Ultraäänibioreaktorit käymiseen

Ultrasonics on tehokas keino stimuloida mikro-organismeja mekaanisilla värähtelyillä ja kavitaatiolla. Sonobioreaktorissa / ultraäänifermentorissa solujen ja kudosten ultraäänikäsittely on erittäin hallittavissa, koska ympäristötekijät voidaan määrittää tarkasti. Ultraäänibioreaktoreilla käymistehoa voidaan parantaa merkittävästi.

käyminen

Fermentoinnin tehokkuus riippuu prosessiolosuhteista: Ravintoaineet, väliaineen tiheys, lämpötila, happi / kaasupitoisuus ja paine ovat tärkeitä tekijöitä, jotka vaikuttavat mikrobiaktiivisuuteen. Mikro-organismit ja nisäkässolut viihtyvät vain tietyissä olosuhteissa. Oikeat olosuhteet yhdistettynä ultraäänistimulaatioon voivat maksimoida käymisen saannon.

Mikro-organismien ultraäänistimulaatio

Käyminen on aineenvaihduntaprosessi, joka muuntaa sokerin hapoiksi, kaasuiksi tai alkoholiksi. Sitä esiintyy hiivassa ja bakteereissa sekä hapen nälkäisissä lihassoluissa, kuten maitohapon käymisen tapauksessa. Fermentointia käytetään myös laajemmin viittaamaan mikro-organismien bulkkikasvuun kasvualustalla, usein tavoitteena tuottaa tietty kemiallinen tuote.
Fermentointiprosessi suoritetaan teollisessa mittakaavassa käyttämällä mikro-organismeja, kuten bakteereja ja sieniä käymiseen. Fermentoituja tuotteita käytetään elintarvike- ja yleisessä teollisuudessa. Kemikaalit, kuten etikkahappo, sitruunahappo ja etanoli, valmistetaan fermentoimalla. Käymisnopeuteen vaikuttavat mikro-organismien, solujen, solukomponenttien ja entsyymien pitoisuus sekä lämpötila ja pH. Aerobisessa käymisessä happi on myös avaintekijä. Lähes kaikki kaupallisesti tuotetut entsyymit, kuten lipaasi, invertaasi ja juoksute, valmistetaan fermentoimalla geneettisesti muunnetuilla mikrobeilla.

• Biomassan tuotanto (elinkelpoinen solumateriaali)
• Solunulkoisten metaboliittien (kemiallisten yhdisteiden) tuotanto
• Solunsisäisten komponenttien (entsyymien ja muiden proteiinien) tuotanto
• Substraatin transformaatio (jossa muunnettu substraatti on itse tuote)

Sonikaatio ennen käymistä, käymisen aikana ja sen jälkeen

Sonikaatiota, matalataajuisten ultraääniaaltojen käyttöä, voidaan käyttää ennen käymistä, sen aikana ja sen jälkeen eri tavoin ja käymisprosessin eri vaiheissa.

Ultraääni esifermentaatiohoito – Biomassan saatavuuden parantaminen

1. Parannettu massansiirto: Sonikaatiota esikäsittelynä käytetään edistämään massansiirtoa ja tekemään substraatista enemmän mikrobien saatavilla. Ultraäänisekoitus edistää substraattien massansiirtoa mikrobisoluihin ja tuotteita pois. Massansiirron ultraäänitehostusta voidaan käyttää sekä esikäsittelynä että käymisen aikana.
2. Solun häiriöt: Sonikaatiota voidaan käyttää soluseinien ja kalvojen häiritsemiseen, erityisesti mikrobi- tai hiivaviljelmissä. Tämä auttaa vapauttamaan solunsisäisiä komponentteja, kuten entsyymejä tai metaboliitteja, jotka voivat parantaa käymiskykyä tai helpottaa loppupään prosesseja.
3. Solunsisäisten yhdisteiden uuttaminen: Sonikaatio voi auttaa solunsisäisten yhdisteiden uuttamisessa biologisista materiaaleista ennen käymistä. Tähän sisältyy entsyymien, proteiinien, nukleiinihappojen tai muiden kohdeyhdisteiden uuttaminen soluista, kudoksista tai kasvimateriaaleista myöhempää käyttöä varten käymisprosesseissa.

Esimerkiksi riisinkuoren ultraääniesikäsittelyä käytettiin Aspergillus japonicuksen (var. japonicus CY6-1) ksylooligosakkaridien tuotannon entsymaattisen hydrolyysin tehostamiseen. Sonikaatiolla sellulolyyttisten ja ksylanolyyttisten entsyymien tuotanto riisin rungosta parani merkittävästi. Hemiselluloosan saanto nostettiin 1,4-kertaiseksi sonikaatiossa ja tuotantoaika lyheni huomattavasti 24 tunnista 1,5 tuntiin 80 ºC: ssa – prosessien optimoinnin lisäpotentiaalilla. Sonikoitu biomassa on paljon helpompi vaihtaa sienille siten, että entsyymiaktiivisuuden stabiilisuus laajenee ja CMCaasin, b-glukosidaasin ja ksylanaasin aktiivisuus lisääntyy verrattuna ei-sonikoituun riisinrunkoon. Lopulliset fermentatiiviset tuotteet olivat ksylotetraoosi, ksyloheksoosi ja korkeamman molekyylipainon omaavat ksylooligosakkaridit. Sonikoidun riisin rungon ksyloheksoosin saanto oli 80% suurempi.

Ultraäänellä avustettu käyminen – Mikrobien stimulointi

• Sekoittaminen ja homogenointi: Sonikaatiota voidaan käyttää sekoitustekniikkana käymisen aikana. Ultraääniaaltojen käyttö auttaa luomaan mikrovirtausta ja edistää homogeenisuutta varmistaen ravinteiden, kaasujen ja mikro-organismien tasaisen jakautumisen käymisastiassa.
• Massansiirron tehostaminen: Parannettuun sekoittamiseen ja homogenointiin liittyvät ultraäänellä parannetut massansiirtonopeudet käymisen aikana. Ultraäänivärähtely ja kavitaatio luovat paikallista turbulenssia ja parantavat substraattien, kaasujen ja ravinteiden diffuusiota käymisliemeen. Tämä voi parantaa käymisprosessin yleistä tehokkuutta ja tuottavuutta.
• Solujen elinkelpoisuuden ja aineenvaihdunnan aktiivisuuden parantaminen: Sonikaatiota voidaan soveltaa mikrobiviljelmiin käymisen aikana solujen elinkelpoisuuden ja aineenvaihdunnan aktiivisuuden parantamiseksi. Lievä sonikaatio voi stimuloida tiettyjä mikro-organismeja, edistää kasvua, biomassan tuotantoa ja haluttujen metaboliittien tai käymistuotteiden synteesiä.

Tarkasti hallittava ja toistettava sonikaatio auttaa parantamaan eri käymisprosessien tuottavuutta vahingoittamatta soluja. Sonikaatiointensiteetti voidaan mukauttaa tarkasti tiettyihin solulajeihin ja sen vaatimuksiin. Kontrolloidulla sonikaatiolla solujen kasvuun ja aineenvaihduntaan vaikutetaan positiivisesti ja elävien solujen katalysoimat muunnokset paranevat merkittävästi, esimerkiksi stimuloimalla bifidobakteereja maidossa.
Joissakin sienivetoisissa käymisprosesseissa sonikaatiota käytetään menestyksekkäästi kasvun morfologian ja liemen reologian muokkaamiseen vaikuttamatta rihmasienien kasvunopeuteen ja saantoon.

Ultraääni jälkikäsittely

• Solujen kerääminen ja erottaminen: Sonikaatio voi auttaa solujen keräämisessä ja erottamisessa käymisen jälkeen. Se voi auttaa rikkomaan soluaggregaatteja, flokkulantteja tai biofilmejä, mikä helpottaa solujen vapautumista käymisliemestä. Tämä yksinkertaistaa myöhempiä jatkoprosesseja, kuten solujen talteenottoa tai tuotteen puhdistusta.
• Solunsisäisten tuotteiden uuttaminen: Fermentoinnin jälkeen sonikaatiota voidaan käyttää solunsisäisten tuotteiden, kuten entsyymien, proteiinien tai sekundaaristen metaboliittien, uuttamiseen mikrobi- tai solubiomassasta. Tämä uuttoprosessi auttaa palauttamaan arvokkaita yhdisteitä ja parantaa käymisprosessin kokonaissaantoa.
• Solujen hajoaminen analyyttisiin tarkoituksiin: Sonikaatiota voidaan soveltaa solujen tai mikrobinäytteiden häiritsemiseen käymisen jälkeen, erityisesti analyyttisiin tarkoituksiin. Se auttaa solulyysissä ja solunsisäisen sisällön vapautumisessa, helpottaa solukomponenttien analysointia tai loppupään määritysten suorittamista.

Solunsisäisten komponenttien, kuten mikrobientsyymien (esim. katalaasi, amylaasi, proteaasi, pektinaasi, glukoosi-isomeraasi, sellulaasi, hemisellulaasi, lipaasi, laktaasi, streptokinaasi) ja rekombinanttiproteiinien (esim. insuliini, hepatiitti B -rokote, interferoni, granulosyyttipesäkkeitä stimuloiva tekijä, streptokinaasi) tuottamiseksi solut on hajotettava / hajotettava käymisprosessin jälkeen haluttujen proteiinien vapauttamiseksi. Sonikaatiolla helpotetaan solunsisäisten ja solunulkoisten polysakkaridi-proteiinikompleksien uuttamista viskoosista myseelikäymisliemestä. Erinomaisen uuttotuoton ja tehokkuuden lisäksi sonikaatio on vakiintunut ja luotettava solulyysiin ja solunsisäisen aineen uuttamiseen.
Klikkaa tästä lukeaksesi mor ultraäänilyysistä ja uuttamisesta!

Ultraäänibioreaktorit parannettuihin käymisprosesseihin

Hielscher Ultrasonics on pitkäaikainen kokemus ultraäänellä stimuloiduista bioprosesseista, kuten solujen stimulaatio, käyminen, solujen häiriöt ja uuttaminen. Tarjoamme erilaisia vakiomuotoisia ultraäänireaktoreita eri kokoisia ja geometrisia sonikaatiota varten erä- ja läpivirtaustilassa. Vaihtoehtoisesti tarjoamme räätälöityjä ratkaisuja integrointiin olemassa olevaan bioreaktoriisi. Koska ultraääniprosessorimme ovat hyvin monipuolisia ja vaativat vain vähän tilaa, jälkiasennus olemassa oleviin bioteknologisiin laitoksiin voidaan toteuttaa ilman ongelmia.
Lue lisää ultraäänireaktorityypeistä, malleista ja sovelluksista täältä!
Alla olevassa taulukossa esitetään yleiset laitesuositukset käsiteltävän erän tilavuudesta tai virtausnopeudesta riippuen. Napsauta laitetyyppiä saadaksesi lisätietoja kustakin laitteesta.

Kirjallisuus/viitteet