ביוריאקטורים אולטרסוניים לתסיסה

אולטרסאונד הוא אמצעי יעיל לגירוי מיקרואורגניזמים באמצעות תנודות מכניות וקוויטציה. בביוריאקטור אולטרסוני / מתסס אולטרסוני, הטיפול האולטרסוני בתאים וברקמות ניתן לשליטה ברמה גבוהה, מכיוון שניתן לקבוע במדויק את הגורמים הסביבתיים. באמצעות ביוריאקטורים אולטרסוניים ניתן להגדיל משמעותית את תפוקת התסיסה.

תסיסה

יעילות התסיסה תלויה בתנאי התהליך: חומרי הזנה, צפיפות המצע, טמפרטורה, תכולת חמצן / גז ולחץ הם גורמים חשובים המשפיעים על הפעילות המיקרוביאלית. מיקרואורגניזמים, כמו גם תאי יונקים, משגשגים רק בתנאים מסוימים. התנאים המתאימים, בשילוב גירוי אולטרסוני, יכולים למקסם את תפוקת התסיסה.

גירוי אולטרסוני של מיקרואורגניזמים

תסיסה היא תהליך מטבולי הממיר סוכר לחומצות, לגזים או לאלכוהול. היא מתרחשת בשמרים ובחיידקים, וגם בתאי שריר הסובלים ממחסור בחמצן, כמו במקרה של תסיסה לקטית. המונח תסיסה משמש גם במובן רחב יותר לתיאור גידול של מיקרואורגניזמים בכמויות גדולות על מצע גידול, לעיתים קרובות במטרה לייצר תוצר כימי מסוים.
תהליכי תסיסה מבוצעים בקנה מידה תעשייתי באמצעות מיקרואורגניזמים כגון חיידקים ופטריות. תוצרי תסיסה משמשים בתעשיית המזון ובתעשייה הכללית. כימיקלים כגון חומצה אצטית, חומצה ציטרית ואתנול מיוצרים באמצעות תסיסה. קצב התסיסה מושפע מריכוז המיקרואורגניזמים, התאים, מרכיבי התאים והאנזימים, וכן מהטמפרטורה ומערך ה-pH. בתסיסה אירובית, גם חמצן הוא גורם מרכזי. כמעט כל האנזימים המיוצרים באופן מסחרי, כגון ליפאז, אינוורטאז ורנט, מיוצרים בתסיסה באמצעות מיקרואורגניזמים מהונדסים גנטית.

• ייצור ביומסה (חומר תאי חי)
• ייצור מטבוליטים חוץ-תאיים (תרכובות כימיות)
• ייצור מרכיבים תוך-תאיים (אנזימים וחלבונים אחרים)
• המרת מצע (שבה המצע שעבר המרה הוא עצמו התוצר)

סוניקציה לפני התסיסה, במהלכה ולאחריה

סוניקציה, שהיא הפעלת גלי אולטרסאונד בתדר נמוך, ניתנת ליישום לפני התסיסה, במהלכה ולאחריה, בדרכים שונות ובשלבים שונים של תהליך התסיסה.

טיפול אולטרסוני לפני התסיסה – שיפור זמינות הביומסה

1. שיפור מעבר המסה: סוניקציה כטיפול מקדים משמשת לקידום מעבר המסה ולהגברת זמינות המצע למיקרואורגניזמים. ערבול אולטרסוני מקדם את מעבר המסה של מצעים אל התאים המיקרוביאליים ושל תוצרים הרחק מהם. ניתן ליישם הגברה אולטרסונית של מעבר המסה הן כטיפול מקדים והן במהלך התסיסה.
2. פירוק תאים: ניתן להשתמש בסוניקציה לפירוק דופנות תאים וממברנות, במיוחד בתרביות מיקרוביאליות או בתרביות שמרים. הדבר מסייע בשחרור מרכיבים תוך-תאיים, כגון אנזימים או מטבוליטים, שיכולים לשפר את ביצועי התסיסה או להקל על תהליכי המשך.
3. מיצוי תרכובות תוך-תאיות: סוניקציה יכולה לסייע במיצוי תרכובות תוך-תאיות מחומרים ביולוגיים לפני התסיסה. הדבר כולל מיצוי אנזימים, חלבונים, חומצות גרעין או תרכובות מטרה אחרות מתאים, מרקמות או מחומרים צמחיים, לשימוש בהמשך בתהליכי תסיסה.

לדוגמה, טיפול מקדים אולטרסוני בקליפות אורז שימש להגברת הידרוליזה אנזימטית לצורך ייצור קסילואוליגוסכרידים באמצעות Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). באמצעות סוניקציה הוגבר באופן משמעותי ייצור אנזימים המפרקים תאית וקסילן מקליפות האורז. תפוקת ההמיצלולוז עלתה פי 1.4 במהלך הסוניקציה, וזמן הייצור התקצר במידה ניכרת מ-24 h ל-1.5 h בטמפרטורה של 80ºC – עם פוטנציאל נוסף למיטוב התהליך. הפטריות יכולות להמיר את הביומסה שעברה סוניקציה בקלות רבה יותר, כך שיציבות הפעילות האנזימטית נשמרת לאורך זמן רב יותר, ופעילותם של CMCase, b-glucosidase וקסילנאז עולה בהשוואה לקליפות האורז שלא עברו סוניקציה. תוצרי התסיסה הסופיים היו קסילוטטראוז, קסילוהקסאוז וקסילואוליגוסכרידים בעלי משקל מולקולרי גבוה יותר. תפוקת הקסילוהקסאוז מקליפות האורז שעברו סוניקציה הייתה גבוהה ב-80%.

תסיסה בסיוע אולטרסאונד – גירוי מיקרואורגניזמים

• ערבוב והומוגניזציה: ניתן להשתמש בסוניקציה כטכניקת ערבוב במהלך התסיסה. הפעלת גלי אולטרסאונד מסייעת ליצור מיקרו-זרימה ומקדמת אחידות, ובכך מבטיחה פיזור אחיד של חומרי הזנה, גזים ומיקרואורגניזמים בתוך מכל התסיסה.
• הגברת מעבר מסה: לשיפור הערבוב וההומוגניזציה קשורה גם העלייה בקצבי מעבר המסה במהלך התסיסה באמצעות אולטרסאונד. תנודות אולטרסוניות וקוויטציה יוצרות טורבולנציה מקומית ומגבירות את הדיפוזיה של מצעים, גזים וחומרי הזנה אל תוך מרק התסיסה. הדבר עשוי לשפר את היעילות והתפוקה הכוללות של תהליך התסיסה.
• שיפור חיוניות התאים והפעילות המטבולית: ניתן להפעיל סוניקציה על תרביות מיקרוביאליות במהלך התסיסה כדי לשפר את חיוניות התאים ואת הפעילות המטבולית. סוניקציה מתונה יכולה לגרות מיקרואורגניזמים מסוימים ולקדם גדילה, ייצור ביומסה וסינתזה של מטבוליטים רצויים או תוצרי תסיסה רצויים.

סוניקציה הניתנת לבקרה מדויקת ולביצוע חוזר באופן הדיר מסייעת לשפר את התפוקה של תהליכי תסיסה שונים בלי לפגוע בתאים. ניתן להתאים במדויק את עוצמת הסוניקציה למין התאים המסוים ולדרישותיו. סוניקציה מבוקרת משפיעה באופן חיובי על גדילת התאים ועל חילוף החומרים שלהם, ומשפרת באופן משמעותי את ההמרות המזורזות על ידי תאים חיים, למשל באמצעות גירוי ביפידובקטריה בחלב.
בתהליכי תסיסה מסוימים המבוססים על פטריות, משתמשים בסוניקציה בהצלחה לשינוי מורפולוגיית הגדילה והריאולוגיה של מרק התסיסה בלי להשפיע על קצב הגדילה ועל התפוקה של פטריות חוטיות.

טיפול אולטרסוני לאחר התסיסה

• איסוף תאים והפרדתם: סוניקציה יכולה לסייע באיסוף תאים ובהפרדתם לאחר התסיסה. היא יכולה לסייע בפירוק צברי תאים, חומרי הפתתה או ביופילמים, ובכך להקל על שחרור התאים ממרק התסיסה. הדבר מפשט תהליכי המשך, כגון השבת תאים או טיהור המוצר.
• מיצוי תוצרים תוך-תאיים: לאחר התסיסה, ניתן להשתמש בסוניקציה למיצוי תוצרים תוך-תאיים, כגון אנזימים, חלבונים או מטבוליטים שניוניים, מביומסה מיקרוביאלית או תאית. תהליך מיצוי זה מסייע בהשבת תרכובות בעלות ערך ומשפר את התפוקה הכוללת של תהליך התסיסה.
• פירוק תאים למטרות אנליטיות: ניתן להפעיל סוניקציה לפירוק תאים או דגימות מיקרוביאליות לאחר התסיסה, במיוחד למטרות אנליטיות. היא מסייעת בליזיס של תאים ובשחרור תכולתם התוך-תאית, ובכך מקלה על אנליזה של מרכיבי התאים או על ביצוע בדיקות בהמשך התהליך.

לייצור רכיבים תוך־תאיים כגון אנזימים מיקרוביאליים (למשל קטלאז, עמילאז, פרוטאז, פקטינאז, גלוקוז איזומראז, צלולאז, המיצלולאז, ליפאז, לקטאז, סטרפטוקינאז) וחלבונים רקומביננטיים (למשל אינסולין, חיסון נגד הפטיטיס B, אינטרפרון, גורם מגרה מושבות גרנולוציטים, סטרפטוקינאז), יש לבצע ליזיס / פירוק של התאים לאחר תהליך התסיסה כדי לשחרר את החלבונים הרצויים. סוניקציה מקלה על מיצוי קומפלקסים תוך־תאיים וחוץ־תאיים של רב־סוכר–חלבון ממרק התסיסה התפטירי הצמיג. לצד תפוקת המיצוי והיעילות יוצאות הדופן שלה, סוניקציה היא שיטה מבוססת ואמינה לליזיס של תאים ולמיצוי חומר תוך־תאי.
לחצו כאן למידע נוסף על ליזיס ומיצוי אולטרסוניים!

ביוריאקטורים אולטרסוניים לשיפור תהליכי תסיסה

ל־Hielscher Ultrasonics ניסיון רב שנים בתהליכים ביולוגיים המומרצים באמצעות אולטרסאונד, כגון המרצת תאים, תסיסה, פירוק תאים ומיצוי. אנו מציעים מגוון ריאקטורים אולטרסוניים סטנדרטיים בגדלים ובגאומטריות שונים לסוניקציה במצב אצווה ובמצב זרימה רציפה. לחלופין, אנו מציעים פתרונות מותאמים אישית לשילוב בביוריאקטור הקיים שלכם. מכיוון שהמעבדים האולטרסוניים שלנו רב־תכליתיים מאוד ודורשים שטח קטן בלבד, ניתן לשלבם במתקנים ביוטכנולוגיים קיימים ללא בעיות.
קראו כאן עוד על סוגים, תצורות ויישומים של ריאקטורים אולטרסוניים!
הטבלה שלהלן מציגה המלצות כלליות למכשירים בהתאם לנפח האצווה או לספיקת הזרימה המיועדים לעיבוד. לחצו על סוג המכשיר לקבלת מידע נוסף על כל מכשיר.

ספרות/מקורות

• 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.