Ultraheli bioreaktorid kääritamiseks

Ultraheli on tõhus vahend mikroorganismide stimuleerimiseks mehaaniliste vibratsioonide ja kavitatsiooni abil. Sonobioreaktoris / ultraheli fermenteris muutub rakkude ja kudede ultraheli töötlus väga hästi kontrollitavaks, kuna keskkonnategurid on täpselt määratavad. Ultraheli bioreaktorite abil saab kääritamise saagist oluliselt suurendada.

Kääritamine

Kääritamise tõhusus sõltub protsessitingimustest: toitained, söötme tihedus, temperatuur, hapniku / gaasi sisaldus ja rõhk on olulised tegurid, mis mõjutavad mikroobide aktiivsust. Mikroorganismid ja ka imetajarakud arenevad hästi ainult teatud tingimustes. Õiged tingimused koos ultraheli stimulatsiooniga võivad kääritamise saagist maksimeerida.

Mikroorganismide ultraheli stimulatsioon

Kääritamine on ainevahetusprotsess, mis muudab suhkru hapeteks, gaasideks või alkoholiks. See toimub pärmis ja bakterites ning ka hapnikuvaeguses lihasrakkudes, nagu piimhappekääritamise puhul. Kääritamist kasutatakse laiemalt ka mikroorganismide massilise kasvu tähistamiseks kasvusöötmel, sageli eesmärgiga toota kindlat keemilist toodet.
Kääritamisprotsesse viiakse tööstuslikus mastaabis läbi, kasutades kääritamiseks mikroorganisme, näiteks baktereid ja seeni. Kääritatud tooteid kasutatakse toiduainetööstuses ja üldtööstuses. Kääritamise teel toodetakse selliseid kemikaale nagu äädikhape, sidrunhape ja etanool. Kääritamiskiirust mõjutavad mikroorganismide, rakkude, rakukomponentide ja ensüümide kontsentratsioon ning samuti temperatuur ja pH. Aeroobse kääritamise puhul on ka hapnik võtmetegur. Peaaegu kõik kaubanduslikult toodetud ensüümid, näiteks lipaas, invertaas ja renniin, valmistatakse kääritamise teel geneetiliselt muundatud mikroobidega.

Üldiselt võib kääritamise jagada neljaks protsessitüübiks/etapiks:

• Biomassi (elujõulise rakumaterjali) tootmine
• Rakuväliste metaboliitide (keemiliste ühendite) tootmine
• Rakusiseste komponentide (ensüümide ja muude valkude) tootmine
• Substraadi muundamine (kus muundatud substraat ise on toode)

Ultraheli töötlus enne kääritamist, selle ajal ja pärast seda

Ultraheli töötlust (sonikeerimist), madalsageduslike ultrahelilainete rakendamist, saab kasutada enne kääritamist, selle ajal ja pärast seda mitmel viisil ja kääritamisprotsessi eri etappidel.

Ultraheli eeltöötlus enne kääritamist – biomassi kättesaadavuse parandamine

1. Parem massiülekanne: Ultraheli töötlust eeltöötlusena kasutatakse massiülekande soodustamiseks ja substraadi muutmiseks mikroobidele paremini kättesaadavaks. Ultraheliga segamine soodustab substraatide massiülekannet mikroobirakkudesse ja saaduste eemaldumist rakkudest. Massiülekande ultraheliga intensiivistamist saab rakendada nii eeltöötlusena kui ka kääritamise ajal.
2. Rakkude lõhkumine: Ultraheli töötlust saab kasutada rakuseinte ja membraanide lõhkumiseks, eriti mikroobi- või pärmikultuurides. See aitab vabastada rakusiseseid komponente, näiteks ensüüme või metaboliite, mis võivad parandada kääritamise jõudlust või hõlbustada järgnevaid töötlusetappe.
3. Rakusiseste ühendite ekstraheerimine: Ultraheli töötlus võib aidata ekstraheerida rakusiseseid ühendeid bioloogilistest materjalidest enne kääritamist. See hõlmab ensüümide, valkude, nukleiinhapete või muude sihtühendite ekstraheerimist rakkudest, kudedest või taimsest materjalist hilisemaks kasutamiseks kääritamisprotsessides.

Näiteks kasutati riisikestade ultraheli eeltöötlust ensüümse hüdrolüüsi tõhustamiseks ksülo-oligosahhariidide tootmisel seene Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1) abil. Ultraheli töötluse (sonikeerimise) abil suurenes oluliselt tselluloolüütiliste ja ksülanolüütiliste ensüümide tootmine riisikestadest. Hemitselluloosi saagis suurenes ultraheli töötluse toimel 1,4-kordseks ja tootmisaeg lühenes oluliselt – 24 tunnilt 1,5 tunnini temperatuuril 80ºC – ning protsessi edasine optimeerimine on veel võimalik. Sonikeeritud biomass on seentele palju kergemini muundatav, mistõttu ensüümi aktiivsuse stabiilsus pikeneb ning CMCaasi, b-glükosidaasi ja ksülanaasi aktiivsus suureneb võrreldes sonikeerimata riisikestadega. Lõplikud fermentatsiooniproduktid olid ksülotetraoos, ksülohexaoos ja suurema molekulmassiga ksülo-oligosahhariidid. Ksülohexaoosi saagis sonikeeritud riisikestadest oli 80% suurem.

Ultrahelitoega kääritamine – mikroobide stimuleerimine

• Segamine ja homogeniseerimine: Ultraheli töötlust (sonikeerimist) saab kasutada segamismeetodina kääritamise ajal. Ultrahelilainete rakendamine aitab tekitada mikrovoolu ja soodustab homogeensust, tagades toitainete, gaaside ja mikroorganismide ühtlase jaotumise kääritusanumas.
• Massiülekande tõhustamine: Paranenud segamise ja homogeniseerimisega on seotud kääritamise ajal ultraheli abil paranenud massiülekande kiirused. Ultraheli ostsillatsioon ja kavitatsioon tekitavad lokaalset turbulentsi ning tõhustavad substraatide, gaaside ja toitainete difusiooni kääritussöötmesse. See võib parandada kääritusprotsessi üldist tõhusust ja tootlikkust.
• Rakkude elujõulisuse ja ainevahetusaktiivsuse parandamine: Ultraheli töötlust (sonikeerimist) saab rakendada mikroobikultuuridele kääritamise ajal, et suurendada rakkude elujõulisust ja ainevahetusaktiivsust. Õrn ultraheli töötlus võib stimuleerida teatud mikroorganisme, soodustades kasvu, biomassi tootmist ning soovitud metaboliitide või käärimisproduktide sünteesi.

Täpselt juhitav ja korratav ultraheli töötlus (sonikeerimine) aitab parandada mitmesuguste kääritusprotsesside tootlikkust rakke kahjustamata. Ultraheli töötluse intensiivsust saab täpselt kohandada konkreetse rakuliigi ja selle vajadustega. Kontrollitud ultraheli töötlusega mõjutatakse positiivselt rakkude kasvu ja ainevahetust ning elusrakkude katalüüsitavaid muundumisi parandatakse oluliselt, nt stimuleerides piimas bifidobaktereid.
Mõnede seentest sõltuvate kääritusprotsesside puhul kasutatakse ultraheli töötlust edukalt kasvumorfoloogia ja söötme reoloogia muutmiseks, mõjutamata niitjate seente kasvukiirust ja saagist.

Ultraheli järeltöötlus pärast kääritamist

• Rakkude kogumine ja eraldamine: Ultraheli töötlus (sonikeerimine) võib abistada rakkude kogumisel ja eraldamisel pärast kääritamist. See võib aidata lõhkuda rakuagregaate, flokulante või biofilme, hõlbustades rakkude vabanemist kääritussöötmest. See lihtsustab hilisemaid järeltöötlusprotsesse, nagu rakkude taaskasutamine või toote puhastamine.
• Rakusiseste saaduste ekstraheerimine: Pärast kääritamist saab ultraheli töötlust (sonikeerimist) kasutada rakusiseste saaduste, nagu ensüümid, valgud või sekundaarsed metaboliidid, ekstraheerimiseks mikroobide või rakkude biomassist. See ekstraheerimisprotsess aitab taaskasutada väärtuslikke ühendeid ja parandab kääritusprotsessi üldist saagist.
• Rakkude desintegreerimine analüütilisteks eesmärkideks: Ultraheli töötlust (sonikeerimist) saab rakendada rakkude või mikroobiproovide lõhkumiseks pärast kääritamist, eriti analüütilistel eesmärkidel. See soodustab rakkude lüüsi ja rakusisu vabanemist, hõlbustades rakukomponentide analüüsi või järgnevate analüüside tegemist.

Rakusiseste komponentide, nagu mikroobsed ensüümid (nt katalaas, amülaas, proteaas, pektinaas, glükoosi isomeraas, tsellulaas, hemitsellulaas, lipaas, laktaas, streptokinaas) ja rekombinantsed valgud (nt insuliin, B-hepatiidi vaktsiin, interferoon, granulotsüütide kolooniaid stimuleeriv faktor, streptokinaas) tootmiseks tuleb rakud pärast fermentatsiooniprotsessi lüüsida / desintegreerida, et vabastada soovitud valgud. Ultraheli töötlusega (sonikeerimisega) hõlbustatakse rakusiseste ja rakuväliste polüsahhariid–valk kompleksside ekstraheerimist viskoossest müütseelsest fermentatsioonipuljongist. Lisaks suurepärasele ekstraktsioonisaagisele ja -efektiivsusele on sonikeerimine rakulüüsiks ja rakusisese aine ekstraheerimiseks hästi väljakujunenud ning usaldusväärne.
Klõpsake siin, et lugeda lähemalt ultraheli lüüsi ja ekstraheerimise kohta!

Ultraheli bioreaktorid täiustatud fermentatsiooniprotsessideks

Hielscher Ultrasonics on pikaajalise kogemusega ultraheliga stimuleeritud bioprotsesside, nagu rakkude stimuleerimine, fermentatsioon, rakkude lõhkumine ja ekstraheerimine, vallas. Pakume erineva suuruse ja geomeetriaga standardseid ultraheli reaktoreid ultraheli töötluseks partii- ja läbivoolurežiimis. Teise võimalusena pakume kohandatud lahendusi integreerimiseks teie olemasolevasse bioreaktorisse. Kuna meie ultraheli protsessorid on väga mitmekülgsed ja vajavad vähe ruumi, on olemasolevatesse biotehnoloogilistesse tehastesse järelpaigaldamine probleemideta teostatav.
Lugege siit lähemalt ultraheli reaktorite tüüpide, konstruktsioonide ja rakenduste kohta!
Allolev tabel annab üldised seadmesoovitused sõltuvalt töödeldavast partii mahust või vooluhulgast. Klõpsake seadme tüübil, et saada iga seadme kohta lisateavet.

Kirjandus/viited

• 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.