Les ultrasons sont un moyen efficace de stimuler les microorganismes par vibrations mécaniques et cavitation. Dans un sonobioréacteur / fermenteur ultrasonique, le traitement ultrasonique des cellules et des tissus devient hautement contrôlable puisque les facteurs environnementaux peuvent être déterminés avec précision. Avec les bioréacteurs à ultrasons, le rendement de la fermentation peut être considérablement amélioré.

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.

La stimulation par ultrasons des micro-organismes

La fermentation est un processus métabolique qui convertit le sucre à des acides, des gaz, ou de l'alcool. Il se produit dans la levure et les bactéries, et aussi dans les cellules musculaires privées d'oxygène, comme dans le cas de la fermentation d'acide lactique. La fermentation est aussi plus largement utilisé pour faire référence à la croissance apparente des micro-organismes sur un milieu de croissance, souvent dans le but de produire un produit chimique spécifique.
Procédé de fermentation sont réalisées à l'échelle industrielle en utilisant des microorganismes tels que les bactéries et les champignons de la fermentation. Les produits fermentés sont utilisés dans l'industrie alimentaire et générale. Des produits chimiques tels que l'acide acétique, l'acide citrique, et de l'éthanol sont produits par fermentation. Le taux de fermentation est influencé par la concentration de micro-organismes, des cellules, des composants cellulaires et enzymes, ainsi que la température et le pH. Pour la fermentation aérobie, l'oxygène est un facteur clé aussi. La quasi-totalité des enzymes produites dans le commerce, telles que la lipase, l'invertase et de la présure, sont fabriqués par fermentation avec des microbes génétiquement modifiés.
 
En général, les fermentations peuvent être divisées en quatre types/étapes de processus :

• La production de la biomasse (matière cellulaire viable)
• La production de métabolites extracellulaires (composés chimiques)
• La production de composants intracellulaires (enzymes et d'autres protéines)
• La transformation du substrat (dans lequel le substrat transformé est lui-même le produit)

Sonication avant, pendant et après 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 comme prétraitement est utilisée pour favoriser le transfert de masse et rendre le substrat plus disponible pour les microbes. Le mélange par ultrasons favorise le transfert de masse des substrats vers les cellules microbiennes et des produits qui s'en éloignent. L'intensification ultrasonique du transfert de masse 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 microbiennes 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 de l'optimisation des processus. La biomasse traitée par ultrasons est beaucoup plus facile convertible pour les champignons de telle sorte que la stabilité de l'activité de l'enzyme est prolongée et l'activité de CMCase, b-glucosidase et xylanase est augmentée par rapport à la coque du riz non traité par ultrasons. Les produits finaux ont été fermentaires xylotétraose, xylohexaose et xylooligosaccharides de poids moléculaire élevé. Le rendement xylohexaose de la coque de riz soniqué était de 80% plus élevé.

Fermentation assistée par ultrasons – La stimulation de 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.

Précisément sonication contrôlable et reproductible contribue à améliorer la productivité des différents procédés de fermentation sans endommager les cellules. L'intensité de la sonification peut être exactement adapté à l'espèce de cellules spécifiques et de ses exigences. Par sonication contrôlée, la croissance cellulaire et le métabolisme est influencé positivement et les conversions catalysées par des cellules vivantes est significativement améliorée, par exemple, stimuler bifidobactéries dans le lait.
Pour certains procédés de fermentation conduit-fongiques, sonication est utilisé avec succès pour modifier la morphologie de croissance et de bouillon rhéologique 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 (catalase, amylase, protéase, pectinase, glucose isomérase, cellulase, hémicellulase, lipase, lactase, streptokinase) et de protéines recombinantes (insuline, vaccin contre l'hépatite B, interféron, stimulateur de colonies de granulocytes). facteur, streptokinase), les cellules doivent être lysées / disruptées après le processus de fermentation pour libérer les protéines désirées. Par sonication, l'extraction des complexes polysaccharide-protéine intracellulaire et extracellulaire à partir du bouillon de fermentation mycélien visqueux est facilitée. Outre son rendement d'extraction et son efficacité 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

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Littérature / Références