Biorreactores ultrasónicos para la fermentación

Los ultrasonidos son un medio eficaz para estimular los microorganismos mediante vibraciones mecánicas y cavitación. En un sonobiorreactor / fermentador ultrasónico, el tratamiento ultrasónico de células y tejidos se puede controlar con gran precisión, ya que los factores ambientales pueden determinarse con exactitud. Con los biorreactores ultrasónicos, la producción obtenida mediante fermentación puede aumentar considerablemente.

Fermentación

La eficiencia de la fermentación depende de las condiciones del proceso: los nutrientes, la densidad del medio, la temperatura, el contenido de oxígeno / gases y la presión son factores importantes que influyen en la actividad microbiana. Tanto los microorganismos como las células de mamíferos solo prosperan en determinadas condiciones. Las condiciones adecuadas, combinadas con la estimulación ultrasónica, pueden maximizar el rendimiento de la fermentación.

Estimulación ultrasónica de microorganismos

La fermentación es un proceso metabólico que convierte el azúcar en ácidos, gases o alcohol. Se produce en levaduras y bacterias, así como en células musculares con escasez de oxígeno, como ocurre en la fermentación láctica. El término fermentación también se utiliza en un sentido más amplio para referirse al crecimiento masivo de microorganismos en un medio de cultivo, a menudo con el objetivo de producir un producto químico específico.
Los procesos de fermentación se llevan a cabo a escala industrial utilizando microorganismos como bacterias y hongos. Los productos fermentados se utilizan en la industria alimentaria y en la industria en general. Sustancias químicas como el ácido acético, el ácido cítrico y el etanol se producen mediante fermentación. La velocidad de fermentación depende de la concentración de microorganismos, células, componentes celulares y enzimas, así como de la temperatura y el pH. En la fermentación aerobia, el oxígeno también es un factor clave. Casi todas las enzimas producidas comercialmente, como la lipasa, la invertasa y el cuajo, se obtienen mediante fermentación con microorganismos modificados genéticamente.

• Producción de biomasa (material celular viable)
• Producción de metabolitos extracelulares (compuestos químicos)
• Producción de componentes intracelulares (enzimas y otras proteínas)
• Transformación del sustrato (en la que el sustrato transformado constituye el propio producto)

Sonicación antes, durante y después de la fermentación

La sonicación, es decir, la aplicación de ondas ultrasónicas de baja frecuencia, puede utilizarse antes, durante y después de la fermentación de diversas formas y en distintas etapas del proceso de fermentación.

Tratamiento ultrasónico previo a la fermentación – Mejora de la disponibilidad de la biomasa

1. Mejora de la transferencia de masa: La sonicación como pretratamiento se utiliza para favorecer la transferencia de masa y aumentar la disponibilidad del sustrato para los microorganismos. La mezcla ultrasónica favorece la transferencia de masa de los sustratos hacia las células microbianas y de los productos desde estas hacia el medio. La intensificación ultrasónica de la transferencia de masa puede aplicarse tanto como pretratamiento como durante la fermentación.
2. Ruptura celular: La sonicación puede emplearse para romper las paredes y membranas celulares, especialmente en cultivos microbianos o de levaduras. Esto ayuda a liberar componentes intracelulares, como enzimas o metabolitos, que pueden mejorar el rendimiento de la fermentación o facilitar los procesos posteriores.
3. Extracción de compuestos intracelulares: La sonicación puede facilitar la extracción de compuestos intracelulares de materiales biológicos antes de la fermentación. Esto incluye la extracción de enzimas, proteínas, ácidos nucleicos u otros compuestos de interés a partir de células, tejidos o materiales vegetales para su posterior uso en procesos de fermentación.

Por ejemplo, se utilizó el pretratamiento ultrasónico de la cascarilla de arroz para mejorar la hidrólisis enzimática destinada a la producción de xilooligosacáridos por Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Mediante sonicación, la producción de enzimas celulolíticas y xilanolíticas a partir de la cascarilla de arroz aumentó considerablemente. Con la sonicación, el rendimiento de hemicelulosa se multiplicó por 1,4 y el tiempo de producción se redujo considerablemente de 24 h a 1,5 h a 80ºC – con posibilidades adicionales de optimización del proceso. Los hongos pueden transformar la biomasa sonicada con mucha más facilidad, por lo que la estabilidad de la actividad enzimática se prolonga y la actividad de la CMCase, la b-glucosidasa y la xilanasa aumenta en comparación con la cascarilla de arroz no sonicada. Los productos finales de la fermentación fueron xilotetraosa, xilohexaosa y xilooligosacáridos de mayor peso molecular. El rendimiento de xilohexaosa a partir de la cascarilla de arroz sonicada fue un 80% mayor.

Fermentación asistida por ultrasonidos – Estimulación de microorganismos

• Mezcla y homogeneización: La sonicación puede utilizarse como técnica de mezcla durante la fermentación. La aplicación de ondas ultrasónicas ayuda a generar microcorrientes y favorece la homogeneidad, garantizando una distribución uniforme de nutrientes, gases y microorganismos dentro del recipiente de fermentación.
• Intensificación de la transferencia de masa: La mejora de la mezcla y la homogeneización está relacionada con el aumento de las velocidades de transferencia de masa mediante ultrasonidos durante la fermentación. La oscilación ultrasónica y la cavitación generan turbulencias localizadas y favorecen la difusión de sustratos, gases y nutrientes hacia el caldo de fermentación. Esto puede mejorar la eficiencia y la productividad globales del proceso de fermentación.
• Mejora de la viabilidad celular y la actividad metabólica: La sonicación puede aplicarse a cultivos microbianos durante la fermentación para mejorar la viabilidad celular y la actividad metabólica. Una sonicación suave puede estimular determinados microorganismos, favoreciendo el crecimiento, la producción de biomasa y la síntesis de los metabolitos o productos de fermentación deseados.

La sonicación, controlable con precisión y repetible, ayuda a mejorar la productividad de diversos procesos de fermentación sin dañar las células. La intensidad de la sonicación puede adaptarse con exactitud a la especie celular concreta y a sus necesidades. La sonicación controlada influye positivamente en el crecimiento y el metabolismo celulares y mejora considerablemente las conversiones catalizadas por células vivas, por ejemplo, al estimular Bifidobacteria en la leche.
En algunos procesos de fermentación realizados por hongos, la sonicación se utiliza con éxito para modificar la morfología de crecimiento y la reología del caldo sin afectar a la velocidad de crecimiento ni al rendimiento de los hongos filamentosos.

Tratamiento ultrasónico posterior a la fermentación

• Recolección y separación de células: La sonicación puede facilitar la recolección y separación de células después de la fermentación. Puede ayudar a romper agregados celulares, floculantes o biopelículas, facilitando la liberación de las células del caldo de fermentación. Esto simplifica los procesos posteriores, como la recuperación de células o la purificación del producto.
• Extracción de productos intracelulares: Después de la fermentación, la sonicación puede utilizarse para extraer productos intracelulares, como enzimas, proteínas o metabolitos secundarios, de la biomasa microbiana o celular. Este proceso de extracción ayuda a recuperar compuestos valiosos y mejora el rendimiento global del proceso de fermentación.
• Desintegración celular con fines analíticos: La sonicación puede aplicarse para romper células o muestras microbianas después de la fermentación, especialmente con fines analíticos. Favorece la lisis celular y la liberación del contenido intracelular, facilitando el análisis de los componentes celulares o la realización de ensayos posteriores.

Para la producción de componentes intracelulares, como enzimas microbianas (por ejemplo, catalasa, amilasa, proteasa, pectinasa, glucosa isomerasa, celulasa, hemicelulasa, lipasa, lactasa y estreptoquinasa) y proteínas recombinantes (por ejemplo, insulina, vacuna contra la hepatitis B, interferón, factor estimulante de colonias de granulocitos y estreptoquinasa), las células deben someterse a lisis / ruptura después del proceso de fermentación para liberar las proteínas deseadas. La sonicación facilita la extracción de los complejos intracelulares y extracelulares de polisacáridos–proteínas del caldo viscoso de fermentación micelial. Además de su excelente rendimiento y eficiencia de extracción, la sonicación es una técnica consolidada y fiable para la lisis celular y la extracción de materia intracelular.
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Biorreactores ultrasónicos para mejorar los procesos de fermentación

Hielscher Ultrasonics cuenta con una amplia experiencia en bioprocesos estimulados por ultrasonidos, como la estimulación celular, la fermentación, la ruptura celular y la extracción. Ofrecemos diversos reactores ultrasónicos estándar de distintos tamaños y geometrías para la sonicación por lotes y en flujo continuo. También ofrecemos soluciones personalizadas para su integración en su biorreactor existente. Dado que nuestros procesadores ultrasónicos son muy versátiles y requieren poco espacio, pueden incorporarse sin problemas a las plantas biotecnológicas existentes.
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Bibliografía/Referencias

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• 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.