زیست‌راکتورهای فراصوتی برای تخمیر
فراصوت روشی مؤثر برای تحریک میکروارگانیسم‌ها از طریق ارتعاشات مکانیکی و کاویتاسیون است. در زیست‌راکتور فراصوتی / تخمیرکنندهٔ فراصوتی، تیمار فراصوتی سلول‌ها و بافت را می‌توان با دقت بسیار بالایی کنترل کرد، زیرا عوامل محیطی را می‌توان به‌طور دقیق تعیین کرد. با زیست‌راکتورهای فراصوتی می‌توان میزان تولید حاصل از تخمیر را به‌طور چشمگیری افزایش داد.
تخمیر
کارایی تخمیر به شرایط فرایند بستگی دارد: مواد مغذی، چگالی محیط، دما، میزان اکسیژن / گاز و فشار از عوامل مهم مؤثر بر فعالیت میکروبی هستند. میکروارگانیسم‌ها و همچنین سلول‌های پستانداران تنها در شرایط معینی به‌خوبی رشد می‌کنند. شرایط مناسب همراه با تحریک فراصوتی می‌تواند بازده تخمیر را به حداکثر برساند.
تحریک فراصوتی میکروارگانیسم‌ها
تخمیر فرایندی متابولیکی است که قند را به اسیدها، گازها یا الکل تبدیل می‌کند. این فرایند در مخمرها و باکتری‌ها و همچنین در سلول‌های عضلانی دچار کمبود اکسیژن، مانند آنچه در تخمیر اسید لاکتیک رخ می‌دهد، انجام می‌شود. اصطلاح تخمیر در معنایی گسترده‌تر به رشد انبوه میکروارگانیسم‌ها روی محیط کشت نیز اطلاق می‌شود که اغلب با هدف تولید یک محصول شیمیایی مشخص صورت می‌گیرد.
فرایندهای تخمیر در مقیاس صنعتی با استفاده از میکروارگانیسم‌هایی مانند باکتری‌ها و قارچ‌ها انجام می‌شوند. محصولات تخمیری در صنایع غذایی و صنایع عمومی کاربرد دارند. مواد شیمیایی مانند اسید استیک، اسید سیتریک و اتانول از طریق تخمیر تولید می‌شوند. سرعت تخمیر تحت تأثیر غلظت میکروارگانیسم‌ها، سلول‌ها، اجزای سلولی و آنزیم‌ها و همچنین دما و pH قرار دارد. در تخمیر هوازی، اکسیژن نیز عاملی کلیدی است. تقریباً همهٔ آنزیم‌هایی که به‌صورت تجاری تولید می‌شوند، مانند لیپاز، اینورتاز و مایهٔ پنیر، از طریق تخمیر با میکروب‌های اصلاح‌شدهٔ ژنتیکی ساخته می‌شوند.
هموژنایزر فراصوتی UIP2000hdT (2kW) همراه با راکتور ناپیوسته
به‌طور کلی، تخمیرها را می‌توان به چهار نوع / مرحلهٔ فرایندی تقسیم کرد:
- تولید زیست‌توده (مادهٔ سلولی زنده)
- تولید متابولیت‌های برون‌سلولی (ترکیبات شیمیایی)
- تولید اجزای درون‌سلولی (آنزیم‌ها و سایر پروتئین‌ها)
- تبدیل سوبسترا (که در آن، سوبسترای تبدیل‌شده خود محصول است)
فراصوت‌دهی پیش از تخمیر، حین آن و پس از آن
فراصوت‌دهی، یعنی اعمال امواج فراصوت با فرکانس پایین، می‌تواند پیش از تخمیر، حین آن و پس از آن، به روش‌های گوناگون و در مراحل مختلف فرایند تخمیر به کار رود.
تیمار فراصوتی پیش از تخمیر – بهبود دسترس‌پذیری زیست‌توده
- بهبود انتقال جرم: فراصوت‌دهی به‌عنوان پیش‌تیمار برای تقویت انتقال جرم و افزایش دسترسی میکروب‌ها به سوبسترا استفاده می‌شود. اختلاط فراصوتی انتقال جرم سوبستراها به سلول‌های میکروبی و انتقال محصولات به بیرون از آن‌ها را تقویت می‌کند. تشدید فراصوتی انتقال جرم را می‌توان هم به‌عنوان پیش‌تیمار و هم در حین تخمیر به کار برد.
- تخریب سلولی: فراصوت‌دهی را می‌توان برای تخریب دیواره‌ها و غشاهای سلولی، به‌ویژه در کشت‌های میکروبی یا مخمری، به کار برد. این کار به آزادسازی اجزای درون‌سلولی مانند آنزیم‌ها یا متابولیت‌ها کمک می‌کند و می‌تواند عملکرد تخمیر را بهبود دهد یا فرایندهای پایین‌دستی را تسهیل کند.
- استخراج ترکیبات درون‌سلولی: فراصوت‌دهی می‌تواند به استخراج ترکیبات درون‌سلولی از مواد زیستی پیش از تخمیر کمک کند. این کاربرد شامل استخراج آنزیم‌ها، پروتئین‌ها، اسیدهای نوکلئیک یا سایر ترکیبات هدف از سلول‌ها، بافت‌ها یا مواد گیاهی برای استفادهٔ بعدی در فرایندهای تخمیر است.
برای نمونه، پیش‌تیمار فراصوتی پوستهٔ برنج برای تقویت هیدرولیز آنزیمی به‌منظور تولید زایلوالیگوساکاریدها توسط Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1) به کار رفت. با فراصوت‌دهی، تولید آنزیم‌های سلولولیتیک و زایلانولیتیک از پوستهٔ برنج به‌طور چشمگیری افزایش یافت. بازده همی‌سلولز تحت فراصوت‌دهی به 1٫4 برابر افزایش یافت و زمان تولید در دمای 80ºC به میزان چشمگیری از 24 h به 1٫5 h کاهش پیدا کرد – ضمن آنکه همچنان امکان بهینه‌سازی بیشتر فرایند وجود دارد. زیست‌تودهٔ فراصوت‌دهی‌شده برای قارچ‌ها بسیار آسان‌تر قابل تبدیل است؛ در نتیجه، پایداری فعالیت آنزیمی طولانی‌تر می‌شود و فعالیت CMCase، b-glucosidase و زایلاناز در مقایسه با پوستهٔ برنج فراصوت‌دهی‌نشده افزایش می‌یابد. محصولات نهایی تخمیر شامل زایلوتترائوز، زایلوهگزائوز و زایلوالیگوساکاریدهای دارای وزن مولکولی بالاتر بودند. بازده زایلوهگزائوز حاصل از پوستهٔ برنج فراصوت‌دهی‌شده 80% بیشتر بود.
فراصوت‌دهی پیش از تخمیر، مقدار مواد مغذی قابل‌تخمیرِ در دسترس را افزایش می‌دهد
تخمیر به کمک فراصوت – تحریک میکروب‌ها
- اختلاط و همگن‌سازی: فراصوت‌دهی را می‌توان به‌عنوان روشی برای اختلاط در حین تخمیر به کار برد. اعمال امواج فراصوت به ایجاد ریزجریان‌ها کمک می‌کند و همگنی را افزایش می‌دهد و بدین ترتیب توزیع یکنواخت مواد مغذی، گازها و میکروارگانیسم‌ها را درون مخزن تخمیر تضمین می‌کند.
- تقویت انتقال جرم: افزایش نرخ انتقال جرم به کمک فراصوت در حین تخمیر با بهبود اختلاط و همگن‌سازی مرتبط است. نوسانات فراصوتی و کاویتاسیون، آشفتگی موضعی ایجاد می‌کنند و انتشار سوبستراها، گازها و مواد مغذی را به درون محیط مایع تخمیر تقویت می‌کنند. این امر می‌تواند کارایی و بهره‌وری کلی فرایند تخمیر را بهبود دهد.
- بهبود زنده‌مانی سلولی و فعالیت متابولیکی: فراصوت‌دهی را می‌توان در حین تخمیر بر کشت‌های میکروبی اعمال کرد تا زنده‌مانی سلولی و فعالیت متابولیکی افزایش یابد. فراصوت‌دهی ملایم می‌تواند میکروارگانیسم‌های معینی را تحریک کند و رشد، تولید زیست‌توده و سنتز متابولیت‌ها یا محصولات تخمیری مطلوب را تقویت کند.
فراصوت‌دهیِ تکرارپذیر و قابل‌کنترل با دقت بالا، به بهبود بهره‌وری فرایندهای مختلف تخمیر بدون آسیب‌رساندن به سلول‌ها کمک می‌کند. شدت فراصوت‌دهی را می‌توان دقیقاً با گونهٔ سلولی مشخص و نیازهای آن تطبیق داد. فراصوت‌دهی کنترل‌شده بر رشد و متابولیسم سلول اثر مثبت می‌گذارد و تبدیل‌هایی را که سلول‌های زنده کاتالیز می‌کنند به‌طور چشمگیری بهبود می‌دهد؛ برای نمونه، تحریک Bifidobacteria در شیر.
در برخی فرایندهای تخمیر مبتنی بر قارچ، فراصوت‌دهی با موفقیت برای تغییر ریخت‌شناسی رشد و رئولوژی محیط مایع کشت، بدون تأثیر بر سرعت رشد و بازده قارچ‌های رشته‌ای، به کار می‌رود.
تیمار فراصوتی پس از تخمیر
- برداشت و جداسازی سلول‌ها: فراصوت‌دهی می‌تواند به برداشت و جداسازی سلول‌ها پس از تخمیر کمک کند. این روش می‌تواند به شکستن تجمعات سلولی، عوامل لخته‌ساز یا زیست‌لایه‌ها کمک کند و آزادسازی سلول‌ها از محیط مایع تخمیر را تسهیل کند. این امر فرایندهای پایین‌دستی بعدی، مانند بازیابی سلول‌ها یا خالص‌سازی محصول، را ساده‌تر می‌کند.
- استخراج محصولات درون‌سلولی: پس از تخمیر، می‌توان از فراصوت‌دهی برای استخراج محصولات درون‌سلولی مانند آنزیم‌ها، پروتئین‌ها یا متابولیت‌های ثانویه از زیست‌تودهٔ میکروبی یا سلولی استفاده کرد. این فرایند استخراج به بازیابی ترکیبات ارزشمند کمک می‌کند و بازده کلی فرایند تخمیر را بهبود می‌دهد.
- متلاشی‌سازی سلول‌ها برای اهداف تحلیلی: فراصوت‌دهی را می‌توان برای تخریب سلول‌ها یا نمونه‌های میکروبی پس از تخمیر، به‌ویژه برای اهداف تحلیلی، به کار برد. این روش به لیز سلولی و آزادسازی محتویات درون‌سلولی کمک می‌کند و تحلیل اجزای سلولی یا انجام سنجش‌های پایین‌دستی را تسهیل می‌کند.
برای تولید اجزای درون‌سلولی مانند آنزیم‌های میکروبی (از جمله کاتالاز، آمیلاز، پروتئاز، پکتیناز، گلوکز ایزومراز، سلولاز، همی‌سلولاز، لیپاز، لاکتاز و استرپتوکیناز) و پروتئین‌های نوترکیب (از جمله انسولین، واکسن هپاتیت B، اینترفرون، فاکتور محرک کلونی گرانولوسیتی و استرپتوکیناز)، سلول‌ها باید پس از فرایند تخمیر لیز / تخریب شوند تا پروتئین‌های مطلوب آزاد شوند. فراصوت‌دهی استخراج کمپلکس‌های پلی‌ساکارید–پروتئین درون‌سلولی و برون‌سلولی را از محیط مایع و گرانروی تخمیر میسلیومی تسهیل می‌کند. فراصوت‌دهی علاوه بر بازده و کارایی برجسته در استخراج، روشی جاافتاده و قابل‌اعتماد برای لیز سلولی و استخراج مواد درون‌سلولی است.
برای مطالعهٔ بیشتر دربارهٔ لیز و استخراج فراصوتی، اینجا کلیک کنید!
زیست‌راکتورهای فراصوتی برای بهبود فرایندهای تخمیر
Hielscher Ultrasonics تجربه‌ای طولانی در زمینهٔ فرایندهای زیستی تحریک‌شده با فراصوت، مانند تحریک سلولی، تخمیر، تخریب سلولی و استخراج دارد. ما انواع راکتورهای فراصوتی استاندارد را با اندازه‌ها و هندسه‌های مختلف برای فراصوت‌دهی در حالت ناپیوسته و جریان عبوری عرضه می‌کنیم. همچنین، راهکارهای سفارشی برای یکپارچه‌سازی با زیست‌راکتور موجود شما ارائه می‌دهیم. از آنجا که پردازشگرهای فراصوتی ما بسیار چندمنظوره هستند و تنها به فضای کمی نیاز دارند، نصب آن‌ها در تأسیسات زیست‌فناوری موجود بدون مشکل امکان‌پذیر است.
اینجا دربارهٔ انواع، طراحی‌ها و کاربردهای راکتورهای فراصوتی بیشتر بخوانید!
جدول زیر توصیه‌های کلی برای انتخاب دستگاه را بر اساس حجم بچ یا دبی مورد پردازش نشان می‌دهد. برای دریافت اطلاعات بیشتر دربارهٔ هر دستگاه، روی نوع دستگاه کلیک کنید.
| حجم بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 0٫5 تا 1٫5mL | قابل‌اعمال نیست | VialTweeter |
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP1000hdT, UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000 |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
سونیکاتور UIP1000hdT همراه با سلول جریان برای تشدید فراصوتی فرایندهای تخمیر
منابع / مراجع
- 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.
هموژنایزرهای فراصوتی پرتوان، از مقیاس آزمایشگاهی تا مقیاس پایلوت و صنعتی .