अल्ट्रासोनिक्स यांत्रिक कंपन और कैविटेशन द्वारा सूक्ष्मजीवों को उत्तेजित करने का एक प्रभावी साधन है। एक सोनोबायोरेक्टर/अल्ट्रासोनिक किण्वन में, कोशिकाओं और ऊतकों का अल्ट्रासोनिक उपचार अत्यधिक नियंत्रणीय हो जाता है क्योंकि पर्यावरणीय कारकों को बिल्कुल निर्धारित किया जा सकता है । अल्ट्रासोनिक बायोरिएक्टर के साथ, किण्वन उत्पादन को काफी बढ़ाया जा सकता है।

किण्वन

किण्वन की दक्षता प्रक्रिया की स्थिति पर निर्भर करती है: पोषक तत्व, माध्यम का घनत्व, तापमान, ऑक्सीजन / गैस सामग्री और दबाव महत्वपूर्ण कारक हैं जो माइक्रोबियल गतिविधि को प्रभावित करते हैं। सूक्ष्मजीवों के साथ-साथ स्तनधारी कोशिकाएं केवल कुछ शर्तों के तहत पनपती हैं। अल्ट्रासोनिक उत्तेजना के साथ संयुक्त सही परिस्थितियां किण्वन की उपज को अधिकतम कर सकती हैं।

सूक्ष्मजीवों की अल्ट्रासोनिक उत्तेजना

किण्वन एक चयापचय की प्रक्रिया है कि एसिड होता है, गैसों, या शराब के लिए चीनी परिवर्तित करता है। यह खमीर और बैक्टीरिया में, और यह भी ऑक्सीजन भूखे मांसपेशियों की कोशिकाओं में होता है लैक्टिक एसिड किण्वन के मामले में। किण्वन भी अधिक मोटे तौर पर प्रयोग किया जाता है एक विकास का माध्यम पर सूक्ष्मजीवों के थोक विकास का उल्लेख करने, अक्सर एक विशिष्ट रासायनिक उत्पाद के उत्पादन के लक्ष्य के साथ।
किण्वन प्रक्रिया इस तरह के बैक्टीरिया और किण्वन के लिए कवक के रूप में सूक्ष्मजीवों का उपयोग कर औद्योगिक पैमाने पर किया जाता है। किण्वित उत्पादों भोजन और सामान्य उद्योग में उपयोग किया जाता है। इस तरह के एसिटिक एसिड, साइट्रिक एसिड, और इथेनॉल के रूप में रसायन, किण्वन द्वारा उत्पादित कर रहे हैं। किण्वन दर सूक्ष्मजीवों, सेल, सेलुलर घटकों, और एंजाइमों के साथ ही तापमान, और पीएच की एकाग्रता से प्रभावित है। एरोबिक किण्वन के लिए, ऑक्सीजन एक महत्वपूर्ण कारक भी है। इस तरह के लाइपेज, invertase और जामन के रूप में लगभग सभी वाणिज्यिक उत्पादन एंजाइमों,, आनुवंशिक रूप से संशोधित रोगाणुओं के साथ किण्वन से बनते हैं।
 
सामान्य तौर पर, किण्वन को चार प्रक्रिया प्रकारों / चरणों में विभाजित किया जा सकता है:

• बायोमास का उत्पादन (व्यवहार्य सेलुलर सामग्री)
• बाह्य चयापचयों का उत्पादन (रासायनिक यौगिकों)
• intracellular घटकों का उत्पादन (एंजाइम और अन्य प्रोटीन)
• सब्सट्रेट के परिवर्तन (जो में तब्दील सब्सट्रेट ही उत्पाद है)

Sonication से पहले, दौरान और किण्वन के बाद

सोनिकेशन, कम आवृत्ति अल्ट्रासाउंड तरंगों का अनुप्रयोग, किण्वन से पहले, दौरान और बाद में विभिन्न तरीकों से और किण्वन प्रक्रिया के विभिन्न चरणों में उपयोग किया जा सकता है।

अल्ट्रासोनिक प्री-किण्वन उपचार – बायोमास उपलब्धता में सुधार

1. बेहतर मास ट्रांसफर: पूर्व उपचार के रूप में सोनीशन का उपयोग बड़े पैमाने पर हस्तांतरण को बढ़ावा देने और रोगाणुओं के लिए सब्सट्रेट को अधिक उपलब्ध कराने के लिए किया जाता है। अल्ट्रासोनिक मिश्रण माइक्रोबियल कोशिकाओं से दूर, और उत्पादों के लिए सब्सट्रेट्स के बड़े पैमाने पर हस्तांतरण को बढ़ावा देता है। बड़े पैमाने पर हस्तांतरण के अल्ट्रासोनिक गहनता को पूर्व-उपचार के साथ-साथ किण्वन के दौरान लागू किया जा सकता है।
2. सेल व्यवधान: सोनिकेशन को कोशिका की दीवारों और झिल्ली को बाधित करने के लिए नियोजित किया जा सकता है, विशेष रूप से माइक्रोबियल या खमीर संस्कृतियों में। यह इंट्रासेल्युलर घटकों, जैसे एंजाइम या मेटाबोलाइट्स को जारी करने में मदद करता है, जो किण्वन प्रदर्शन में सुधार कर सकते हैं या डाउनस्ट्रीम प्रक्रियाओं को सुविधाजनक बना सकते हैं।
3. इंट्रासेल्युलर यौगिकों का निष्कर्षण: सोनिकेशन किण्वन से पहले जैविक सामग्री से इंट्रासेल्युलर यौगिकों के निष्कर्षण में सहायता कर सकता है। इसमें किण्वन प्रक्रियाओं में बाद में उपयोग के लिए कोशिकाओं, ऊतकों या पौधों की सामग्री से एंजाइम, प्रोटीन, न्यूक्लिक एसिड या अन्य लक्ष्य यौगिक ों को निकालना शामिल है।

उदाहरण के लिए, एस्परगिलस जैपोनिकस (var. japonicus CY6-1) द्वारा जाइलोलिगोसेकेराइड उत्पादन के लिए एंजाइमेटिक हाइड्रोलिसिस को बढ़ाने के लिए चावल पतवार के अल्ट्रासोनिक उपचार का उपयोग किया गया था। सोनिकेशन द्वारा, चावल के पतवार से सेल्युलिटिक और जाइलनोलाइटिक एंजाइमों का उत्पादन काफी बढ़ गया था। सोनिकेशन के तहत हेमिकेलुलोज उपज को 1.4 गुना तक बढ़ा दिया गया था और उत्पादन का समय 80 डिग्री सेल्सियस पर 24 घंटे से 1.5 घंटे तक बहुत कम हो गया था। – प्रक्रिया अनुकूलन के आगे की क्षमता के साथ। sonicated बायोमास कवक के लिए बहुत आसान परिवर्तनीय ताकि एंजाइम गतिविधि की स्थिरता बढ़ाया है और CMCase, बी-ग्लुकोसिडेस की गतिविधि, और xylanase गैर sonicated चावल पतवार की तुलना में वृद्धि हुई है है। अंतिम उत्साहवर्द्धक उत्पादों, xylotetraose xylohexaose, और उच्च आणविक भार xylooligosaccharides थे। sonicated चावल पतवार से xylohexaose उपज 80% अधिक था।

अल्ट्रासोनिकली-असिस्टेड किण्वन – रोगाणुओं की उत्तेजना

• मिश्रण और समरूपीकरण: किण्वन के दौरान सोनिकेशन का उपयोग मिश्रण तकनीक के रूप में किया जा सकता है। अल्ट्रासाउंड तरंगों का आवेदन माइक्रोस्ट्रीमिंग बनाने में मदद करता है और समरूपता को बढ़ावा देता है, किण्वन पोत के भीतर पोषक तत्वों, गैसों और सूक्ष्मजीवों के समान वितरण को सुनिश्चित करता है।
• मास ट्रांसफर में वृद्धि: बेहतर मिश्रण और समरूपीकरण से संबंधित किण्वन के दौरान अल्ट्रासोनिक रूप से बेहतर द्रव्यमान हस्तांतरण दर हैं। अल्ट्रासोनिक दोलन और गुहिकायन स्थानीयकृत अशांति पैदा करते हैं और किण्वन शोरबा में सब्सट्रेट्स, गैसों और पोषक तत्वों के प्रसार को बढ़ाते हैं। यह किण्वन प्रक्रिया की समग्र दक्षता और उत्पादकता में सुधार कर सकता है।
• सेल व्यवहार्यता और चयापचय गतिविधि में सुधार: सेल व्यवहार्यता और चयापचय गतिविधि को बढ़ाने के लिए किण्वन के दौरान माइक्रोबियल संस्कृतियों पर सोनिकेशन लागू किया जा सकता है। हल्के सोनिकेशन कुछ सूक्ष्मजीवों को उत्तेजित कर सकते हैं, विकास, बायोमास उत्पादन और वांछित चयापचयों या किण्वन उत्पादों के संश्लेषण को बढ़ावा दे सकते हैं।

ठीक चलाया और repeatable sonication कोशिकाओं को नुकसान पहुँचाए बिना विभिन्न किण्वन प्रक्रियाओं की उत्पादकता में सुधार लाने में मदद करता है। sonication तीव्रता वास्तव में विशेष सेल प्रजातियों और अपनी आवश्यकताओं के लिए अनुकूलित किया जा सकता। नियंत्रित sonication द्वारा, कोशिकाओं की वृद्धि और चयापचय को सकारात्मक रूप से प्रभावित होता है और रूपांतरण जीवित कोशिकाओं द्वारा उत्प्रेरित में काफी सुधार हुआ है, उदाहरण के लिए दूध में Bifidobacteria उत्तेजक।
कुछ कवक चालित किण्वन प्रक्रियाओं के लिए, sonication के सफलतापूर्वक विकास दर और filamentous कवक की उपज को प्रभावित किए बिना विकास आकृति विज्ञान और शोरबा rheology संशोधित करने के लिए प्रयोग किया जाता है।

अल्ट्रासोनिक पोस्ट-किण्वन उपचार

• सेल कटाई और पृथक्करण: सोनिकेशन किण्वन के बाद सेल कटाई और पृथक्करण में सहायता कर सकता है। यह सेल समुच्चय, फ्लोक्कुलेंट्स, या बायोफिल्म को तोड़ने में सहायता कर सकता है, जिससे किण्वन शोरबा से कोशिकाओं की रिहाई की सुविधा मिलती है। यह बाद की डाउनस्ट्रीम प्रक्रियाओं को सरल बनाता है, जैसे कि सेल रिकवरी या उत्पाद शुद्धिकरण।
• इंट्रासेल्युलर उत्पादों का निष्कर्षण: किण्वन के बाद, सोनिकेशन का उपयोग माइक्रोबियल या सेलुलर बायोमास से इंट्रासेल्युलर उत्पादों, जैसे एंजाइम, प्रोटीन, या माध्यमिक मेटाबोलाइट्स को निकालने के लिए किया जा सकता है। यह निष्कर्षण प्रक्रिया मूल्यवान यौगिकों को पुनर्प्राप्त करने में मदद करती है और किण्वन प्रक्रिया की समग्र उपज में सुधार करती है।
• विश्लेषणात्मक उद्देश्यों के लिए सेल विघटन: किण्वन के बाद कोशिकाओं या माइक्रोबियल नमूनों को बाधित करने के लिए सोनिकेशन लागू किया जा सकता है, विशेष रूप से विश्लेषणात्मक उद्देश्यों के लिए। यह सेल लाइसिस और इंट्रासेल्युलर सामग्री की रिहाई में सहायता करता है, सेलुलर घटकों के विश्लेषण की सुविधा प्रदान करता है या डाउनस्ट्रीम परख करता है।

माइक्रोबियल एंजाइमों जैसे इंट्रासेल्यूलर घटकों के उत्पादन के लिए (जैसे कैटलस, एमिलेज़, प्रोटीज़, पेक्टिनेज, ग्लूकोज आइसोमेरेज़, सेल्यूलेज, हेमिसेल्यूलस, लिपेज, लैक्टेज, स्ट्रेप्टोकिनेज) और रीकॉम्बीनेंट प्रोटीन (जैसे इंसुलिन, हेपेटाइटिस बी टीका, इंटरफेरॉन, ग्रानुलोसाइट कॉलोनी-उत्तेजक कारक, streptokinase), वांछित प्रोटीन को जारी करने के लिए किण्वन प्रक्रिया के बाद कोशिकाओं को lysed / बाधित किया जाना चाहिए। Sonication द्वारा, चिपचिपा mycelial किण्वन शोरबा से इंट्रासेल्यूलर और extracellular polysaccharide- प्रोटीन परिसरों का निष्कर्षण सुविधा प्रदान की जाती है। इसके उत्कृष्ट निष्कर्षण उपज और दक्षता के अलावा, sonication सेल lysis के लिए अच्छी तरह से स्थापित और विश्वसनीय है और इंट्रासेल्यूलर पदार्थ के निष्कर्षण।
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बेहतर किण्वन प्रक्रियाओं के लिए अल्ट्रासोनिक बायोरिएक्टर

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