किण्वन के लिए अल्ट्रासोनिक बायोरिएक्टर

अल्ट्रासोनिक्स यांत्रिक कंपनों और कैविटेशन द्वारा सूक्ष्मजीवों को उत्तेजित करने का एक प्रभावी साधन है। सोनोबायोरिएक्टर / अल्ट्रासोनिक किण्वक में कोशिकाओं और ऊतकों का अल्ट्रासोनिक उपचार अत्यधिक नियंत्रित किया जा सकता है, क्योंकि पर्यावरणीय कारकों को सटीक रूप से निर्धारित किया जा सकता है। अल्ट्रासोनिक बायोरिएक्टरों से किण्वन के उत्पादन में उल्लेखनीय वृद्धि की जा सकती है।

किण्वन

किण्वन की दक्षता प्रक्रिया की परिस्थितियों पर निर्भर करती है: पोषक तत्व, माध्यम का घनत्व, तापमान, ऑक्सीजन / गैस की मात्रा और दाब ऐसे महत्वपूर्ण कारक हैं जो सूक्ष्मजीवी गतिविधि को प्रभावित करते हैं। सूक्ष्मजीव और स्तनधारी कोशिकाएँ केवल कुछ विशिष्ट परिस्थितियों में ही फलती-फूलती हैं। अल्ट्रासोनिक उत्तेजना के साथ सही परिस्थितियाँ किण्वन की उपज को अधिकतम कर सकती हैं।

सूक्ष्मजीवों की अल्ट्रासोनिक उत्तेजना

किण्वन एक चयापचयी प्रक्रिया है जो शर्करा को अम्लों, गैसों या अल्कोहल में परिवर्तित करती है। यह यीस्ट और जीवाणुओं में होता है, और ऑक्सीजन की कमी वाली मांसपेशी कोशिकाओं में भी होता है, जैसा कि लैक्टिक अम्ल किण्वन के मामले में होता है। व्यापक अर्थ में किण्वन शब्द का उपयोग वृद्धि माध्यम पर सूक्ष्मजीवों की बड़े पैमाने पर वृद्धि के लिए भी किया जाता है, जिसका उद्देश्य अक्सर किसी विशिष्ट रासायनिक उत्पाद का उत्पादन करना होता है।
किण्वन प्रक्रियाएँ औद्योगिक पैमाने पर जीवाणुओं और कवकों जैसे सूक्ष्मजीवों का उपयोग करके की जाती हैं। किण्वित उत्पादों का उपयोग खाद्य उद्योग और सामान्य उद्योगों में किया जाता है। एसिटिक अम्ल, साइट्रिक अम्ल और एथेनॉल जैसे रसायन किण्वन द्वारा उत्पादित किए जाते हैं। किण्वन की दर सूक्ष्मजीवों, कोशिकाओं, कोशिकीय घटकों और एंजाइमों की सांद्रता के साथ-साथ तापमान और pH से प्रभावित होती है। वायवीय किण्वन के लिए ऑक्सीजन भी एक प्रमुख कारक है। व्यावसायिक रूप से उत्पादित लगभग सभी एंजाइम, जैसे लाइपेज़, इन्वर्टेज़ और रेनेट, आनुवंशिक रूप से संशोधित सूक्ष्मजीवों के साथ किण्वन द्वारा बनाए जाते हैं।

• जैवद्रव्य का उत्पादन (जीवनक्षम कोशिकीय पदार्थ)
• बाह्यकोशिकीय चयापचयजों का उत्पादन (रासायनिक यौगिक)
• अंतःकोशिकीय घटकों का उत्पादन (एंजाइम और अन्य प्रोटीन)
• सब्सट्रेट का रूपांतरण (जिसमें रूपांतरित सब्सट्रेट स्वयं ही उत्पाद होता है)

किण्वन से पहले, उसके दौरान और उसके बाद सोनिकेशन

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

किण्वन से पहले अल्ट्रासोनिक उपचार – जैवद्रव्य की उपलब्धता में सुधार

1. बेहतर द्रव्यमान स्थानांतरण: पूर्व-उपचार के रूप में सोनिकेशन का उपयोग द्रव्यमान स्थानांतरण को बढ़ावा देने और सूक्ष्मजीवों के लिए सब्सट्रेट की उपलब्धता बढ़ाने के लिए किया जाता है। अल्ट्रासोनिक मिश्रण सब्सट्रेटों के सूक्ष्मजीवी कोशिकाओं तक और उत्पादों के इन कोशिकाओं से दूर द्रव्यमान स्थानांतरण को बढ़ावा देता है। द्रव्यमान स्थानांतरण की अल्ट्रासोनिक तीव्रता-वृद्धि का उपयोग पूर्व-उपचार के रूप में और किण्वन के दौरान भी किया जा सकता है।
2. कोशिका विघटन: सोनिकेशन का उपयोग कोशिका भित्तियों और झिल्लियों को विघटित करने के लिए किया जा सकता है, विशेष रूप से सूक्ष्मजीवी या यीस्ट संवर्धनों में। इससे एंजाइमों या चयापचयजों जैसे अंतःकोशिकीय घटकों को मुक्त करने में मदद मिलती है, जो किण्वन के प्रदर्शन को बेहतर बना सकते हैं या आगे की प्रक्रियाओं को सुगम बना सकते हैं।
3. अंतःकोशिकीय यौगिकों का निष्कर्षण: सोनिकेशन किण्वन से पहले जैविक पदार्थों से अंतःकोशिकीय यौगिकों के निष्कर्षण में सहायता कर सकता है। इसमें किण्वन प्रक्रियाओं में बाद में उपयोग के लिए कोशिकाओं, ऊतकों या पादप पदार्थों से एंजाइमों, प्रोटीनों, न्यूक्लिक अम्लों या अन्य लक्षित यौगिकों का निष्कर्षण शामिल है।

उदाहरण के लिए, Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1) द्वारा ज़ाइलोओलिगोसैकराइड के उत्पादन के लिए एंज़ाइमी जल-अपघटन को बढ़ाने हेतु चावल की भूसी का अल्ट्रासोनिक पूर्व-उपचार किया गया। सोनिकेशन से चावल की भूसी से सेल्यूलोज़ और ज़ाइलान का अपघटन करने वाले एंज़ाइमों का उत्पादन उल्लेखनीय रूप से बढ़ा। सोनिकेशन के अंतर्गत हेमीसेल्यूलोज़ की उपज बढ़कर 1.4 गुनी हो गई और 80ºC पर उत्पादन का समय 24 h से घटकर 1.5 h रह गया – साथ ही प्रक्रिया के और अनुकूलन की संभावना भी बनी रही। कवक सोनिकेशन से उपचारित बायोमास को कहीं अधिक आसानी से रूपांतरित कर सकते हैं, जिससे एंज़ाइम गतिविधि की स्थिरता अधिक समय तक बनी रहती है और सोनिकेशन से अनुपचारित चावल की भूसी की तुलना में CMCase, b-glucosidase और ज़ाइलानेज़ की गतिविधि बढ़ जाती है। अंतिम किण्वन उत्पाद ज़ाइलोटेट्राओज़, ज़ाइलोहेक्साओज़ और अधिक आणविक भार वाले ज़ाइलोओलिगोसैकराइड थे। सोनिकेशन से उपचारित चावल की भूसी से ज़ाइलोहेक्साओज़ की उपज 80% अधिक थी।

अल्ट्रासोनिक सहायता से किण्वन – सूक्ष्मजीवों का उद्दीपन

• मिश्रण और समांगीकरण: किण्वन के दौरान सोनिकेशन का उपयोग मिश्रण तकनीक के रूप में किया जा सकता है। अल्ट्रासाउंड तरंगों का अनुप्रयोग सूक्ष्म प्रवाह उत्पन्न करने में मदद करता है और समांगता को बढ़ावा देता है, जिससे किण्वन पात्र के भीतर पोषक तत्वों, गैसों और सूक्ष्मजीवों का एकसमान वितरण सुनिश्चित होता है।
• द्रव्यमान स्थानांतरण में वृद्धि: किण्वन के दौरान अल्ट्रासोनिक रूप से बेहतर हुई द्रव्यमान स्थानांतरण दरें बेहतर मिश्रण और समांगीकरण से जुड़ी होती हैं। अल्ट्रासोनिक दोलन और कैविटेशन स्थानीय विक्षोभ उत्पन्न करते हैं तथा किण्वन शोरबे में सब्सट्रेट, गैसों और पोषक तत्वों के विसरण को बढ़ाते हैं। इससे किण्वन प्रक्रिया की समग्र दक्षता और उत्पादकता में सुधार हो सकता है।
• कोशिका की जीवनक्षमता और चयापचय गतिविधि में सुधार: किण्वन के दौरान कोशिकाओं की जीवनक्षमता और चयापचय गतिविधि बढ़ाने के लिए सूक्ष्मजीवी संवर्धों पर सोनिकेशन लागू किया जा सकता है। हल्का सोनिकेशन कुछ सूक्ष्मजीवों को उद्दीप्त कर सकता है, जिससे वृद्धि, बायोमास उत्पादन और वांछित चयापचयजों या किण्वन उत्पादों के संश्लेषण को बढ़ावा मिलता है।

सटीक रूप से नियंत्रित किए जा सकने वाला और दोहराने योग्य सोनिकेशन कोशिकाओं को क्षति पहुँचाए बिना विभिन्न किण्वन प्रक्रियाओं की उत्पादकता में सुधार करने में मदद करता है। सोनिकेशन की तीव्रता को विशिष्ट कोशिका प्रजाति और उसकी आवश्यकताओं के अनुसार सटीक रूप से समायोजित किया जा सकता है। नियंत्रित सोनिकेशन से कोशिका वृद्धि और चयापचय पर सकारात्मक प्रभाव पड़ता है तथा जीवित कोशिकाओं द्वारा उत्प्रेरित रूपांतरणों में उल्लेखनीय सुधार होता है, जैसे दूध में Bifidobacteria को उद्दीप्त करना।
कवक द्वारा संचालित कुछ किण्वन प्रक्रियाओं में तंतुमय कवकों की वृद्धि दर और उपज को प्रभावित किए बिना वृद्धि की आकारिकी और शोरबे के प्रवाहिकी गुणों को बदलने के लिए सोनिकेशन का सफलतापूर्वक उपयोग किया जाता है।

किण्वन के बाद अल्ट्रासोनिक उपचार

• कोशिका संग्रहण और पृथक्करण: सोनिकेशन किण्वन के बाद कोशिका संग्रहण और पृथक्करण में सहायता कर सकता है। यह कोशिका समुच्चयों, फ्लोकुलेंट पदार्थों या बायोफिल्मों को तोड़ने में मदद कर सकता है, जिससे किण्वन शोरबे से कोशिकाओं का मुक्त होना आसान होता है। इससे बाद की प्रक्रियाएँ, जैसे कोशिकाओं की पुनर्प्राप्ति या उत्पाद का शुद्धीकरण, सरल हो जाती हैं।
• अंतःकोशिकीय उत्पादों का निष्कर्षण: किण्वन के बाद सोनिकेशन का उपयोग सूक्ष्मजीवी या कोशिकीय बायोमास से एंज़ाइम, प्रोटीन या द्वितीयक चयापचयज जैसे अंतःकोशिकीय उत्पादों को निकालने के लिए किया जा सकता है। यह निष्कर्षण प्रक्रिया मूल्यवान यौगिकों की पुनर्प्राप्ति में मदद करती है और किण्वन प्रक्रिया की समग्र उपज में सुधार करती है।
• विश्लेषणात्मक उद्देश्यों के लिए कोशिका विघटन: किण्वन के बाद, विशेष रूप से विश्लेषणात्मक उद्देश्यों के लिए, कोशिकाओं या सूक्ष्मजीवी नमूनों के विघटन हेतु सोनिकेशन लागू किया जा सकता है। यह कोशिका लयन और अंतःकोशिकीय सामग्री के मुक्त होने में सहायता करता है, जिससे कोशिकीय घटकों का विश्लेषण करना या बाद के परीक्षण करना आसान होता है।

सूक्ष्मजीवी एंज़ाइमों (जैसे कैटालेज़, एमाइलेज़, प्रोटीएज़, पेक्टिनेज़, ग्लूकोज़ आइसोमरेज़, सेल्युलेज़, हेमिसेल्युलेज़, लाइपेज़, लैक्टेज़, स्ट्रेप्टोकाइनेज़) और पुनःसंयोजक प्रोटीनों (जैसे इंसुलिन, हेपेटाइटिस B वैक्सीन, इंटरफेरॉन, ग्रैन्युलोसाइट कॉलोनी-उत्तेजक कारक, स्ट्रेप्टोकाइनेज़) जैसे अंतःकोशिकीय घटकों के उत्पादन के लिए, वांछित प्रोटीनों को मुक्त करने हेतु किण्वन प्रक्रिया के बाद कोशिकाओं का लयन / विघटन करना आवश्यक होता है। सोनिकेशन से गाढ़े कवकजालीय किण्वन शोरबे से अंतःकोशिकीय और बाह्यकोशिकीय पॉलीसैकेराइड–प्रोटीन संकुलों का निष्कर्षण सुगम होता है। अपनी उत्कृष्ट निष्कर्षण उपज और दक्षता के साथ-साथ, सोनिकेशन कोशिका लयन और अंतःकोशिकीय पदार्थ के निष्कर्षण के लिए एक सुस्थापित और विश्वसनीय विधि है।
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बेहतर किण्वन प्रक्रियाओं के लिए अल्ट्रासोनिक बायोरिएक्टर

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साहित्य/संदर्भ

• 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.