Ultraäänibioreaktorit fermentointiin

Ultraääni on tehokas keino stimuloida mikro-organismeja mekaanisella värähtelyllä ja kavitaatiolla. Sonobioreaktorissa / ultraäänifermentorissa solujen ja kudosten ultraäänikäsittelyä voidaan hallita erittäin tarkasti, koska ympäristötekijät voidaan määrittää täsmällisesti. Ultraäänibioreaktoreilla fermentoinnin tuotosta voidaan parantaa merkittävästi.

Fermentointi

Fermentoinnin tehokkuus riippuu prosessiolosuhteista: ravinteet, kasvatusväliaineen tiheys, lämpötila, happi- / kaasupitoisuus ja paine ovat tärkeitä mikrobien aktiivisuuteen vaikuttavia tekijöitä. Mikro-organismit ja nisäkässolut menestyvät vain tietyissä olosuhteissa. Oikeat olosuhteet yhdessä ultraäänistimulaation kanssa voivat maksimoida fermentoinnin saannon.

Mikro-organismien stimulointi ultraäänellä

Fermentointi on aineenvaihduntaprosessi, jossa sokeri muuttuu hapoiksi, kaasuiksi tai alkoholiksi. Sitä tapahtuu hiivoissa ja bakteereissa sekä hapenpuutteesta kärsivissä lihassoluissa, kuten maitohappokäymisessä. Fermentoinnilla tarkoitetaan myös laajemmin mikro-organismien kasvatusta suurina määrinä kasvatusalustalla, usein tietyn kemiallisen tuotteen tuottamiseksi.
Fermentointiprosesseja toteutetaan teollisessa mittakaavassa käyttämällä fermentointiin mikro-organismeja, kuten bakteereja ja sieniä. Fermentoituja tuotteita käytetään elintarviketeollisuudessa ja teollisuudessa yleisesti. Fermentoinnilla tuotetaan kemikaaleja, kuten etikkahappoa, sitruunahappoa ja etanolia. Fermentointinopeuteen vaikuttavat mikro-organismien, solujen, solukomponenttien ja entsyymien pitoisuudet sekä lämpötila ja pH. Aerobisessa fermentoinnissa myös happi on keskeinen tekijä. Lähes kaikki kaupallisesti tuotetut entsyymit, kuten lipaasi, invertaasi ja juoksute, valmistetaan fermentoimalla geneettisesti muunneltujen mikrobien avulla.

• Biomassan tuotanto (elinkykyinen solumateriaali)
• Solunulkoisten metaboliittien tuotanto (kemialliset yhdisteet)
• Solunsisäisten komponenttien tuotanto (entsyymit ja muut proteiinit)
• Substraatin muuntaminen (jossa muunnettu substraatti on itse tuote)

Ultraäänikäsittely ennen fermentointia, sen aikana ja sen jälkeen

Ultraäänikäsittelyä eli matalataajuisten ultraääniaaltojen käyttöä voidaan hyödyntää ennen fermentointia, sen aikana ja sen jälkeen eri tavoin ja fermentointiprosessin eri vaiheissa.

Ultraäänikäsittely ennen fermentointia – biomassan saatavuuden parantaminen

1. Parempi aineensiirto: Ultraäänikäsittelyä käytetään esikäsittelynä edistämään aineensiirtoa ja parantamaan substraatin saatavuutta mikrobeille. Ultraäänisekoitus edistää substraattien aineensiirtoa mikrobisoluihin ja tuotteiden aineensiirtoa pois niistä. Aineensiirron tehostamista ultraäänellä voidaan käyttää sekä esikäsittelynä että fermentoinnin aikana.
2. Solujen hajotus: Ultraäänikäsittelyä voidaan käyttää soluseinien ja solukalvojen hajottamiseen erityisesti mikrobi- tai hiivaviljelmissä. Tämä auttaa vapauttamaan solunsisäisiä komponentteja, kuten entsyymejä tai metaboliitteja, mikä voi parantaa fermentoinnin suorituskykyä tai helpottaa jatkokäsittelyprosesseja.
3. Solunsisäisten yhdisteiden uutto: Ultraäänikäsittely voi auttaa solunsisäisten yhdisteiden uuttamisessa biologisista materiaaleista ennen fermentointia. Tähän sisältyy entsyymien, proteiinien, nukleiinihappojen tai muiden kohdeyhdisteiden uuttaminen soluista, kudoksista tai kasvimateriaaleista myöhempää käyttöä varten fermentointiprosesseissa.

Esimerkiksi riisinkuorien ultraääniesikäsittelyä käytettiin tehostamaan entsymaattista hydrolyysiä ksylo-oligosakkaridien tuottamiseksi Aspergillus japonicus -sienellä (var. japonicus CY6-1). Ultraäänikäsittely tehosti merkittävästi sellulolyyttisten ja ksylanolyyttisten entsyymien tuotantoa riisinkuorista. Hemiselluloosan saanto kasvoi ultraäänikäsittelyssä 1,4-kertaiseksi, ja tuotantoaika lyheni huomattavasti 24 h:sta 1,5 h:iin 80ºC:ssa – ja prosessia voidaan vielä optimoida edelleen. Sienet pystyvät muuntamaan ultraäänikäsiteltyä biomassaa paljon helpommin, jolloin entsyymiaktiivisuus säilyy vakaana pidempään ja CMCase-entsyymin, b-glukosidaasin ja ksylanaasin aktiivisuus kasvaa verrattuna ultraäänikäsittelemättömiin riisinkuoriin. Lopulliset fermentointituotteet olivat ksylotetraoosi, ksyloheksaoosi ja suuremman molekyylipainon ksylo-oligosakkaridit. Ksyloheksaoosin saanto ultraäänikäsitellyistä riisinkuorista oli 80% suurempi.

Ultraääniavusteinen fermentointi – mikrobien stimulointi

• Sekoitus ja homogenointi: Ultraäänikäsittelyä voidaan käyttää sekoitusmenetelmänä fermentoinnin aikana. Ultraääniaaltojen käyttö auttaa synnyttämään mikrovirtauksia ja edistää homogeenisuutta varmistaen ravinteiden, kaasujen ja mikro-organismien tasaisen jakautumisen fermentointiastiassa.
• Aineensiirron tehostaminen: Parempaan sekoitukseen ja homogenointiin liittyy ultraäänellä tehostettu aineensiirtonopeus fermentoinnin aikana. Ultraäänivärähtely ja kavitaatio synnyttävät paikallista turbulenssia ja tehostavat substraattien, kaasujen ja ravinteiden diffuusiota fermentointiliemeen. Tämä voi parantaa fermentointiprosessin kokonaistehokkuutta ja tuottavuutta.
• Solujen elinkyvyn ja aineenvaihdunta-aktiivisuuden parantaminen: Mikrobiviljelmiä voidaan ultraäänikäsitellä fermentoinnin aikana solujen elinkyvyn ja aineenvaihdunta-aktiivisuuden parantamiseksi. Hellävarainen ultraäänikäsittely voi stimuloida tiettyjä mikro-organismeja edistäen kasvua, biomassan tuotantoa ja haluttujen metaboliittien tai fermentointituotteiden synteesiä.

Tarkasti hallittava ja toistettava ultraäänikäsittely auttaa parantamaan erilaisten fermentointiprosessien tuottavuutta vahingoittamatta soluja. Ultraäänikäsittelyn voimakkuus voidaan sovittaa täsmällisesti tietylle solulajille ja sen vaatimuksiin. Hallittu ultraäänikäsittely vaikuttaa myönteisesti solujen kasvuun ja aineenvaihduntaan sekä parantaa merkittävästi elävien solujen katalysoimia muuntumisreaktioita, esimerkiksi stimuloimalla bifidobakteereja maidossa.
Joissakin sienten avulla toteutettavissa fermentointiprosesseissa ultraäänikäsittelyä käytetään menestyksekkäästi kasvumorfologian ja kasvatusliemen reologian muokkaamiseen vaikuttamatta rihmasienten kasvunopeuteen ja saantoon.

Ultraäänikäsittely fermentoinnin jälkeen

• Solujen kerääminen ja erottaminen: Ultraäänikäsittely voi auttaa solujen keräämisessä ja erottamisessa fermentoinnin jälkeen. Se voi auttaa hajottamaan soluaggregaatteja, flokulantteja tai biofilmejä, mikä helpottaa solujen vapautumista fermentointiliemestä. Tämä yksinkertaistaa myöhempiä jatkokäsittelyprosesseja, kuten solujen talteenottoa tai tuotteen puhdistamista.
• Solunsisäisten tuotteiden uutto: Fermentoinnin jälkeen ultraäänikäsittelyä voidaan käyttää solunsisäisten tuotteiden, kuten entsyymien, proteiinien tai sekundaaristen metaboliittien, uuttamiseen mikrobi- tai solubiomassasta. Tämä uuttoprosessi auttaa ottamaan talteen arvokkaita yhdisteitä ja parantaa fermentointiprosessin kokonaissaantoa.
• Solujen hajotus analyysitarkoituksiin: Ultraäänikäsittelyä voidaan käyttää solujen tai mikrobinäytteiden hajottamiseen fermentoinnin jälkeen erityisesti analyysitarkoituksiin. Se auttaa solujen lyysissä ja solunsisäisen sisällön vapauttamisessa, mikä helpottaa solukomponenttien analysointia tai myöhempien määritysten tekemistä.

Solunsisäisten komponenttien, kuten mikrobientsyymien (esim. katalaasi, amylaasi, proteaasi, pektinaasi, glukoosi-isomeraasi, sellulaasi, hemisellulaasi, lipaasi, laktaasi, streptokinaasi) ja rekombinanttiproteiinien (esim. insuliini, hepatiitti B -rokote, interferoni, granulosyyttien pesäkkeitä stimuloiva tekijä, streptokinaasi), tuottamiseksi solut on lysoitava / hajotettava fermentointiprosessin jälkeen haluttujen proteiinien vapauttamiseksi. Ultraäänikäsittely helpottaa solunsisäisten ja solunulkoisten polysakkaridi–proteiinikompleksien uuttamista viskoosista sienirihmastoa sisältävästä fermentointiliemestä. Erinomaisen uuttosaantonsa ja tehokkuutensa lisäksi ultraäänikäsittely on vakiintunut ja luotettava menetelmä solujen lyysiin ja solunsisäisen aineksen uuttamiseen.
Lue lisää ultraäänilyysistä ja -uutosta napsauttamalla tästä!

Ultraäänibioreaktorit fermentointiprosessien parantamiseen

Hielscher Ultrasonicsilla on pitkä kokemus ultraäänellä stimuloiduista bioprosesseista, kuten solujen stimuloinnista, fermentoinnista, solujen hajotuksesta ja uutosta. Tarjoamme erilaisia vakiomallisia ultraäänireaktoreita eri kokoisina ja eri geometrioilla ultraäänikäsittelyyn panos- ja läpivirtaustilassa. Vaihtoehtoisesti tarjoamme räätälöityjä ratkaisuja integroitaviksi olemassa olevaan bioreaktoriinne. Koska ultraääniprosessorimme ovat erittäin monikäyttöisiä ja vaativat vain vähän tilaa, niiden jälkiasennus olemassa oleviin bioteknologisiin laitoksiin voidaan toteuttaa ongelmitta.
Lue lisää ultraäänireaktorien tyypeistä, rakenteista ja käyttökohteista tästä!
Alla oleva taulukko esittää yleisiä laitesuosituksia käsiteltävän panostilavuuden tai tilavuusvirran mukaan. Saat lisätietoja kustakin laitteesta napsauttamalla laitetyyppiä.

Kirjallisuus/viitteet

• 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.