Ultrazvučni bioreaktori za fermentaciju

Ultrazvuk je učinkovito sredstvo za stimuliranje mikroorganizama mehaničkim vibracijama i kavitacijom. U sonobioreaktoru / ultrazvučnom fermentoru, ultrazvučna obrada stanica i tkiva postaje visoko kontrolirana budući da se okolišni čimbenici mogu točno odrediti. S ultrazvučnim bioreaktorima, učinak fermentacije može se značajno povećati.

vrenje

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

Ultrazvučna stimulacija mikroorganizama

Fermentacija je metabolički proces koji pretvara šećer u kiseline, plinove ili alkohol. Javlja se u kvascima i bakterijama, a također iu mišićnim stanicama koje nemaju dovoljno kisika, kao u slučaju fermentacije mliječne kiseline. Fermentacija se također koristi u širem smislu za označavanje masovnog rasta mikroorganizama na mediju za rast, često s ciljem proizvodnje specifičnog kemijskog proizvoda.
Proces fermentacije provodi se u industrijskim razmjerima uz korištenje mikroorganizama poput bakterija i gljivica za fermentaciju. Fermentirani proizvodi koriste se u prehrambenoj i općoj industriji. Kemikalije, poput octene kiseline, limunske kiseline i etanola, proizvode se fermentacijom. Na brzinu fermentacije utječe koncentracija mikroorganizama, stanica, staničnih komponenti i enzima kao i temperatura i pH. Za aerobnu fermentaciju, kisik je također ključni faktor. Gotovo svi komercijalno proizvedeni enzimi, poput lipaze, invertaze i sirila, dobivaju se fermentacijom s genetski modificiranim mikrobima.

• Proizvodnja biomase (živi stanični materijal)
• Proizvodnja izvanstaničnih metabolita (kemijskih spojeva)
• Proizvodnja unutarstaničnih komponenti (enzima i drugih proteina)
• Transformacija supstrata (u kojoj je transformirani supstrat sam proizvod)

Sonikacija prije, tijekom i nakon fermentacije

Sonikacija, primjena niskofrekventnih ultrazvučnih valova, može se koristiti prije, tijekom i nakon fermentacije na različite načine i u različitim fazama procesa fermentacije.

Ultrazvučni tretman prije fermentacije – Poboljšanje dostupnosti biomase

1. Poboljšani prijenos mase: Sonikacija kao prethodna obrada koristi se za promicanje prijenosa mase i čini supstrat dostupnijim mikrobima. Ultrazvučno miješanje potiče prijenos mase supstrata do mikrobnih stanica i proizvoda od njih. Ultrazvučno intenziviranje prijenosa mase može se primijeniti kao prethodna obrada, kao i tijekom fermentacije.
2. Poremećaj stanica: Sonikacija se može upotrijebiti za razbijanje staničnih stijenki i membrana, osobito u kulturama mikroba ili kvasca. To pomaže oslobađanju unutarstaničnih komponenti, kao što su enzimi ili metaboliti, koji mogu poboljšati izvedbu fermentacije ili olakšati nizvodne procese.
3. Ekstrakcija unutarstaničnih spojeva: Sonikacija može pomoći u ekstrakciji unutarstaničnih spojeva iz bioloških materijala prije fermentacije. To uključuje ekstrakciju enzima, proteina, nukleinskih kiselina ili drugih ciljnih spojeva iz stanica, tkiva ili biljnog materijala za kasniju upotrebu u procesima fermentacije.

Na primjer, ultrazvučna prethodna obrada rižine ljuske korištena je za poboljšanje enzimske hidrolize za proizvodnju ksilooligosaharida pomoću Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Sonikacijom je značajno poboljšana proizvodnja celulolitičkih i ksilanolitičkih enzima iz ljuske riže. Prinos hemiceluloze je povećan do 1,4 puta pod sonikacijom, a vrijeme proizvodnje je uvelike skraćeno sa 24 h na 1,5 h na 80ºC – s daljnjim potencijalom optimizacije procesa. Sonificiranu biomasu mnogo je lakše pretvoriti u gljive, tako da je stabilnost enzimske aktivnosti proširena, a aktivnost CMCase, b-glukozidaze i ksilanaze povećana u usporedbi s neobrađenom soniciranom rižinom ljuskom. Konačni produkti fermentacije bili su ksilotetraoza, ksiloheksaoza i ksilooligosaharidi veće molekulske mase. Prinos ksiloheksaoze iz sonicirane rižine ljuske bio je 80% veći.

Ultrazvučno potpomognuta fermentacija – Stimulacija mikroba

• Miješanje i homogenizacija: Sonikacija se može koristiti kao tehnika miješanja tijekom fermentacije. Primjena ultrazvučnih valova pomaže u stvaranju mikrostrujanja i potiče homogenost, osiguravajući jednoliku distribuciju hranjivih tvari, plinova i mikroorganizama unutar posude za fermentaciju.
• Poboljšanje prijenosa mase: Povezano s poboljšanim miješanjem i homogenizacijom su ultrazvučno poboljšane brzine prijenosa mase tijekom fermentacije. Ultrazvučna oscilacija i kavitacija stvaraju lokaliziranu turbulenciju i pojačavaju difuziju supstrata, plinova i hranjivih tvari u fermentacijsku juhu. To može poboljšati ukupnu učinkovitost i produktivnost procesa fermentacije.
• Poboljšanje održivosti stanica i metaboličke aktivnosti: Sonikacija se može primijeniti na mikrobne kulture tijekom fermentacije kako bi se poboljšala vitalnost stanica i metabolička aktivnost. Blaga sonikacija može stimulirati određene mikroorganizme, potičući rast, proizvodnju biomase i sintezu željenih metabolita ili proizvoda fermentacije.

Precizno kontrolirana i ponovljiva sonikacija pomaže u poboljšanju produktivnosti različitih procesa fermentacije bez oštećenja stanica. Intenzitet sonikacije može se točno prilagoditi specifičnim vrstama stanica i njihovim zahtjevima. Kontroliranom sonikacijom pozitivno se utječe na rast i metabolizam stanica, a pretvorbe katalizirane živim stanicama značajno se poboljšavaju, npr. stimuliranje bifidobakterija u mlijeku.
Za neke procese fermentacije potaknute gljivicama, sonikacija se uspješno koristi za modificiranje morfologije rasta i reologije bujona bez utjecaja na brzinu rasta i prinos filamentoznih gljiva.

Ultrazvučna obrada nakon fermentacije

• Sakupljanje i odvajanje stanica: Sonikacija može pomoći u prikupljanju stanica i odvajanju nakon fermentacije. Može pomoći u razbijanju staničnih nakupina, flokulanata ili biofilmova, olakšavajući oslobađanje stanica iz fermentacijske smjese. Ovo pojednostavljuje naknadne nizvodne procese, kao što je oporavak stanica ili pročišćavanje proizvoda.
• Ekstrakcija unutarstaničnih produkata: Nakon fermentacije, sonikacija se može koristiti za izdvajanje unutarstaničnih proizvoda, kao što su enzimi, proteini ili sekundarni metaboliti, iz mikrobne ili stanične biomase. Ovaj postupak ekstrakcije pomaže u obnavljanju vrijednih spojeva i poboljšava ukupni prinos procesa fermentacije.
• Dezintegracija stanica u analitičke svrhe: Sonikacija se može primijeniti za uništavanje stanica ili mikrobnih uzoraka nakon fermentacije, posebno u analitičke svrhe. Pomaže u staničnoj lizi i oslobađanju unutarstaničnog sadržaja, olakšavajući analizu staničnih komponenti ili izvođenje nizvodnih analiza.

Za proizvodnju unutarstaničnih komponenti kao što su mikrobni enzimi (npr. katalaza, amilaza, proteaza, pektinaza, glukoza izomeraza, celulaza, hemicelulaza, lipaza, laktaza, streptokinaza) i rekombinantnih proteina (npr. inzulin, cjepivo protiv hepatitisa B, interferon, stimulacija kolonija granulocita faktor, streptokinaza), stanice se moraju lizirati/razbiti nakon procesa fermentacije kako bi se oslobodile željene bjelančevine. Ultrazvukom je olakšana ekstrakcija intracelularnih i izvanstaničnih polisaharid-proteinskih kompleksa iz viskozne fermentacijske juhe micelija. Osim izvanrednog prinosa ekstrakcije i učinkovitosti, sonikacija je dobro uspostavljena i pouzdana za lizu stanica i ekstrakciju unutarstanične tvari.
Kliknite ovdje da biste pročitali više o ultrazvučnoj lizi i ekstrakciji!

Ultrazvučni bioreaktori za poboljšane procese fermentacije

Hielscher Ultrasonics ima dugogodišnje iskustvo s ultrazvučno stimuliranim bio-procesima kao što su stimulacija stanica, fermentacija, razbijanje stanica i ekstrakcija. Nudimo razne standardne ultrazvučne reaktore različitih veličina i geometrija za sonikaciju u šaržnom i protočnom načinu rada. Alternativno, nudimo prilagođena rješenja za integraciju u vaš postojeći bioreaktor. Budući da su naši ultrazvučni procesori vrlo svestrani i zahtijevaju samo mali prostor, naknadna ugradnja u postojeća biotehnološka postrojenja može se realizirati bez problema.
Ovdje pročitajte više o vrstama ultrazvučnih reaktora, dizajnu i primjeni!
Donja tablica pokazuje opće preporuke za uređaje ovisno o volumenu šarže ili brzini protoka koji se obrađuje. Kliknite na vrstu uređaja kako biste dobili više informacija o svakom uređaju.

Literatura/Reference