Ultrazvučni bioreaktori za fermentaciju

Ultrazvuk je učinkovito sredstvo za stimulaciju mikroorganizama mehaničkim vibracijama i kavitacijom. U sonobioreaktoru / ultrazvučnom fermentoru ultrazvučna obrada stanica i tkiva može se vrlo precizno kontrolirati jer se okolišni čimbenici mogu točno odrediti. Ultrazvučnim bioreaktorima može se znatno povećati proizvodni učinak fermentacije.

Fermentacija

Učinkovitost fermentacije ovisi o procesnim uvjetima: hranjive tvari, gustoća medija, temperatura, sadržaj kisika / plina i tlak važni su čimbenici koji utječu na mikrobnu aktivnost. Mikroorganizmi, kao i stanice sisavaca, uspijevaju samo u određenim uvjetima. Odgovarajući uvjeti u kombinaciji s ultrazvučnom stimulacijom mogu maksimalno povećati prinos fermentacije.

Ultrazvučna stimulacija mikroorganizama

Fermentacija je metabolički proces kojim se šećer pretvara u kiseline, plinove ili alkohol. Odvija se u kvascima i bakterijama, ali i u mišićnim stanicama kojima nedostaje kisika, kao u slučaju mliječno-kiselinske fermentacije. Pojam fermentacije upotrebljava se i u širem smislu za masovni uzgoj mikroorganizama na hranjivoj podlozi, često s ciljem proizvodnje određenog kemijskog proizvoda.
Procesi fermentacije provode se u industrijskim razmjerima uz upotrebu mikroorganizama poput bakterija i gljiva. Fermentirani proizvodi upotrebljavaju se u prehrambenoj industriji i industriji općenito. Kemikalije poput octene kiseline, limunske kiseline i etanola proizvode se fermentacijom. Na brzinu fermentacije utječu koncentracija mikroorganizama, stanica, staničnih sastavnica i enzima te temperatura i pH. Za aerobnu fermentaciju ključan je čimbenik i kisik. Gotovo svi komercijalno proizvedeni enzimi, poput lipaze, invertaze i sirila, proizvode se fermentacijom uz genetski modificirane mikroorganizme.

• Proizvodnja biomase (vijabilnog staničnog materijala)
• Proizvodnja izvanstaničnih metabolita (kemijskih spojeva)
• Proizvodnja unutarstaničnih sastavnica (enzima i drugih proteina)
• Pretvorba supstrata (pri kojoj je pretvoreni supstrat sam proizvod)

Sonikacija prije, tijekom i nakon fermentacije

Sonikacija, odnosno primjena ultrazvučnih valova niske frekvencije, može se upotrebljavati prije, tijekom i nakon fermentacije na različite načine i u različitim fazama procesa fermentacije.

Ultrazvučna obrada prije fermentacije – poboljšanje dostupnosti biomase

1. Poboljšani prijenos tvari: Sonikacija se kao predobrada upotrebljava za poticanje prijenosa tvari i povećanje dostupnosti supstrata mikroorganizmima. Ultrazvučno miješanje potiče prijenos supstrata do mikrobnih stanica i odvođenje proizvoda od njih. Ultrazvučno intenziviranje prijenosa tvari može se primijeniti kao predobrada, ali i tijekom fermentacije.
2. Razaranje stanica: Sonikacija se može primijeniti za razaranje staničnih stijenki i membrana, osobito u kulturama mikroorganizama ili kvasaca. To pomaže oslobađanju unutarstaničnih sastavnica, poput enzima ili metabolita, što može poboljšati učinak fermentacije ili olakšati daljnje postupke obrade.
3. Ekstrakcija unutarstaničnih spojeva: Sonikacija može pomoći pri ekstrakciji unutarstaničnih spojeva iz bioloških materijala prije fermentacije. To uključuje ekstrakciju enzima, proteina, nukleinskih kiselina ili drugih ciljnih spojeva iz stanica, tkiva ili biljnih materijala za naknadnu upotrebu u procesima fermentacije.

Primjerice, ultrazvučna predobrada rižinih ljuski primijenjena je za poboljšanje enzimske hidrolize radi proizvodnje ksilooligosaharida s pomoću gljive Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Sonikacijom je znatno povećana proizvodnja celulolitičkih i ksilanolitičkih enzima iz rižinih ljuski. Prinos hemiceluloze tijekom sonikacije povećan je na 1,4 puta početne vrijednosti, a vrijeme proizvodnje znatno je skraćeno s 24 h na 1,5 h pri 80ºC – uz dodatni potencijal za optimizaciju procesa. Gljive znatno lakše pretvaraju sonificiranu biomasu, čime se produljuje stabilnost enzimske aktivnosti i povećava aktivnost CMCase, b-glukozidaze i ksilanaze u usporedbi s nesonificiranim rižinim ljuskama. Konačni proizvodi fermentacije bili su ksilotetraoza, ksiloheksaoza i ksilooligosaharidi veće molekulske mase. Prinos ksiloheksaoze iz sonificiranih rižinih ljuski bio je 80% veći.

Ultrazvučno potpomognuta fermentacija – stimulacija mikroorganizama

• Miješanje i homogenizacija: Sonikacija se može upotrebljavati kao tehnika miješanja tijekom fermentacije. Primjena ultrazvučnih valova pomaže u stvaranju mikrostrujanja i potiče homogenost, osiguravajući ravnomjernu raspodjelu hranjivih tvari, plinova i mikroorganizama unutar fermentacijske posude.
• Poboljšanje prijenosa mase: S poboljšanim miješanjem i homogenizacijom povezane su i ultrazvučno povećane brzine prijenosa mase tijekom fermentacije. Ultrazvučne oscilacije i kavitacija stvaraju lokaliziranu turbulenciju i pospješuju difuziju supstrata, plinova i hranjivih tvari u fermentacijsku juhu. To može poboljšati ukupnu učinkovitost i produktivnost fermentacijskog procesa.
• Poboljšanje vijabilnosti stanica i metaboličke aktivnosti: Sonikacija se može primijeniti na mikrobne kulture tijekom fermentacije radi poboljšanja vijabilnosti stanica i metaboličke aktivnosti. Blaga sonikacija može stimulirati određene mikroorganizme, potičući rast, proizvodnju biomase i sintezu željenih metabolita ili proizvoda fermentacije.

Precizno kontrolirana i ponovljiva sonikacija pomaže poboljšati produktivnost različitih fermentacijskih procesa bez oštećivanja stanica. Intenzitet sonikacije može se točno prilagoditi određenoj vrsti stanica i njezinim potrebama. Kontrolirana sonikacija pozitivno utječe na rast i metabolizam stanica te znatno poboljšava pretvorbe koje kataliziraju žive stanice, primjerice stimulacijom bifidobakterija u mlijeku.
U nekim fermentacijskim procesima koje provode gljive sonikacija se uspješno primjenjuje za promjenu morfologije rasta i reologije fermentacijske juhe bez utjecaja na brzinu rasta i prinos filamentoznih gljiva.

Ultrazvučna obrada nakon fermentacije

• Prikupljanje i odvajanje stanica: Sonikacija može pomoći u prikupljanju i odvajanju stanica nakon fermentacije. Može pomoći u razbijanju staničnih agregata, flokulanata ili biofilmova, olakšavajući oslobađanje stanica iz fermentacijske juhe. Time se pojednostavnjuju naknadni procesi obrade, poput izdvajanja stanica ili pročišćavanja proizvoda.
• Ekstrakcija unutarstaničnih proizvoda: Nakon fermentacije sonikacija se može upotrebljavati za ekstrakciju unutarstaničnih proizvoda, poput enzima, proteina ili sekundarnih metabolita, iz mikrobne ili stanične biomase. Taj postupak ekstrakcije pomaže u izdvajanju vrijednih spojeva i poboljšava ukupni prinos fermentacijskog procesa.
• Razaranje stanica u analitičke svrhe: Sonikacija se može primijeniti za razaranje stanica ili mikrobnih uzoraka nakon fermentacije, osobito u analitičke svrhe. Pomaže u lizi stanica i oslobađanju unutarstaničnog sadržaja, olakšavajući analizu staničnih komponenti ili provedbu naknadnih ispitivanja.

Za proizvodnju unutarstaničnih sastavnica kao što su mikrobni enzimi (npr. katalaza, amilaza, proteaza, pektinaza, glukoza-izomeraza, celulaza, hemicelulaza, lipaza, laktaza, streptokinaza) i rekombinantni proteini (npr. inzulin, cjepivo protiv hepatitisa B, interferon, čimbenik stimulacije granulocitnih kolonija, streptokinaza), stanice se nakon procesa fermentacije moraju lizirati / razoriti kako bi se oslobodili željeni proteini. Sonikacija olakšava ekstrakciju unutarstaničnih i izvanstaničnih kompleksa polisaharida i proteina iz viskozne micelijske fermentacijske juhe. Osim što pruža izvanredan prinos i učinkovitost ekstrakcije, sonikacija je dobro uhodana i pouzdana metoda za lizu stanica i ekstrakciju unutarstaničnog materijala.
Kliknite ovdje kako biste pročitali više o ultrazvučnoj lizi i ekstrakciji!

Ultrazvučni bioreaktori za poboljšane procese fermentacije

Hielscher Ultrasonics ima dugogodišnje iskustvo s bioprocesima stimuliranima ultrazvukom, kao što su stimulacija stanica, fermentacija, razaranje stanica i ekstrakcija. Nudimo razne standardne ultrazvučne reaktore različitih veličina i geometrija za sonikaciju u šaržnom i protočnom načinu rada. Kao alternativu nudimo prilagođena rješenja za integraciju u vaš postojeći bioreaktor. Budući da su naši ultrazvučni procesori vrlo svestrani i zahtijevaju samo malo prostora, naknadna ugradnja u postojeća biotehnološka postrojenja može se provesti bez problema.
Ovdje pročitajte više o vrstama, izvedbama i primjenama ultrazvučnih reaktora!
Tablica u nastavku prikazuje opće preporuke uređaja ovisno o volumenu šarže ili protoku koji treba obraditi. Kliknite na vrstu uređaja kako biste dobili više informacija o pojedinom uređaju.

Literatura/Reference

• 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.