes, los procesadores ultrasónicos de Hielscher son fiables y requieren poco mantenimiento.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
1 a 500 mL 10 a 200 mL/min. UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL/min. UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000hdT
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

Póngase en contacto con nosotros/Envíenos su pregunta

Solicite más información

Por favor, utilice el siguiente formulario para solicitar información adicional sobre los procesadores ultrasónicos, aplicaciones y precio. Estaremos encantados de discutir su proceso con usted y ofrecerle un sistema de ultrasonidos que cumpla con sus requisitos!









Por favor, tenga en cuenta Política de privacidad.


Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para dispersión, emulsificación y extracción celular.

Homogeneizadores ultrasónicos de alta potencia de laboratorio a piloto y Uso industrial escala.

Literatura / Referencias



Información interesante

La biosíntesis utilizando las fábricas de células

Una fábrica de células microbianas es un método de bioingeniería, que utiliza células microbianas como una instalación de producción. Mediante la ingeniería genética de los microbios, el ADN de los microorganismos como las bacterias, levaduras, hongos, células de mamíferos o algas se modifica convirtiendo los microbios en fábricas celulares. Las fábricas de células se utilizan para convertir sustratos en valiosas moléculas biológicas, que se emplean, por ejemplo, en la producción de alimentos, farmacia, química y combustibles. Las diferentes estrategias de la biosíntesis basada en fábricas celulares tienen por objeto la producción de metabolitos nativos, la expresión de vías biosintéticas heterólogas o la expresión de proteínas.
Las fábricas de células pueden utilizarse para sintetizar metabolitos nativos, para expresar vías biosintéticas heterólogas o para expresar proteínas.

La biosíntesis de los metabolitos nativos

Los metabolitos nativos se definen como moléculas biológicas, que las células utilizadas como fábrica celular producen naturalmente. Las fábricas celulares producen estas moléculas biológicas ya sea intracelularmente o como una sustancia secretada. Se prefiere esta última porque facilita la separación y la purificación de los compuestos en cuestión. Ejemplos de metabolitos nativos son los aminoácidos y ácidos nucleicos, los antibióticos, las vitaminas, las enzimas, los compuestos bioactivos y las proteínas producidas a partir de las vías anabólicas de la célula.

Vías biosintéticas del Heterologus

Cuando se trata de producir un compuesto interesante, una de las decisiones más importantes es la elección de la producción en el huésped nativo, y optimizar este huésped, o la transferencia de la vía a otro huésped conocido. Si el huésped original puede adaptarse a un proceso de fermentación industrial, y no existen riesgos para la salud al hacerlo (por ejemplo, la producción de subproductos tóxicos), ésta puede ser una estrategia preferida (como ocurrió, por ejemplo, con la penicilina). Sin embargo, en muchos casos modernos, las posibilidades de utilizar una fábrica celular industrialmente preferida y los procesos de plataforma conexos superan la dificultad de transferir la vía.

Expresión de la proteína

La expresión de las proteínas puede lograrse por vías homólogas y heterólogas. En la expresión homóloga, un gen que está naturalmente presente en un organismo se sobreexpresa. A través de esta sobre-expresión, se puede producir un mayor rendimiento de una determinada molécula biológica. En la expresión heteróloga, un gen específico se transfiere a una célula huésped en la que el gen no está presente de forma natural. Mediante la ingeniería celular y la tecnología del ADN recombinante, el gen se inserta en el ADN del huésped para que éste produzca (grandes) cantidades de una proteína que no produciría de forma natural. La expresión de la proteína se realiza en una variedad de huéspedes de bacterias, por ejemplo E. coli y Bacillis subtilis, levaduras, por ejemplo Klyuveromyces lactis, Pichia pastoris, S. cerevisiae, hongos filamentosos, por ejemplo como A. niger, y células derivadas de organismos multicelulares como mamíferos e insectos. Las proteínas innumerables son de gran interés comercial, incluso las procedentes de enzimas a granel, productos biofarmacéuticos complejos, reactivos de diagnóstico e investigación. (cf. A.M. Davy y otros 2017)