किण्वन के लिए अल्ट्रासोनिक बायोरिएक्टर
अल्ट्रासोनिक्स यांत्रिक कंपन और गुहिकायन द्वारा सूक्ष्मजीवों को उत्तेजित करने का एक प्रभावी साधन है। अल्ट्रासोनिक किण्वक में, कोशिकाओं और ऊतक 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। सूक्ष्मजीव और स्तनधारी कोशिकाएं केवल कुछ शर्तों के तहत पनपती हैं। अल्ट्रासोनिक उत्तेजना के साथ संयुक्त सही स्थितियां किण्वन की उपज को अधिकतम कर सकती हैं।
सूक्ष्मजीवों की अल्ट्रासोनिक उत्तेजना
किण्वन एक चयापचय प्रक्रिया है जो चीनी को एसिड, गैसों या शराब में परिवर्तित करती है। यह खमीर और बैक्टीरिया में होता है, और ऑक्सीजन-भूखे मांसपेशियों की कोशिकाओं में भी, जैसा कि लैक्टिक एसिड किण्वन के मामले में होता है। किण्वन का उपयोग अधिक व्यापक रूप से विकास माध्यम पर सूक्ष्मजीवों के थोक विकास को संदर्भित करने के लिए किया जाता है, अक्सर एक विशिष्ट रासायनिक उत्पाद के उत्पादन के लक्ष्य के साथ।
किण्वन के लिए बैक्टीरिया और कवक जैसे सूक्ष्मजीवों का उपयोग करके औद्योगिक पैमाने पर किण्वन प्रक्रिया की जाती है। किण्वित उत्पादों का उपयोग खाद्य और सामान्य उद्योग में किया जाता है। एसिटिक एसिड, साइट्रिक एसिड और इथेनॉल जैसे रसायन किण्वन द्वारा उत्पादित होते हैं। किण्वन दर सूक्ष्मजीवों, कोशिकाओं, सेलुलर घटकों और एंजाइमों के साथ-साथ तापमान और पीएच की एकाग्रता से प्रभावित होती है। एरोबिक किण्वन के लिए, ऑक्सीजन भी एक महत्वपूर्ण कारक है। लगभग सभी व्यावसायिक रूप से उत्पादित एंजाइम, जैसे कि लाइपेज, इनवर्टेज और रेनेट, आनुवंशिक रूप से संशोधित रोगाणुओं के साथ किण्वन द्वारा बनाए जाते हैं।
अल्ट्रासोनिक homogenizer UIP2000hdT (2kW) बैच रिएक्टर के साथ
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 यौगिक)
- इंट्रासेल्युलर घटकों (एंजाइम और अन्य प्रोटीन) का उत्पादन
- सब्सट्रेट का परिवर्तन (जिसमें रूपांतरित सब्सट्रेट स्वयं उत्पाद है)
किण्वन से पहले, दौरान और बाद में सोनिकेशन
सोनिकेशन, कम आवृत्ति वाली अल्ट्रासाउंड तरंगों के आवेदन, का उपयोग किण्वन से पहले, दौरान और बाद में विभिन्न तरीकों से और किण्वन प्रक्रिया के विभिन्न चरणों में किया जा सकता है।
अल्ट्रासोनिक पूर्व किण्वन उपचार – बायोमास उपलब्धता में सुधार
- बेहतर मास ट्रांसफर: पूर्व-उपचार के रूप में सोनिकेशन का उपयोग बड़े पैमाने पर हस्तांतरण को बढ़ावा देने और सब्सट्रेट को रोगाणुओं के लिए अधिक उपलब्ध कराने के लिए किया जाता है। अल्ट्रासोनिक मिश्रण सब्सट्रेट के बड़े पैमाने पर हस्तांतरण को बढ़ावा देता है, और उत्पादों से दूर, माइक्रोबियल कोशिकाओं। बड़े पैमाने पर हस्तांतरण की अल्ट्रासोनिक गहनता को पूर्व-उपचार के साथ-साथ किण्वन के दौरान भी लागू किया जा सकता है।
- सेल व्यवधान: सोनिकेशन को सेल की दीवारों और झिल्ली को बाधित करने के लिए नियोजित किया जा सकता है, विशेष रूप से माइक्रोबियल या खमीर संस्कृतियों में। यह एंजाइम या मेटाबोलाइट्स जैसे इंट्रासेल्युलर घटकों को छोड़ने में मदद करता है, जो किण्वन प्रदर्शन में सुधार कर सकते हैं या डाउनस्ट्रीम प्रक्रियाओं को सुविधाजनक बना सकते हैं।
- 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 यौगिकों को निकालना शामिल है।
उदाहरण के लिए, चावल पतवार के अल्ट्रासोनिक ढोंग का उपयोग एस्परगिलस जपोनिकस (var. japonicus CY6-1) द्वारा xylooligosaccharides उत्पादन के लिए एंजाइमी हाइड्रोलिसिस को बढ़ाने के लिए किया गया था। सोनिकेशन द्वारा, चावल के पतवार से सेल्यूलोलाइटिक और जाइलेनोलिटिक एंजाइमों का उत्पादन काफी बढ़ाया गया था। हेमिकेलुलोज उपज को सोनिकेशन के तहत 1.4 गुना तक बढ़ा दिया गया था और उत्पादन समय 80ºC पर 24 घंटे से 1.5 घंटे तक बहुत छोटा हो गया था – प्रक्रिया अनुकूलन की आगे की क्षमता के साथ। सोनिकेटेड बायोमास कवक के लिए बहुत आसान परिवर्तनीय है ताकि एंजाइम गतिविधि की स्थिरता बढ़ाई जा सके और गैर-सोनिकेटेड चावल पतवार की तुलना में CMCase, b-glucosidase और xylanase की गतिविधि बढ़ जाए। अंतिम किण्वन उत्पाद xylotetraose, xylohexaose, और उच्च आणविक भार xylooligosaccharides थे। सोनिकेटेड चावल पतवार से जाइलोहेक्साओज उपज 80% अधिक थी।
किण्वन से पहले सोनिकेशन उपलब्ध किण्वित पोषक तत्वों को बढ़ाता है
अल्ट्रासोनिक रूप से सहायता प्राप्त 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 अनुप्रयोग माइक्रोस्ट्रीमिंग बनाने में मदद करता है और एकरूपता को बढ़ावा देता है, किण्वन पोत के भीतर पोषक तत्वों, गैसों और सूक्ष्मजीवों के समान वितरण को सुनिश्चित करता है।
- बड़े पैमाने पर स्थानांतरण में वृद्धि: बेहतर मिश्रण और समरूपता 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 सब्सट्रेट, 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।
सटीक रूप से नियंत्रणीय और दोहराने योग्य सोनीशन कोशिकाओं को नुकसान पहुंचाए बिना विभिन्न किण्वन प्रक्रियाओं की उत्पादकता में सुधार करने में मदद करता है। सोनीशन तीव्रता को विशिष्ट सेल प्रजातियों और इसकी आवश्यकताओं के लिए बिल्कुल अनुकूलित किया जा सकता है। नियंत्रित सोनिकेशन द्वारा, कोशिका वृद्धि और चयापचय सकारात्मक रूप से प्रभावित होता है और जीवित कोशिकाओं द्वारा उत्प्रेरित रूपांतरणों में काफी सुधार होता है, उदाहरण के लिए दूध में बिफीडोबैक्टीरिया को उत्तेजित करना।
कुछ कवक-संचालित किण्वन प्रक्रियाओं के लिए, सोनिकेशन का उपयोग विकास दर और फिलामेंटस कवक की उपज को प्रभावित किए बिना विकास आकृति विज्ञान और शोरबा रियोलॉजी को संशोधित करने के लिए सफलतापूर्वक किया जाता है।
अल्ट्रासोनिक पोस्ट-किण्वन उपचार
- सेल हार्वेस्टिंग और पृथक्करण: सोनिकेशन किण्वन के बाद सेल कटाई और पृथक्करण में सहायता कर सकता है। यह सेल समुच्चय, flocculants, या biofilms को तोड़ने में सहायता कर सकते हैं, किण्वन शोरबा से कोशिकाओं की रिहाई की सुविधा. यह बाद की डाउनस्ट्रीम प्रक्रियाओं को सरल करता है, जैसे सेल रिकवरी या उत्पाद शुद्धि।
- इंट्रासेल्युलर उत्पादों का निष्कर्षण: किण्वन के बाद, सोनिकेशन का उपयोग माइक्रोबियल या सेलुलर बायोमास से एंजाइम, प्रोटीन या द्वितीयक चयापचयों जैसे इंट्रासेल्युलर उत्पादों 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: सोनिकेशन को किण्वन के बाद कोशिकाओं या माइक्रोबियल नमूनों को बाधित करने के लिए लागू किया जा सकता है, विशेष रूप से विश्लेषणात्मक उद्देश्यों के लिए। यह सेल लसीका और इंट्रासेल्युलर सामग्री की रिहाई में सहायता करता है, सेलुलर घटकों के विश्लेषण की सुविधा प्रदान करता है या डाउनस्ट्रीम परख करता है।
माइक्रोबियल एंजाइम (जैसे कैटालेस, एमाइलेज, प्रोटीज, पेक्टिनेज, ग्लूकोज आइसोमेरेज़, सेल्यूलज़, हेमिकेलुलेज़, लाइपेज, लैक्टेज, स्ट्रेप्टोकिनेज) और पुनः संयोजक प्रोटीन (जैसे इंसुलिन, हेपेटाइटिस बी वैक्सीन, इंटरफेरॉन, ग्रैनुलोसाइट कॉलोनी-उत्तेजक कारक, स्ट्रेप्टोकिनेज) जैसे इंट्रासेल्युलर घटकों के उत्पादन के लिए, वांछित प्रोटीन जारी करने के लिए किण्वन प्रक्रिया के बाद कोशिकाओं को lysed / बाधित होना पड़ता है। सोनिकेशन द्वारा, चिपचिपा मायसेलियल किण्वन शोरबा से इंट्रासेल्युलर और बाह्य पॉलीसेकेराइड-प्रोटीन परिसरों के निष्कर्षण की सुविधा है। इसकी उत्कृष्ट निष्कर्षण उपज और दक्षता के अलावा, सोनिकेशन सेल लसीका और इंट्रासेल्युलर पदार्थ के निष्कर्षण के लिए अच्छी तरह से स्थापित और विश्वसनीय है।
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बेहतर किण्वन प्रक्रियाओं के लिए अल्ट्रासोनिक बायोरिएक्टर
Hielscher Ultrasonics लंबे समय से अल्ट्रासोनिक रूप से उत्तेजित जैव-प्रक्रियाओं जैसे सेल उत्तेजना, किण्वन, सेल व्यवधान और निष्कर्षण के साथ अनुभव किया जाता है। हम बैच और फ्लो-थ्रू मोड में सोनीशन के लिए विभिन्न आकारों और ज्यामिति के विभिन्न मानक अल्ट्रासोनिक रिएक्टर प्रदान करते हैं। वैकल्पिक रूप से, हम आपके मौजूदा बायोरिएक्टर में एकीकरण के लिए अनुकूलित समाधान प्रदान करते हैं। चूंकि हमारे अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर बहुत बहुमुखी हैं और केवल छोटी जगह की आवश्यकता होती है, मौजूदा जैव प्रौद्योगिकी संयंत्रों में रेट्रोफिटिंग को समस्याओं के बिना महसूस किया जा सकता है।
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नीचे दी गई तालिका, बैच वॉल्यूम या संसाधित होने वाली प्रवाह दर के आधार पर सामान्य डिवाइस सिफारिशों को इंगित करती है। प्रत्येक डिवाइस पर अधिक जानकारी प्राप्त करने के लिए डिवाइस प्रकार पर क्लिक करें।
| बैच वॉल्यूम | प्रवाह दर | अनुशंसित उपकरण |
|---|---|---|
| 0.5 से 1.5mL | एन.ए. | वायलट्वीटर |
| 1 से 500mL | 10 से 200mL/मिनट | यूपी100एच |
| 10 से 2000mL | 20 से 400mL/मिनट | यूपी200एचटी, यूपी400एस |
| 0.1 से 20L | 0.2 से 4L/मिनट | UIP1000hdT, यूआईपी2000एचडीटी |
| 10 से 100L | 2 से 10 लीटर/मिनट | UIP4000 |
| एन.ए. | 10 से 100 लीटर/मिनट | UIP16000 |
| एन.ए. | बड़ा | का क्लस्टर UIP16000 |
सोनिकेटर UIP1000hdT किण्वन प्रक्रियाओं के अल्ट्रासोनिक गहनता के लिए प्रवाह सेल के साथ
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.
से उच्च शक्ति अल्ट्रासोनिक homogenizers प्रयोगशाला तक पायलट और उद्योग-प्रधान पैमाना।