આથવણ માટે અલ્ટ્રાસોનિક બાયોરિએક્ટરો

યાંત્રિક કંપનો અને કૅવિટેશન દ્વારા સૂક્ષ્મજીવોને ઉત્તેજિત કરવા માટે અલ્ટ્રાસોનિક્સ એક અસરકારક માધ્યમ છે. સોનોબાયોરિએક્ટર / અલ્ટ્રાસોનિક ફર્મેન્ટરમાં કોષો અને પેશીઓની અલ્ટ્રાસોનિક સારવારને અત્યંત નિયંત્રિત કરી શકાય છે, કારણ કે પર્યાવરણીય પરિબળોને ચોક્કસપણે નિર્ધારિત કરી શકાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક બાયોરિએક્ટરો વડે આથવણનું ઉત્પાદન નોંધપાત્ર રીતે વધારી શકાય છે.

આથવણ

આથવણની કાર્યક્ષમતા પ્રક્રિયાની પરિસ્થિતિઓ પર આધાર રાખે છે: પોષક તત્ત્વો, માધ્યમની ઘનતા, તાપમાન, ઑક્સિજન / ગૅસનું પ્રમાણ અને દબાણ એ સૂક્ષ્મજીવોની પ્રવૃત્તિને પ્રભાવિત કરતાં મહત્ત્વપૂર્ણ પરિબળો છે. સૂક્ષ્મજીવો તેમજ સસ્તન પ્રાણીઓના કોષો માત્ર અમુક ચોક્કસ પરિસ્થિતિઓમાં જ સારી રીતે વૃદ્ધિ પામે છે. અલ્ટ્રાસોનિક ઉત્તેજન સાથે સંયોજિત યોગ્ય પરિસ્થિતિઓ આથવણની ઉપજને મહત્તમ કરી શકે છે.

સૂક્ષ્મજીવોનું અલ્ટ્રાસોનિક ઉત્તેજન

આથવણ એક ચયાપચયની પ્રક્રિયા છે, જે શર્કરાને ઍસિડ, ગૅસ અથવા આલ્કોહોલમાં રૂપાંતરિત કરે છે. તે યીસ્ટ અને બૅક્ટેરિયામાં થાય છે અને લૅક્ટિક ઍસિડ આથવણના કિસ્સામાં થાય છે તેમ, ઑક્સિજનની અછતવાળા સ્નાયુકોષોમાં પણ થાય છે. આથવણ શબ્દનો વધુ વ્યાપક અર્થમાં ઉપયોગ વૃદ્ધિ માધ્યમ પર સૂક્ષ્મજીવોની મોટા પાયે વૃદ્ધિ માટે પણ થાય છે, જેનો હેતુ ઘણી વાર કોઈ ચોક્કસ રાસાયણિક ઉત્પાદન બનાવવાનો હોય છે.
આથવણ માટે બૅક્ટેરિયા અને ફૂગ જેવા સૂક્ષ્મજીવોનો ઉપયોગ કરીને ઔદ્યોગિક પાયે આથવણની પ્રક્રિયાઓ હાથ ધરવામાં આવે છે. આથવણથી બનેલાં ઉત્પાદનોનો ઉપયોગ ખાદ્ય ઉદ્યોગ અને સામાન્ય ઉદ્યોગમાં થાય છે. એસિટિક ઍસિડ, સાઇટ્રિક ઍસિડ અને ઇથેનોલ જેવા રસાયણો આથવણ દ્વારા ઉત્પન્ન થાય છે. આથવણનો દર સૂક્ષ્મજીવો, કોષો, કોષીય ઘટકો અને ઉત્સેચકોની સાંદ્રતા તેમજ તાપમાન અને pHથી પ્રભાવિત થાય છે. વાયુજીવી આથવણ માટે ઑક્સિજન પણ એક મુખ્ય પરિબળ છે. વ્યાવસાયિક રીતે ઉત્પન્ન થતા લાઇપેઝ, ઇન્વર્ટેઝ અને રેનેટ જેવા લગભગ તમામ ઉત્સેચકો જનીનિક રીતે સંશોધિત સૂક્ષ્મજીવો સાથે આથવણ દ્વારા બનાવવામાં આવે છે.

• જૈવભારનું ઉત્પાદન (જીવંત કોષીય સામગ્રી)
• કોષબાહ્ય ચયાપચયજ પદાર્થોનું ઉત્પાદન (રાસાયણિક સંયોજનો)
• અંતઃકોષીય ઘટકોનું ઉત્પાદન (ઉત્સેચકો અને અન્ય પ્રોટીન)
• સબસ્ટ્રેટનું રૂપાંતરણ (જેમાં રૂપાંતરિત સબસ્ટ્રેટ પોતે જ ઉત્પાદન હોય છે)

આથવણ પહેલાં, દરમિયાન અને પછી સોનિકેશન

સોનિકેશન, એટલે કે ઓછી આવૃત્તિવાળા અલ્ટ્રાસાઉન્ડ તરંગોનો ઉપયોગ, આથવણ પહેલાં, દરમિયાન અને પછી વિવિધ રીતે તથા આથવણ પ્રક્રિયાના જુદા જુદા તબક્કાઓમાં કરી શકાય છે.

આથવણ પહેલાં અલ્ટ્રાસોનિક સારવાર – જૈવભારની ઉપલબ્ધતામાં સુધારો

1. દ્રવ્ય સ્થાનાંતરણમાં સુધારો: પૂર્વસારવાર તરીકે સોનિકેશનનો ઉપયોગ દ્રવ્ય સ્થાનાંતરણને પ્રોત્સાહન આપવા અને સૂક્ષ્મજીવો માટે સબસ્ટ્રેટને વધુ ઉપલબ્ધ બનાવવા માટે થાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક મિશ્રણ સબસ્ટ્રેટનું સૂક્ષ્મજીવી કોષો તરફ અને ઉત્પાદનોનું તે કોષોથી દૂર દ્રવ્ય સ્થાનાંતરણ પ્રોત્સાહિત કરે છે. દ્રવ્ય સ્થાનાંતરણને તીવ્ર બનાવતી અલ્ટ્રાસોનિક સારવારનો ઉપયોગ પૂર્વસારવાર તરીકે તેમજ આથવણ દરમિયાન કરી શકાય છે.
2. કોષ વિઘટન: ખાસ કરીને સૂક્ષ્મજીવો અથવા યીસ્ટનાં સંવર્ધનોમાં કોષભિત્તિઓ અને કોષપટલોને તોડવા માટે સોનિકેશનનો ઉપયોગ કરી શકાય છે. આનાથી ઉત્સેચકો અથવા ચયાપચયજ પદાર્થો જેવા અંતઃકોષીય ઘટકોને મુક્ત કરવામાં મદદ મળે છે, જે આથવણની કામગીરી સુધારી શકે છે અથવા ત્યારપછીની પ્રક્રિયાઓને સરળ બનાવી શકે છે.
3. અંતઃકોષીય સંયોજનોનું નિષ્કર્ષણ: આથવણ પહેલાં જૈવિક સામગ્રીમાંથી અંતઃકોષીય સંયોજનોના નિષ્કર્ષણમાં સોનિકેશન મદદ કરી શકે છે. આમાં આથવણ પ્રક્રિયાઓમાં ત્યારપછી ઉપયોગ કરવા માટે કોષો, પેશીઓ અથવા વનસ્પતિ સામગ્રીમાંથી ઉત્સેચકો, પ્રોટીન, ન્યુક્લિક ઍસિડ અથવા અન્ય લક્ષિત સંયોજનોનું નિષ્કર્ષણ કરવાનો સમાવેશ થાય છે.

ઉદાહરણ તરીકે, Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1) દ્વારા ઝાયલોઓલિગોસેકેરાઇડ્સના ઉત્પાદન માટે એન્ઝાઇમ દ્વારા થતા જલવિભાજનને વધારવા ચોખાના ફોતરાંની અલ્ટ્રાસોનિક પૂર્વસારવારનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. સોનિકેશન દ્વારા ચોખાના ફોતરાંમાંથી સેલ્યુલોઝ અને ઝાયલાનનું વિઘટન કરતા એન્ઝાઇમોનું ઉત્પાદન નોંધપાત્ર રીતે વધ્યું હતું. સોનિકેશન હેઠળ હેમિસેલ્યુલોઝની ઉપજ વધીને 1.4 ગણી થઈ હતી અને 80ºC પર ઉત્પાદનનો સમય 24 h થી ઘણો ઘટીને 1.5 h થયો હતો – આ પ્રક્રિયાને હજી વધુ અનુકૂળ બનાવવાની સંભાવના પણ હતી. સોનિકેશન કરેલા જૈવભારનું ફૂગ દ્વારા રૂપાંતરણ ઘણી વધુ સરળતાથી થઈ શકે છે, જેથી એન્ઝાઇમની પ્રવૃત્તિની સ્થિરતા વધુ સમય જળવાય છે અને સોનિકેશન ન કરેલા ચોખાના ફોતરાંની સરખામણીમાં CMCase, b-glucosidase અને ઝાયલેનેઝની પ્રવૃત્તિ વધે છે. આથવણનાં અંતિમ ઉત્પાદનો ઝાયલોટેટ્રાઓઝ, ઝાયલોહેક્ઝાઓઝ અને વધુ અણુભાર ધરાવતા ઝાયલોઓલિગોસેકેરાઇડ્સ હતાં. સોનિકેશન કરેલા ચોખાના ફોતરાંમાંથી ઝાયલોહેક્ઝાઓઝની ઉપજ 80% વધુ હતી.

અલ્ટ્રાસોનિક સહાયથી આથવણ – સૂક્ષ્મજીવોનું ઉત્તેજન

• મિશ્રણ અને સમાનાંગીકરણ: આથવણ દરમિયાન મિશ્રણની તકનીક તરીકે સોનિકેશનનો ઉપયોગ કરી શકાય છે. અલ્ટ્રાસાઉન્ડ તરંગોનો ઉપયોગ સૂક્ષ્મપ્રવાહો ઉત્પન્ન કરવામાં મદદ કરે છે અને સમાનાંગીપણું વધારે છે, જેથી આથવણના પાત્રમાં પોષક તત્ત્વો, વાયુઓ અને સૂક્ષ્મજીવોનું સમાન વિતરણ સુનિશ્ચિત થાય છે.
• દ્રવ્ય સ્થાનાંતરણમાં વધારો: આથવણ દરમિયાન અલ્ટ્રાસોનિકની મદદથી વધેલા દ્રવ્ય સ્થાનાંતરણના દર સુધરેલા મિશ્રણ અને સમાનાંગીકરણ સાથે સંબંધિત છે. અલ્ટ્રાસોનિક દોલન અને કેવિટેશન સ્થાનિક તોફાની પ્રવાહો ઉત્પન્ન કરે છે અને આથવણના સંવર્ધન દ્રવમાં સબસ્ટ્રેટ્સ, વાયુઓ અને પોષક તત્ત્વોનું પ્રસરણ વધારે છે. આથી આથવણની પ્રક્રિયાની એકંદર કાર્યક્ષમતા અને ઉત્પાદકતા સુધરી શકે છે.
• કોષોની જીવક્ષમતા અને ચયાપચયની પ્રવૃત્તિમાં સુધારો: કોષોની જીવક્ષમતા અને ચયાપચયની પ્રવૃત્તિ વધારવા માટે આથવણ દરમિયાન સૂક્ષ્મજીવોના સંવર્ધન પર સોનિકેશન લાગુ કરી શકાય છે. હળવું સોનિકેશન અમુક સૂક્ષ્મજીવોને ઉત્તેજિત કરી શકે છે, જેનાથી વૃદ્ધિ, જૈવભારનું ઉત્પાદન અને ઇચ્છિત ચયાપચયજ પદાર્થો અથવા આથવણનાં ઉત્પાદનોનું સંશ્લેષણ વધે છે.

ચોકસાઈથી નિયંત્રિત કરી શકાય તેવું અને પુનરાવર્તિત કરી શકાય તેવું સોનિકેશન કોષોને નુકસાન પહોંચાડ્યા વિના વિવિધ આથવણ પ્રક્રિયાઓની ઉત્પાદકતા સુધારવામાં મદદ કરે છે. સોનિકેશનની તીવ્રતાને કોષની ચોક્કસ પ્રજાતિ અને તેની જરૂરિયાતો અનુસાર ચોકસાઈથી ગોઠવી શકાય છે. નિયંત્રિત સોનિકેશનથી કોષોની વૃદ્ધિ અને ચયાપચય પર સકારાત્મક અસર થાય છે અને જીવંત કોષો દ્વારા ઉત્પ્રેરિત રૂપાંતરણોમાં નોંધપાત્ર સુધારો થાય છે, ઉદાહરણ તરીકે, દૂધમાં Bifidobacteriaને ઉત્તેજિત કરીને.
ફૂગ દ્વારા થતી કેટલીક આથવણ પ્રક્રિયાઓમાં, તંતુમય ફૂગના વૃદ્ધિદર અને ઉપજને અસર કર્યા વિના વૃદ્ધિના આકારલક્ષણો અને સંવર્ધન દ્રવના પ્રવાહવિજ્ઞાનને બદલવા માટે સોનિકેશનનો સફળતાપૂર્વક ઉપયોગ થાય છે.

આથવણ પછીની અલ્ટ્રાસોનિક સારવાર

• કોષોનું એકત્રીકરણ અને અલગકરણ: આથવણ પછી કોષોના એકત્રીકરણ અને અલગકરણમાં સોનિકેશન મદદ કરી શકે છે. તે કોષોના સમૂહો, ફ્લોક્યુલન્ટ્સ અથવા જૈવપટલોને તોડવામાં મદદ કરી શકે છે, જેથી આથવણના સંવર્ધન દ્રવમાંથી કોષોને મુક્ત કરવાનું સરળ બને છે. આથી ત્યાર પછીની પ્રક્રિયાઓ, જેમ કે કોષોની પુનઃપ્રાપ્તિ અથવા ઉત્પાદનનું શુદ્ધીકરણ, સરળ બને છે.
• કોષાંતર્ગત ઉત્પાદનોનું નિષ્કર્ષણ: આથવણ પછી, સૂક્ષ્મજીવીય અથવા કોષીય જૈવભારમાંથી એન્ઝાઇમો, પ્રોટીનો અથવા દ્વિતીયક ચયાપચયજ પદાર્થો જેવાં કોષાંતર્ગત ઉત્પાદનોનું નિષ્કર્ષણ કરવા માટે સોનિકેશનનો ઉપયોગ કરી શકાય છે. આ નિષ્કર્ષણ પ્રક્રિયા મૂલ્યવાન સંયોજનોની પુનઃપ્રાપ્તિમાં મદદ કરે છે અને આથવણની પ્રક્રિયાની એકંદર ઉપજ સુધારે છે.
• વિશ્લેષણાત્મક હેતુઓ માટે કોષોનું વિઘટન: આથવણ પછી, ખાસ કરીને વિશ્લેષણાત્મક હેતુઓ માટે, કોષો અથવા સૂક્ષ્મજીવોના નમૂનાઓનું વિઘટન કરવા સોનિકેશન લાગુ કરી શકાય છે. તે કોષલયન અને કોષાંતર્ગત પદાર્થોને મુક્ત કરવામાં મદદ કરે છે, જેથી કોષીય ઘટકોનું વિશ્લેષણ કરવું અથવા ત્યાર પછીનાં પરીક્ષણો કરવાં સરળ બને છે.

સૂક્ષ્મજીવી ઉત્સેચકો (દા.ત. કેટાલેઝ, એમાઇલેઝ, પ્રોટિએઝ, પેક્ટિનેઝ, ગ્લુકોઝ આઇસોમરેઝ, સેલ્યુલેઝ, હેમિસેલ્યુલેઝ, લાઇપેઝ, લેક્ટેઝ, સ્ટ્રેપ્ટોકાઇનેઝ) અને પુનઃસંયોજિત પ્રોટીનો (દા.ત. ઇન્સ્યુલિન, હેપેટાઇટિસ B રસી, ઇન્ટરફેરોન, ગ્રેન્યુલોસાઇટ કોલોની-સ્ટિમ્યુલેટિંગ ફેક્ટર, સ્ટ્રેપ્ટોકાઇનેઝ) જેવા અંતઃકોષીય ઘટકોના ઉત્પાદન માટે, ઇચ્છિત પ્રોટીનો મુક્ત કરવા કિણ્વન પ્રક્રિયા પછી કોષોનું લયન / વિઘટન કરવું પડે છે. સોનિકેશન દ્વારા ચીકણા માઇસેલિયલ કિણ્વન દ્રવમાંથી અંતઃકોષીય અને બહિઃકોષીય પોલિસેકેરાઇડ–પ્રોટીન સંકુલોનું નિષ્કર્ષણ સરળ બને છે. નિષ્કર્ષણની તેની ઉત્કૃષ્ટ ઉપજ અને કાર્યક્ષમતા ઉપરાંત, સોનિકેશન કોષલયન અને અંતઃકોષીય પદાર્થોના નિષ્કર્ષણ માટે સુસ્થાપિત અને વિશ્વસનીય પદ્ધતિ છે.
અલ્ટ્રાસોનિક લયન અને નિષ્કર્ષણ વિશે વધુ વાંચવા અહીં ક્લિક કરો!

સુધારેલી કિણ્વન પ્રક્રિયાઓ માટે અલ્ટ્રાસોનિક બાયોરિએક્ટરો

Hielscher Ultrasonics કોષ ઉત્તેજન, કિણ્વન, કોષ વિઘટન અને નિષ્કર્ષણ જેવી અલ્ટ્રાસોનિક રીતે ઉત્તેજિત જૈવપ્રક્રિયાઓનો લાંબા સમયનો અનુભવ ધરાવે છે. અમે બેચ અને પ્રવાહ-પસાર પદ્ધતિમાં સોનિકેશન માટે વિવિધ કદ અને ભૌમિતિક આકારોના અનેક પ્રમાણભૂત અલ્ટ્રાસોનિક રિએક્ટરો પ્રદાન કરીએ છીએ. વૈકલ્પિક રીતે, અમે તમારા હાલના બાયોરિએક્ટરમાં એકીકરણ માટે તમારી જરૂરિયાતોને અનુરૂપ ઉકેલો પ્રદાન કરીએ છીએ. અમારા અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસરો ખૂબ જ બહુમુખી છે અને તેમને માત્ર ઓછી જગ્યાની જરૂર પડે છે, તેથી હાલના જૈવપ્રૌદ્યોગિકી સંયંત્રોમાં તેમનું રેટ્રોફિટિંગ સમસ્યા વિના કરી શકાય છે.
અલ્ટ્રાસોનિક રિએક્ટરોના પ્રકારો, રચનાઓ અને ઉપયોગો વિશે અહીં વધુ વાંચો!
નીચેનું કોષ્ટક પ્રક્રિયા કરવાના બેચના કદ અથવા પ્રવાહ દરના આધારે ઉપકરણો માટેની સામાન્ય ભલામણો દર્શાવે છે. દરેક ઉપકરણ વિશે વધુ માહિતી મેળવવા ઉપકરણના પ્રકાર પર ક્લિક કરો.

સાહિત્ય/સંદર્ભો

• 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.