Ultraheli bioreaktorid fermentatsiooniks

Ultraheli on tõhus vahend mikroorganismide stimuleerimiseks mehaaniliste vibratsioonide ja kavitatsiooni abil. Sonobioreaktoris / ultraheli fermentaatoris muutub rakkude ja kudede ultraheli töötlemine väga kontrollitavaks, kuna keskkonnategureid saab täpselt määrata. Ultraheli bioreaktoritega saab fermentatsiooniväljundit oluliselt suurendada.

käärimine

Fermentatsiooni efektiivsus sõltub protsessi tingimustest: Toitained, söötme tihedus, temperatuur, hapniku / gaasi sisaldus ja rõhk on olulised tegurid, mis mõjutavad mikroobide aktiivsust. Nii mikroorganismid kui ka imetajate rakud arenevad ainult teatud tingimustel. Õiged tingimused koos ultraheli stimulatsiooniga võivad maksimeerida kääritamise saagist.

Mikroorganismide ultraheli stimuleerimine

Fermentatsioon on ainevahetusprotsess, mis muudab suhkru hapeteks, gaasideks või alkoholiks. See esineb pärmis ja bakterites ning ka hapnikunäljas lihasrakkudes, nagu piimhappe kääritamise korral. Fermentatsiooni kasutatakse ka laiemalt, et viidata mikroorganismide lahtisele kasvule kasvukeskkonnas, sageli eesmärgiga toota konkreetset keemiatoodet.
Fermentatsiooniprotsess viiakse läbi tööstuslikus mastaabis, kasutades kääritamiseks mikroorganisme, nagu bakterid ja seened. Kääritatud tooteid kasutatakse toidu- ja üldtööstuses. Kemikaale, nagu äädikhape, sidrunhape ja etanool, toodetakse kääritamise teel. Fermentatsioonikiirust mõjutavad mikroorganismide, rakkude, rakuliste komponentide ja ensüümide kontsentratsioon, samuti temperatuur ja pH. Aeroobse kääritamise puhul on võtmeteguriks ka hapnik. Peaaegu kõik kaubanduslikult toodetud ensüümid, nagu lipaas, invertaas ja laap, valmistatakse kääritamise teel geneetiliselt muundatud mikroobidega.

• Biomassi tootmine (elujõuline rakuline materjal)
• Rakuväliste metaboliitide (keemiliste ühendite) tootmine
• Rakusiseste komponentide (ensüümide ja muude valkude) tootmine
• Substraadi muundamine (milles transformeeritud substraat on ise toode)

Sonikatsioon enne kääritamist, kääritamise ajal ja pärast seda

Sonikatsiooni, madala sagedusega ultraheli lainete rakendamist, saab kasutada enne kääritamist, selle ajal ja pärast kääritamist mitmel viisil ja käärimisprotsessi erinevatel etappidel.

Ultraheli eelkääritamise ravi – Biomassi kättesaadavuse parandamine

1. Täiustatud massiülekanne: Sonikatsiooni kui eeltöötlust kasutatakse massiülekande soodustamiseks ja substraadi mikroobidele kättesaadavamaks muutmiseks. Ultraheli segamine soodustab substraatide massiülekannet mikroobirakkudesse ja toodetest eemale. Massiülekande ultraheli intensiivistamist saab rakendada nii eeltöötlusena kui ka kääritamise ajal.
2. Rakkude häired: Sonikatsiooni saab kasutada rakuseinte ja membraanide häirimiseks, eriti mikroobi- või pärmikultuurides. See aitab vabastada rakusiseseid komponente, nagu ensüümid või metaboliidid, mis võivad parandada fermentatsiooni jõudlust või hõlbustada järgnevaid protsesse.
3. Rakusiseste ühendite ekstraheerimine: Sonikatsioon võib aidata rakusiseste ühendite ekstraheerimisel bioloogilistest materjalidest enne kääritamist. See hõlmab ensüümide, valkude, nukleiinhapete või muude sihtühendite ekstraheerimist rakkudest, kudedest või taimsetest materjalidest hilisemaks kasutamiseks käärimisprotsessides.

Näiteks kasutati riisikere ultraheli eeltöötlust, et suurendada ensümaatilise hüdrolüüsi ksülooligosasahhariidide tootmiseks Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Ultrahelitöötlusega suurendati oluliselt tsellulolüütiliste ja ksülanolüütiliste ensüümide tootmist riisikerest. Hemitselluloosi saagist suurendati ultrahelitöötluse ajal 1,4-kordselt ja tootmisaega lühendati oluliselt 24 tunnilt 1,5 tunnini 80 ° C juures – protsessi optimeerimise täiendava potentsiaaliga. Ultraheliga töödeldud biomass on seente jaoks palju lihtsam konverteeritav, nii et ensüümi aktiivsuse stabiilsus laieneb ja CMCase, b-glükosidaasi ja ksülanaasi aktiivsus suureneb võrreldes ultraheliga töötlemata riisikerega. Lõplikud fermentatiivsed tooted olid ksülotetraoos, ksüloheksaoos ja suurema molekulmassiga ksülooligosahhariidid. Ultraheliga töödeldud riisikere ksüloheksoosi saagis oli 80% suurem.

Ultraheli abil kääritamine – Mikroobide stimuleerimine

• Segamine ja homogeniseerimine: Sonikatsiooni võib kääritamise ajal kasutada segamismeetodina. Ultraheli lainete kasutamine aitab luua mikrovoogesitust ja soodustab homogeensust, tagades toitainete, gaaside ja mikroorganismide ühtlase jaotumise fermentatsioonianumas.
• Massülekande täiustamine: Seotud parema segamise ja homogeniseerimisega on ultraheli paranenud massiülekande kiirused kääritamise ajal. Ultraheli võnkumine ja kavitatsioon loovad lokaliseeritud turbulentsi ja suurendavad substraatide, gaaside ja toitainete difusiooni käärimispuljongisse. See võib parandada käärimisprotsessi üldist tõhusust ja tootlikkust.
• Rakkude eluvõimelisuse ja metaboolse aktiivsuse parandamine: Sonikatsiooni võib kääritamise ajal rakendada mikroobikultuuridele, et suurendada rakkude elujõulisust ja metaboolset aktiivsust. Kerge ultrahelitöötlus võib stimuleerida teatud mikroorganisme, soodustades kasvu, biomassi tootmist ja soovitud metaboliitide või fermentatsioonisaaduste sünteesi.

Täpselt kontrollitav ja korratav ultrahelitöötlus aitab parandada erinevate fermentatsiooniprotsesside tootlikkust rakke kahjustamata. Ultrahelitöötluse intensiivsust saab täpselt kohandada konkreetsete rakuliikide ja selle nõuetega. Kontrollitud ultrahelitöötlusega mõjutatakse positiivselt rakkude kasvu ja ainevahetust ning elusrakkude poolt katalüüsitud konversioonid paranevad märkimisväärselt, nt stimuleerides bifidobaktereid piimas.
Mõnede seente juhitud käärimisprotsesside puhul kasutatakse ultrahelitöötlust edukalt kasvu morfoloogia ja puljongi reoloogia muutmiseks, mõjutamata filamentsete seente kasvukiirust ja saagist.

Ultraheli käärimisjärgne ravi

• Rakkude kogumine ja eraldamine: Sonikatsioon võib aidata rakkude koristamisel ja eraldamisel pärast kääritamist. See võib aidata purustada rakkude agregaate, flokulante või biokilesid, hõlbustades rakkude vabanemist käärimispuljongist. See lihtsustab järgnevaid protsesse, nagu rakkude taastamine või toote puhastamine.
• Rakusiseste toodete ekstraheerimine: Pärast kääritamist võib ultrahelitöötlust kasutada rakusiseste toodete, näiteks ensüümide, valkude või sekundaarsete metaboliitide ekstraheerimiseks mikroobsest või rakulisest biomassist. See ekstraheerimisprotsess aitab taastada väärtuslikke ühendeid ja parandab käärimisprotsessi üldist saagist.
• Rakkude lagunemine analüütilistel eesmärkidel: Sonikatsiooni võib kasutada rakkude või mikroobiproovide katkestamiseks pärast kääritamist, eriti analüütilistel eesmärkidel. See aitab kaasa rakkude lüüsile ja rakusisese sisu vabanemisele, hõlbustades rakukomponentide analüüsi või tehes järgnevaid teste.

Rakusiseste komponentide, näiteks mikroobsete ensüümide (nt katalaas, amülaas, proteaas, pektinaas, glükoosi isomeraas, tsellulaas, hemitselluloos, lipaas, laktaas, streptokinaas) ja rekombinantsete valkude (nt insuliin, B-hepatiidi vaktsiin, interferoon, granulotsüütide kolooniat stimuleeriv faktor, streptokinaas) tootmiseks tuleb rakud pärast käärimisprotsessi lüüsida / katkestada, et vabastada soovitud valgud. Ultrahelitöötlusega hõlbustatakse rakusiseste ja rakuväliste polüsahhariidi-valgu komplekside ekstraheerimist viskoossest mütseeli fermentatsioonipuljongist. Lisaks silmapaistvale ekstraheerimissaagisele ja efektiivsusele on ultrahelitöötlus hästi välja kujunenud ja usaldusväärne rakkude lüüsi ja rakusisese aine ekstraheerimiseks.
Klõpsake siin, et lugeda mor ultraheli lüüsi ja ekstraheerimise kohta!

Ultraheli bioreaktorid täiustatud käärimisprotsesside jaoks

Hielscher Ultrasonics on pikka aega kogenud ultraheli stimuleeritud bioprotsessidega, nagu rakkude stimuleerimine, fermentatsioon, rakkude katkestamine ja ekstraheerimine. Pakume erinevaid standardseid erineva suuruse ja geomeetriaga ultraheli reaktoreid ultrahelitöötluseks partii- ja läbivoolurežiimis. Teise võimalusena pakume kohandatud lahendusi integreerimiseks teie olemasolevasse bioreaktorisse. Kuna meie ultraheli protsessorid on väga mitmekülgsed ja vajavad ainult väikest ruumi, saab olemasolevate biotehnoloogiliste taimede moderniseerimist ilma probleemideta realiseerida.
Lisateavet ultraheli reaktoritüüpide, disainilahenduste ja rakenduste kohta leiate siit!
Allolevas tabelis on toodud seadme üldised soovitused sõltuvalt töödeldava partii mahust või voolukiirusest. Klõpsake seadme tüübil, et saada iga seadme kohta lisateavet.

Kirjandus / viited