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

Fermentación

La eficacia de la fermentación depende de las condiciones del proceso: Los nutrientes, la densidad del medio, la temperatura, el contenido de oxígeno/gas y la presión son factores importantes que influyen en la actividad microbiana. Tanto los microorganismos como las células de mamíferos sólo 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, y también en células musculares sin oxígeno, como en el caso de la fermentación láctica. La fermentación también se utiliza de forma más amplia para referirse al crecimiento masivo de microorganismos en un medio de cultivo, a menudo con el objetivo de producir un producto químico específico.
El proceso de fermentación se lleva a cabo a escala industrial utilizando microorganismos como bacterias y hongos para la fermentación. Los productos fermentados se utilizan en la industria alimentaria y general. Mediante la fermentación se producen sustancias químicas como el ácido acético, el ácido cítrico y el etanol. La velocidad de fermentación depende de la concentración de microorganismos, células, componentes celulares y enzimas, así como de la temperatura y el pH. Para la fermentación aeróbica, el oxígeno también es un factor clave. Casi todas las enzimas producidas comercialmente, como la lipasa, la invertasa y el cuajo, se fabrican por fermentación con microbios modificados genéticamente.
 
En general, las fermentaciones pueden dividirse en cuatro tipos/etapas de proceso:

• 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 es a su vez el producto)

Sonicación antes, durante y después de la fermentación

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

Tratamiento ultrasónico de prefermentación – Mejora de la disponibilidad de biomasa

1. Mejora de la transferencia de masa: La sonicación como pretratamiento se utiliza para promover la transferencia de masa y hacer que el sustrato esté más disponible para los microbios. La mezcla ultrasónica favorece la transferencia de masa de los sustratos a las células microbianas y de los productos fuera de ellas. La intensificación ultrasónica de la transferencia de masa puede aplicarse tanto como pretratamiento como durante la fermentación.
2. Disrupción celular: La sonicación puede emplearse para alterar las paredes y membranas celulares, sobre todo 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 ayudar en la extracción de compuestos intracelulares de materiales biológicos antes de la fermentación. Esto incluye la extracción de enzimas, proteínas, ácidos nucleicos u otros compuestos diana de células, tejidos o materiales vegetales para su posterior uso en procesos de fermentación.

Por ejemplo, se utilizó el pretratamiento ultrasónico de la cáscara de arroz para mejorar la hidrólisis enzimática para la producción de xiloligosacáridos por Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Mediante sonicación, la producción de enzimas celulolíticas y xilanolíticas a partir de la cáscara de arroz aumentó significativamente. La producción de hemicelulosa se multiplicó por 1,4 con la sonicación y el tiempo de producción se redujo considerablemente, de 24 a 1,5 horas a 80ºC. – con un mayor potencial de optimización del proceso. La biomasa sonicada es mucho más fácil de convertir para los hongos, por lo que se amplía la estabilidad de la actividad enzimática y aumenta la actividad de la CMCasa, la b-glucosidasa y la xilanasa en comparación con la cáscara de arroz no sonicada. Los productos fermentativos finales fueron xilotetraosa, xilohexaosa y xiloligosacáridos de mayor peso molecular. El rendimiento de xilohexaosa de la cáscara de arroz sonicada fue un 80% superior.

Fermentación asistida por ultrasonidos – Estimulación de microbios

• Mezcla y homogeneización: La sonicación puede utilizarse como técnica de mezcla durante la fermentación. La aplicación de ondas ultrasónicas ayuda a crear microflujos y favorece la homogeneidad, garantizando una distribución uniforme de nutrientes, gases y microorganismos dentro del recipiente de fermentación.
• Mejora de la transferencia de masa: En relación con la mejora de la mezcla y la homogeneización están las tasas de transferencia de masa mejoradas por ultrasonidos durante la fermentación. La oscilación ultrasónica y la cavitación crean turbulencias localizadas y mejoran la difusión de sustratos, gases y nutrientes en el caldo de fermentación. Esto puede mejorar la eficacia y la productividad generales del proceso de fermentación.
• Mejora de la viabilidad celular y la actividad metabólica: La sonicación puede aplicarse a los cultivos microbianos durante la fermentación para mejorar la viabilidad celular y la actividad metabólica. La sonicación suave puede estimular ciertos microorganismos, promoviendo el crecimiento, la producción de biomasa y la síntesis de metabolitos o productos de fermentación deseados.

La sonicación controlable y repetible con precisión ayuda a mejorar la productividad de diversos procesos de fermentación sin dañar las células. La intensidad de la sonicación puede adaptarse exactamente a la especie celular específica y a sus requisitos. Mediante la sonicación controlada, se influye positivamente en el crecimiento y metabolismo celular y se mejoran significativamente las conversiones catalizadas por células vivas, por ejemplo, estimulando las Bifidobacterias en la leche.
En algunos procesos de fermentación impulsados por hongos, la sonicación se utiliza con éxito para modificar la morfología del crecimiento y la reología del caldo sin afectar a la tasa de crecimiento ni al rendimiento de los hongos filamentosos.

Tratamiento ultrasónico postfermentación

• Recogida y separación de células: La sonicación puede ayudar a recoger y separar las células tras la fermentación. Puede ayudar a romper agregados celulares, floculantes o biopelículas, facilitando la liberación de células del caldo de fermentación. Esto simplifica los procesos posteriores, como la recuperación celular o la purificación del producto.
• Extracción de productos intracelulares: Tras 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 desorganizar células o muestras microbianas tras la fermentación, especialmente con fines analíticos. Contribuye a la lisis celular y a la liberación del contenido intracelular, lo que facilita 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, estreptoquinasa) y proteínas recombinantes (por ejemplo, insulina, vacuna contra la hepatitis B, interferón, factor estimulante de colonias de granulocitos, estreptoquinasa), las células tienen que ser lisadas/desorganizadas después del proceso de fermentación para liberar la enzima.p. ej., insulina, vacuna contra la hepatitis B, interferón, factor estimulante de colonias de granulocitos, estreptoquinasa), las células tienen que ser lisadas / disgregadas después del proceso de fermentación para liberar las proteínas deseadas. Mediante la sonicación, se facilita la extracción de los complejos polisacárido-proteína intracelulares y extracelulares del caldo viscoso de fermentación del micelio. Además de su excelente rendimiento y eficacia de extracción, la sonicación está bien establecida y es fiable para la lisis celular y la extracción de materia intracelular.
Haga clic aquí para leer más sobre la lisis y extracción por ultrasonidos.

Biorreactores ultrasónicos para mejorar los procesos de fermentación

Hielscher Ultrasonics cuenta con una larga experiencia en bioprocesos estimulados por ultrasonidos, como la estimulación celular, la fermentación, la disrupción celular y la extracción. Ofrecemos varios reactores ultrasónicos estándar de diferentes tamaños y geometrías para la sonicación en modo discontinuo y de flujo continuo. Alternativamente, ofrecemos soluciones personalizadas para la integración en su biorreactor existente. Dado que nuestros procesadores ultrasónicos son muy versátiles y sólo requieren un espacio reducido, la adaptación a plantas biotecnológicas existentes puede realizarse sin problemas.
Aquí encontrará más información sobre tipos, diseños y aplicaciones de reactores ultrasónicos.
La siguiente tabla presenta indicaciones generales para cada dispositivo según el volumen del lote o el flujo a procesar. Haga clic en cada dispositivo para obtener más información sobre el mismo.

Literatura/Referencias