Ultrahangos bioreaktorok fermentációhoz

Az ultrahang hatékony eszköz a mikroorganizmusok stimulálására mechanikai rezgésekkel és kavitációval. A sonobioreaktorban / ultrahangos fermentorban a sejtek és szövetek ultrahangos kezelése nagymértékben szabályozhatóvá válik, mivel a környezeti tényezők pontosan meghatározhatók. Ultrahangos bioreaktorokkal a fermentációs teljesítmény jelentősen növelhető.

erjedés

A fermentáció hatékonysága a folyamat körülményeitől függ: A tápanyagok, a közeg sűrűsége, a hőmérséklet, az oxigén / gáztartalom és a nyomás fontos tényezők, amelyek befolyásolják a mikrobiális aktivitást. A mikroorganizmusok, valamint az emlőssejtek csak bizonyos körülmények között fejlődnek. A megfelelő körülmények ultrahangos stimulációval kombinálva maximalizálhatják az erjedés hozamát.

Mikroorganizmusok ultrahangos stimulációja

A fermentáció olyan anyagcsere-folyamat, amely a cukrot savakká, gázokká vagy alkohollá alakítja. Élesztőben és baktériumokban, valamint oxigénhiányos izomsejtekben fordul elő, mint a tejsav-fermentáció esetében. A fermentációt szélesebb körben is használják a mikroorganizmusok növekedési közegen történő tömeges növekedésére, gyakran egy adott vegyipari termék előállítása céljából.
A fermentációs folyamatot ipari méretekben végezzük mikroorganizmusok, például baktériumok és gombák felhasználásával az erjesztéshez. Az erjesztett termékeket az élelmiszeriparban és az általános iparban használják. A vegyi anyagokat, például ecetsavat, citromsavat és etanolt erjesztéssel állítják elő. A fermentációs sebességet befolyásolja a mikroorganizmusok, sejtek, sejtkomponensek és enzimek koncentrációja, valamint a hőmérséklet és a pH. Az aerob fermentációhoz az oxigén is kulcsfontosságú tényező. Szinte minden kereskedelmi forgalomban kapható enzim, mint például a lipáz, az invertáz és az oltóenzim, genetikailag módosított mikrobákkal történő fermentációval készül.

• Biomassza (életképes sejtanyag) előállítása
• Extracelluláris metabolitok (kémiai vegyületek) előállítása
• Intracelluláris komponensek (enzimek és egyéb fehérjék) előállítása
• A szubsztrátum átalakítása (amelyben az átalakított szubsztrátum maga a termék)

Szonikálás az erjedés előtt, alatt és után

Az ultrahangos kezelés, az alacsony frekvenciájú ultrahanghullámok alkalmazása különböző módon és a fermentációs folyamat különböző szakaszaiban használható erjedés előtt, alatt és után.

Ultrahangos előfermentációs kezelés – A biomassza rendelkezésre állásának javítása

1. Továbbfejlesztett háttérátvitel: Szonikálás előkezelésként a tömegátadás elősegítésére és a szubsztrátum hozzáférhetőbbé tételére szolgál a mikrobák számára. Az ultrahangos keverés elősegíti a szubsztrátok tömeges átadását a mikrobiális sejtekhez és a termékekhez. A tömegátadás ultrahangos fokozása előkezelésként és erjedés közben is alkalmazható.
2. Sejtzavar: Szonikálás alkalmazható a sejtfalak és membránok megzavarására, különösen mikrobiális vagy élesztőkultúrákban. Ez elősegíti az intracelluláris komponensek, például enzimek vagy metabolitok felszabadulását, amelyek javíthatják a fermentációs teljesítményt vagy megkönnyíthetik a későbbi folyamatokat.
3. Intracelluláris vegyületek extrakciója: Az ultrahangos kezelés segíthet az intracelluláris vegyületek biológiai anyagokból történő kivonásában az erjedés előtt. Ez magában foglalja az enzimek, fehérjék, nukleinsavak vagy más célvegyületek kivonását sejtekből, szövetekből vagy növényi anyagokból a fermentációs folyamatokban történő későbbi felhasználás céljából.

Például a rizshéj ultrahangos előkezelését használták az Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1) xilooligoszacharidok előállításának enzimatikus hidrolízisének fokozására. Szonikálással jelentősen javult a cellulóz- és xilanolitikus enzimek termelése a rizshéjból. A hemicellulóz hozamot szonikálás alatt 1,4-szeresére növelték, és a gyártási idő jelentősen lerövidült 24 óráról 1,5 órára 80 ° C-on – a folyamatoptimalizálás további lehetőségeivel. Az ultrahangos biomassza sokkal könnyebben átalakítható a gombák számára, így az enzimaktivitás stabilitása meghosszabbodik, és a CMCáz, a b-glükozidáz és a xilanáz aktivitása megnő a nem szonikált rizshéjhoz képest. A végső fermentációs termékek xilotetraóz, xilohexaóz és nagyobb molekulatömegű xilooligoszacharidok voltak. Az ultrahangos rizshéj xilohexaóz hozama 80% -kal magasabb volt.

Ultrahanggal segített fermentáció – A mikrobák stimulálása

• Keverés és homogenizálás: A szonikálás keverési technikaként használható az erjedés során. Az ultrahanghullámok alkalmazása elősegíti a mikrostreaminget és elősegíti a homogenitást, biztosítva a tápanyagok, gázok és mikroorganizmusok egyenletes eloszlását a fermentációs edényben.
• A tömeges átvitel javítása: A jobb keveréshez és homogenizáláshoz kapcsolódik az ultrahanggal javított tömegátadási sebesség az erjedés során. Az ultrahangos oszcilláció és kavitáció lokalizált turbulenciát hoz létre, és fokozza a szubsztrátok, gázok és tápanyagok diffúzióját a fermentációs húslevesbe. Ez javíthatja a fermentációs folyamat általános hatékonyságát és termelékenységét.
• A sejtek életképességének és metabolikus aktivitásának javítása: A szonikálás alkalmazható mikrobiális kultúrákra a fermentáció során, hogy fokozza a sejtek életképességét és az anyagcsere aktivitását. Az enyhe szonikálás stimulálhat bizonyos mikroorganizmusokat, elősegítve a növekedést, a biomassza-termelést és a kívánt metabolitok vagy fermentációs termékek szintézisét.

Pontosan szabályozható és megismételhető szonikálás segít javítani a különböző fermentációs folyamatok termelékenységét a sejtek károsítása nélkül. Az ultrahangos intenzitás pontosan adaptálható az adott sejtfajhoz és annak követelményeihez. Szabályozott szonikálással a sejtek növekedését és anyagcseréjét pozitívan befolyásolják, és az élő sejtek által katalizált átalakulások jelentősen javulnak, pl. stimulálja a bifidobaktériumokat a tejben.
Néhány gombásított fermentációs folyamat esetében az ultrahangos kezelést sikeresen alkalmazzák a növekedési morfológia és a húsleves reológia módosítására anélkül, hogy befolyásolnák a fonalas gombák növekedési sebességét és hozamát.

Ultrahangos utófermentációs kezelés

• Sejtgyűjtés és szétválasztás: Az ultrahangos kezelés segíthet a sejtek betakarításában és elválasztásában az erjedés után. Segíthet a sejtaggregátumok, flokkulánsok vagy biofilmek törésében, megkönnyítve a sejtek felszabadulását a fermentációs húslevesből. Ez leegyszerűsíti a későbbi folyamatokat, például a sejt-visszanyerést vagy a terméktisztítást.
• Intracelluláris termékek kivonása: A fermentáció után az ultrahangos kezelés felhasználható intracelluláris termékek, például enzimek, fehérjék vagy másodlagos metabolitok kivonására mikrobiális vagy celluláris biomasszából. Ez az extrakciós folyamat segít visszanyerni az értékes vegyületeket és javítja a fermentációs folyamat teljes hozamát.
• Sejtszétesés analitikai célokra: Szonikálás alkalmazható a sejtek vagy mikrobiális minták megzavarására erjedés után, különösen analitikai célokra. Segíti a sejtlízist és az intracelluláris tartalom felszabadulását, megkönnyítve a sejtkomponensek elemzését vagy a downstream vizsgálatok elvégzését.

Az intracelluláris komponensek, például mikrobiális enzimek (pl. kataláz, amiláz, proteáz, pektináz, glükóz-izomeráz, celluláz, hemicelluláz, lipáz, laktáz, sztreptokináz) és rekombináns fehérjék (pl. inzulin, hepatitis B vakcina, interferon, granulocita kolónia-stimuláló faktor, sztreptokináz) előállításához a sejteket a fermentációs folyamat után lizálni / megszakítani kell, hogy felszabadítsák a kívánt fehérjéket. Szonikálással megkönnyíti az intracelluláris és extracelluláris poliszacharid-fehérje komplexek extrakcióját a viszkózus micélium fermentációs húslevesből. A kiemelkedő extrakciós hozam és hatékonyság mellett az ultrahangkezelés jól megalapozott és megbízható a sejtlízishez és az intracelluláris anyag kivonásához.
Kattintson ide, hogy olvassa el mor ultrahangos lízis és extrakció!

Ultrahangos bioreaktorok a jobb fermentációs folyamatokhoz

A Hielscher Ultrasonics régóta tapasztalt ultrahanggal stimulált bio-folyamatokkal, mint például a sejtstimuláció, fermentáció, sejtzavar és extrakció. Különböző méretű és geometriájú standard ultrahangos reaktorokat kínálunk ultrahangos kezeléshez kötegelt és átfolyó üzemmódban. Alternatív megoldásként testreszabott megoldásokat kínálunk a meglévő bioreaktorba történő integráláshoz. Mivel ultrahangos processzoraink nagyon sokoldalúak és csak kis helyet igényelnek, a meglévő biotechnológiai üzemekbe történő utólagos felszerelés problémamentesen megvalósítható.
További információ az ultrahangos reaktor típusairól, terveiről és alkalmazásairól itt!
Az alábbi táblázat a feldolgozandó köteg mennyiségétől vagy áramlási sebességétől függő általános eszközjavaslatokat tartalmazza. Kattintson az eszköz típusára, ha további információkat szeretne kapni az egyes eszközökről.

Irodalom/Hivatkozások