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

Fermentatsioon

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 happeliseks, gaasiks või alkoholiks. See esineb pärmides ja bakterites ning ka hapnikuga nälginud lihasrakkudes, nagu piimhappe fermentatsioonil. Fermentatsiooni kasutatakse laialdasemalt, viidates kasvukeskkonda kuuluvate mikroorganismide lahuse kasvule, sageli konkreetse keemilise toote tootmiseks.
Fermentatsiooniprotsess viiakse läbi tööstuslikul skaalal, kasutades mikroorganisme, nagu bakterid ja seened fermentatsiooniks. Kääritatud tooteid kasutatakse toidus ja üldises tööstuses. Kääritamisel saadakse kemikaale, nagu äädikhape, sidrunhape ja etanool. Fermentatsioonikiirust mõjutavad mikroorganismide, rakkude, rakuliste komponentide ja ensüümide kontsentratsioon, samuti temperatuur ja pH. Aeroobse käärimise jaoks on ka võtmeteguriks hapnik. Peaaegu kõik kaubanduslikult toodetud ensüümid, nagu lipaas, invertaas ja laabiline, tehakse fermentatsioonil geneetiliselt muundatud mikroobidega.
 
Üldiselt võib fermentatsioonid jagada neljaks protsessitüübiks/etapiks:

• Biomassi tootmine (elujõuline rakumaterjal)
• Rakuväliste metaboliitide (keemiliste ühendite) tootmine
• Intratsellulaarsete komponentide (ensüümid ja muud valgud) tootmine
• Substraadi muundamine (milles transformeeritud põhimik ise on toode)

Sonikatsioon enne, pärast ja pärast fermentatsiooni

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 eeltöötlusena kasutatakse massiülekande edendamiseks ja substraadi mikroobidele kättesaadavamaks tegemiseks. Ultraheli segamine soodustab substraatide massiülekannet mikroobsetesse rakkudesse ja nendest eemal olevaid tooteid. Massiülekande ultraheli intensiivistamist saab rakendada nii eeltöötlusena kui ka kääritamise ajal.
2. Rakkude katkemine: 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 korda ja tootmisaega lühendati oluliselt 24 tunnilt 1,5 tunnini 80 ° C juures – protsessi optimeerimise edasise potentsiaaliga. Sünteetiliselt töödeldud biomass on seentele palju lihtsam muundatav, nii et ensüümi aktiivsuse stabiilsus laieneb ja CMCase, b-glükosidaasi ja ksülanaasi aktiivsus suureneb võrreldes mittesoojustatud riisikerega. Lõplikud kääritamisproduktid olid ksülotetraoos, ksülhekseoos ja kõrgem molekulmass ksüloligosahhariidid. Koostatud riisikere ksüloheksoosi saagis oli 80% kõrgem.

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 käärimissaaduste sünteesi.

Täpselt juhitav ja korduv ultrahelitöötlus aitab parandada erinevate käärimisprotsesside produktiivsust, kahjustamata rakke. Ultrahelistamise intensiivsust saab täpselt kohandada konkreetsete rakuliikide ja nende vajadustega. Kontrollitud ultraheliga töötlemisel on rakkude kasv ja ainevahetus positiivselt mõjutatud ja elusrakkude poolt katalüüsitud konversioonid oluliselt paranenud, näiteks stimuleerides bifidobaktereid piimas.
Mõne seene juhtiva fermentatsiooniprotsessi puhul kasutatakse edukalt ultrahelitöötlust, et muuta kasvu morfoloogiat ja puljongreoloogiat, ilma et see mõjutaks niisutavate seente kasvu kiirust 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.

Intratsellulaarsete komponentide nagu mikroobsed ensüümid (nt katalaas, amülaas, proteaas, pektinaas, glükoosisomeraas, tsellulaas, hemitselluloos, lipaas, laktaas, streptokinaas) ja rekombinantsete valkude (nt insuliin, B-hepatiidi vaktsiin, interferoon, granulotsüütide kolooniat stimuleerivad faktor, streptokinaas), tuleb rakke lüüsida / häirida pärast fermentatsiooniprotsessi soovitud valkude vabastamiseks. Ultrahelistamisega hõlbustatakse intratsellulaarsete ja ekstratsellulaarsete polüsahhariid-valkkomplekside ekstraktsiooni vistseljast mütseeli fermentatsioonipuljongilt. Peale selle suurepärase ekstraheerimise saagise ja efektiivsuse on ultrahelitöötlus hästi väljakujunenud ja usaldusväärne rakkude lüüsimiseks ja rakusisese aine eraldamiseks.
Vajuta siia, et lugeda ultrahelilüüsi ja ekstraheerimise kohta!

Ultraheli bioreaktorid täiustatud käärimisprotsesside jaoks

Hielscher Ultrasonics on pikka aega kogenud ultraheli stimuleeritud bioprotsessidega, nagu rakkude stimuleerimine, fermentatsioon, rakkude katkemine 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 olemasolevatesse biotehnoloogilistesse taimedesse moderniseerimist ilma probleemideta realiseerida.
Lisateavet ultraheli reaktoritüüpide, disainilahenduste ja rakenduste kohta leiate siit!
Alltoodud tabel näitab seadme üldisi soovitusi, sõltuvalt töötlemise partii mahust või voolukiirusest. Klõpsake seadme tüübil, et saada lisateavet iga seadme kohta.

Kirjandus / viited