Bioréacteurs à ultrasons pour la fermentation

Les ultrasons sont un moyen efficace de stimuler les micro-organismes par des vibrations mécaniques et la cavitation. Dans un bioréacteur à ultrasons / fermenteur à ultrasons, le traitement ultrasonique des cellules et des tissus devient hautement contrôlable puisque les facteurs environnementaux peuvent être déterminés avec précision. Les bioréacteurs à ultrasons permettent d'augmenter considérablement le rendement de la fermentation.

fermentation

L'efficacité de la fermentation dépend des conditions du processus : Les nutriments, la densité du milieu, la température, la teneur en oxygène/gaz et la pression sont des facteurs importants qui influencent l'activité microbienne. Les micro-organismes ainsi que les cellules de mammifères ne se développent que dans certaines conditions. Les bonnes conditions combinées à la stimulation ultrasonique peuvent maximiser le rendement de la fermentation.

Stimulation ultrasonique des micro-organismes

La fermentation est un processus métabolique qui transforme le sucre en acides, en gaz ou en alcool. Elle se produit dans les levures et les bactéries, ainsi que dans les cellules musculaires privées d'oxygène, comme dans le cas de la fermentation de l'acide lactique. La fermentation est également utilisée de manière plus générale pour désigner la croissance en masse de micro-organismes sur un milieu de croissance, souvent dans le but de produire un produit chimique spécifique.
Le processus de fermentation est réalisé à l'échelle industrielle en utilisant des micro-organismes tels que des bactéries et des champignons pour la fermentation. Les produits fermentés sont utilisés dans l'industrie alimentaire et générale. Les produits chimiques tels que l'acide acétique, l'acide citrique et l'éthanol sont produits par fermentation. La vitesse de fermentation est influencée par la concentration de micro-organismes, de cellules, de composants cellulaires et d'enzymes, ainsi que par la température et le pH. Pour la fermentation aérobie, l'oxygène est également un facteur clé. Presque toutes les enzymes produites commercialement, telles que la lipase, l'invertase et la présure, sont fabriquées par fermentation à l'aide de microbes génétiquement modifiés.

• Production de biomasse (matériel cellulaire viable)
• Production de métabolites extracellulaires (composés chimiques)
• Production de composants intracellulaires (enzymes et autres protéines)
• Transformation du substrat (dans laquelle le substrat transformé est lui-même le produit)

Sonication avant, pendant et après la fermentation

La sonication, c'est-à-dire l'application d'ondes ultrasonores à basse fréquence, peut être utilisée avant, pendant et après la fermentation de différentes manières et à différents stades du processus de fermentation.

Traitement préfermentaire par ultrasons – Amélioration de la disponibilité de la biomasse

1. Amélioration du transfert de masse : La sonication est utilisée comme prétraitement pour favoriser le transfert de masse et rendre le substrat plus disponible pour les microbes. Le mélange ultrasonique favorise le transfert de masse des substrats vers les cellules microbiennes et des produits qui s'en échappent. L'intensification du transfert de masse par les ultrasons peut être appliquée comme prétraitement ainsi que pendant la fermentation.
2. Perturbation des cellules : La sonication peut être utilisée pour perturber les parois cellulaires et les membranes, en particulier dans les cultures de microbes ou de levures. Cela permet de libérer des composants intracellulaires, tels que des enzymes ou des métabolites, qui peuvent améliorer les performances de la fermentation ou faciliter les processus en aval.
3. Extraction de composés intracellulaires : La sonication peut faciliter l'extraction de composés intracellulaires à partir de matériaux biologiques avant la fermentation. Il s'agit notamment d'extraire des enzymes, des protéines, des acides nucléiques ou d'autres composés cibles des cellules, des tissus ou des matières végétales en vue d'une utilisation ultérieure dans les processus de fermentation.

Par exemple, le prétraitement ultrasonique de la balle de riz a été utilisé pour améliorer l'hydrolyse enzymatique en vue de la production de xylooligosaccharides par Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Par sonication, la production d'enzymes cellulolytiques et xylanolytiques à partir de la balle de riz a été significativement améliorée. Le rendement en hémicellulose a été multiplié par 1,4 sous sonication et le temps de production a été considérablement réduit, passant de 24 h à 1,5 h à 80 ºC – avec un potentiel supplémentaire d'optimisation du processus. La biomasse soniquée est beaucoup plus facile à convertir pour les champignons, de sorte que la stabilité de l'activité enzymatique est prolongée et que l'activité de la CMCase, de la b-glucosidase et de la xylanase est accrue par rapport à la coque de riz non soniquée. Les produits fermentaires finaux sont le xylotétraose, le xylohexaose et des xylooligosaccharides de poids moléculaire plus élevé. Le rendement en xylohexaose de la balle de riz soniquée était 80% plus élevé.

Fermentation assistée par ultrasons – Stimulation des microbes

• Mélange et homogénéisation : La sonication peut être utilisée comme technique de mélange pendant la fermentation. L'application d'ondes ultrasonores contribue à créer un microstreaming et favorise l'homogénéité, assurant une distribution uniforme des nutriments, des gaz et des micro-organismes dans la cuve de fermentation.
• Amélioration du transfert de masse : L'amélioration du mélange et de l'homogénéisation s'accompagne d'une amélioration des taux de transfert de masse par ultrasons pendant la fermentation. L'oscillation et la cavitation ultrasoniques créent des turbulences localisées et améliorent la diffusion des substrats, des gaz et des nutriments dans le bouillon de fermentation. Cela peut améliorer l'efficacité et la productivité globales du processus de fermentation.
• Amélioration de la viabilité cellulaire et de l'activité métabolique : La sonication peut être appliquée aux cultures microbiennes pendant la fermentation afin d'améliorer la viabilité des cellules et l'activité métabolique. Une sonication douce peut stimuler certains micro-organismes, favorisant la croissance, la production de biomasse et la synthèse de métabolites ou de produits de fermentation souhaités.

La sonication contrôlable et répétable avec précision permet d'améliorer la productivité de divers processus de fermentation sans endommager les cellules. L'intensité de la sonication peut être exactement adaptée à l'espèce cellulaire spécifique et à ses exigences. La sonication contrôlée influence positivement la croissance et le métabolisme des cellules et améliore considérablement les conversions catalysées par les cellules vivantes, par exemple en stimulant les bifidobactéries dans le lait.
Pour certains processus de fermentation à base de champignons, la sonication est utilisée avec succès pour modifier la morphologie de la croissance et la rhéologie du bouillon sans affecter le taux de croissance et le rendement des champignons filamenteux.

Traitement post-fermentation par ultrasons

• Récolte et séparation des cellules : La sonication peut contribuer à la récolte et à la séparation des cellules après la fermentation. Elle peut aider à briser les agrégats cellulaires, les floculants ou les biofilms, facilitant ainsi la libération des cellules du bouillon de fermentation. Cela simplifie les processus ultérieurs en aval, tels que la récupération des cellules ou la purification du produit.
• Extraction de produits intracellulaires : Après la fermentation, la sonication peut être utilisée pour extraire les produits intracellulaires, tels que les enzymes, les protéines ou les métabolites secondaires, de la biomasse microbienne ou cellulaire. Ce processus d'extraction permet de récupérer des composés précieux et d'améliorer le rendement global du processus de fermentation.
• Désintégration cellulaire à des fins analytiques : La sonication peut être utilisée pour perturber les cellules ou les échantillons microbiens après la fermentation, en particulier à des fins d'analyse. Elle facilite la lyse cellulaire et la libération du contenu intracellulaire, ce qui facilite l'analyse des composants cellulaires ou la réalisation d'essais en aval.

Pour la production de composants intracellulaires tels que les enzymes microbiennes (par exemple catalase, amylase, protéase, pectinase, glucose isomérase, cellulase, hémicellulase, lipase, lactase, streptokinase) et les protéines recombinantes (par ex.insuline, vaccin contre l'hépatite B, interféron, facteur de stimulation des colonies de granulocytes, streptokinase), les cellules doivent être lysées / perturbées après le processus de fermentation pour libérer les protéines souhaitées. La sonication facilite l'extraction des complexes polysaccharides-protéines intracellulaires et extracellulaires du bouillon de fermentation mycélien visqueux. Outre son rendement et son efficacité d'extraction exceptionnels, la sonication est bien établie et fiable pour la lyse cellulaire et l'extraction de la matière intracellulaire.
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Bioréacteurs à ultrasons pour l'amélioration des processus de fermentation

Hielscher Ultrasonics possède une longue expérience des bio-procédés stimulés par ultrasons, tels que la stimulation cellulaire, la fermentation, la désintégration cellulaire et l'extraction. Nous proposons divers réacteurs à ultrasons standard de différentes tailles et géométries pour la sonication en mode batch et flow-through. Nous proposons également des solutions personnalisées pour l'intégration dans votre bioréacteur existant. Comme nos processeurs à ultrasons sont très polyvalents et n'occupent que peu d'espace, leur intégration dans des installations biotechnologiques existantes peut se faire sans problème.
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Littérature/références