Ultrahangos bioreaktorok fermentációhoz

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

Fermentáció

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 és az emlőssejtek egyaránt csak bizonyos körülmények között képesek jól fejlődni. A megfelelő körülmények ultrahangos stimulálással kombinálva maximalizálhatják a fermentáció hozamát.

Mikroorganizmusok ultrahangos stimulálása

A fermentáció olyan anyagcsere-folyamat, amely a cukrot savakká, gázokká vagy alkohollá alakítja. Élesztőgombákban és baktériumokban, valamint oxigénhiányos izomsejtekben is végbemegy, mint például a tejsavas erjedés esetében. A fermentáció kifejezést tágabb értelemben a mikroorganizmusok tápközegen történő tömeges szaporítására is használják, gyakran egy meghatározott vegyi termék előállítása céljából.
A fermentációs folyamatokat ipari léptékben végzik, mikroorganizmusokat, például baktériumokat és gombákat használva a fermentációhoz. A fermentált termékeket az élelmiszeriparban és az ipar egyéb területein használják. Az olyan vegyi anyagokat, mint az ecetsav, a citromsav és az etanol, fermentációval állítják elő. A fermentáció sebességét a mikroorganizmusok, a sejtek, a sejtalkotók és az enzimek koncentrációja, valamint a hőmérséklet és a pH befolyásolja. Aerob fermentáció esetén az oxigén is kulcsfontosságú tényező. Szinte minden kereskedelmi célra előállított enzimet, például a lipázt, az invertázt és az oltóenzimet, géntechnológiával módosított mikrobákkal végzett fermentációval állítanak elő.

• Biomassza (életképes sejtanyag) előállítása
• Extracelluláris metabolitok (vegyi vegyületek) előállítása
• Intracelluláris komponensek (enzimek és egyéb fehérjék) előállítása
• Szubsztrát átalakítása (amelyben maga az átalakított szubsztrát a termék)

Ultrahangos kezelés a fermentáció előtt, alatt és után

Az ultrahangos kezelés, vagyis az alacsony frekvenciájú ultrahanghullámok alkalmazása, a fermentáció előtt, alatt és után különféle módokon, a fermentációs folyamat különböző szakaszaiban használható.

Fermentáció előtti ultrahangos kezelés – A biomassza hozzáférhetőségének javítása

1. Jobb anyagátadás: Az ultrahangos kezelést előkezelésként alkalmazzák az anyagátadás elősegítésére és a szubsztrát mikrobák számára való hozzáférhetőségének javítására. Az ultrahangos keverés elősegíti a szubsztrátok mikrobiális sejtekhez történő szállítását, valamint a termékek elszállítását a sejtektől. Az anyagátadás ultrahangos fokozása előkezelésként és a fermentáció során egyaránt alkalmazható.
2. Sejtfeltárás: Az ultrahangos kezelés a sejtfalak és membránok felbontására alkalmazható, különösen mikrobiális vagy élesztőkultúrákban. Ez segíti az intracelluláris komponensek, például az enzimek vagy metabolitok felszabadítását, ami javíthatja a fermentáció teljesítményét, vagy megkönnyítheti az azt követő feldolgozási folyamatokat.
3. Intracelluláris vegyületek extrakciója: Az ultrahangos kezelés elősegítheti az intracelluláris vegyületek biológiai anyagokból történő extrakcióját a fermentáció előtt. Ez magában foglalja az enzimek, fehérjék, nukleinsavak vagy egyéb célvegyületek sejtekből, szövetekből vagy növényi anyagokból történő kinyerését a fermentációs folyamatokban való későbbi felhasználás céljából.

Például a rizshéj ultrahangos előkezelését alkalmazták az enzimatikus hidrolízis fokozására, xilooligoszacharidok Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1) segítségével történő előállításához. Az ultrahangos kezelés jelentősen fokozta a cellulózbontó és xilánbontó enzimek rizshéjból történő előállítását. Az ultrahangos kezelés során a hemicellulóz hozama 1,4-szeresére nőtt, az előállítási idő pedig jelentősen, 24 h-ról 1,5 h-ra rövidült 80ºC-on – a folyamat optimalizálásában rejlő további lehetőségekkel. Az ultrahanggal kezelt biomasszát a gombák sokkal könnyebben alakítják át, így az enzimaktivitás hosszabb ideig marad stabil, a CMCase, a b-glükozidáz és a xilanáz aktivitása pedig nagyobb, mint az ultrahanggal nem kezelt rizshéj esetében. A végső fermentációs termékek xilotetraóz, xilohexaóz és nagyobb molekulatömegű xilooligoszacharidok voltak. Az ultrahanggal kezelt rizshéjból nyert xilohexaóz hozama 80%-kal magasabb volt.

Ultrahanggal segített fermentáció – A mikrobák stimulálása

• Keverés és homogenizálás: Az ultrahangos kezelés keverési technikaként alkalmazható a fermentáció során. Az ultrahanghullámok alkalmazása segít mikroáramlások létrehozásában és elősegíti a homogenitást, biztosítva a tápanyagok, gázok és mikroorganizmusok egyenletes eloszlását a fermentációs edényben.
• Az anyagátadás fokozása: A jobb keveréshez és homogenizáláshoz kapcsolódik az anyagátadás sebességének ultrahanggal történő növelése a fermentáció során. Az ultrahangos rezgés és a kavitáció helyi turbulenciát hoz létre, és fokozza a szubsztrátok, gázok és tápanyagok diffúzióját a fermentlébe. Ez javíthatja a fermentációs folyamat általános hatékonyságát és termelékenységét.
• A sejtek életképességének és anyagcsere-aktivitásának javítása: Az ultrahangos kezelés a fermentáció során alkalmazható mikrobiális kultúrákon a sejtek életképességének és anyagcsere-aktivitásának fokozására. Az enyhe ultrahangos kezelés stimulálhat bizonyos mikroorganizmusokat, elősegítve a növekedést, a biomassza-termelést és a kívánt metabolitok vagy fermentációs termékek szintézisét.

A pontosan szabályozható és megismételhető ultrahangos kezelés a sejtek károsítása nélkül segít javítani a különféle fermentációs folyamatok termelékenységét. Az ultrahangos kezelés intenzitása pontosan az adott sejtfajhoz és annak igényeihez igazítható. A szabályozott ultrahangos kezelés kedvezően befolyásolja a sejtnövekedést és az anyagcserét, és jelentősen javítja az élő sejtek által katalizált átalakulásokat, például a tejben lévő bifidobaktériumok stimulálásával.
Egyes, gombákkal végzett fermentációs folyamatokban az ultrahangos kezelést sikeresen alkalmazzák a növekedési morfológia és a fermentlé reológiájának módosítására anélkül, hogy befolyásolnák a fonalas gombák növekedési sebességét és hozamát.

Fermentáció utáni ultrahangos kezelés

• Sejtek begyűjtése és elválasztása: Az ultrahangos kezelés segítheti a sejtek begyűjtését és elválasztását a fermentáció után. Elősegítheti a sejtaggregátumok, flokkulálószerek vagy biofilmek felbontását, megkönnyítve a sejtek kiszabadítását a fermentléből. Ez egyszerűsíti az ezt követő feldolgozási folyamatokat, például a sejtek kinyerését vagy a termék tisztítását.
• Intracelluláris termékek extrakciója: A fermentáció után az ultrahangos kezelés intracelluláris termékek, például enzimek, fehérjék vagy másodlagos metabolitok mikrobiális vagy sejtes biomasszából történő kinyerésére alkalmazható. Ez az extrakciós folyamat segít az értékes vegyületek kinyerésében, és javítja a fermentációs folyamat teljes hozamát.
• Sejtek felbontása analitikai célokra: Az ultrahangos kezelés sejtek vagy mikrobiális minták feltárására alkalmazható a fermentáció után, különösen analitikai célokra. Elősegíti a sejtlízist és az intracelluláris tartalom felszabadítását, megkönnyítve a sejtalkotók elemzését vagy az ezt követő 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 elleni vakcina, interferon, granulocita-kolóniastimuláló faktor, sztreptokináz) előállításához a sejteket a fermentációs folyamat után lizálni / feltárni kell a kívánt fehérjék felszabadítása érdekében. Az ultrahangos kezelés megkönnyíti az intracelluláris és extracelluláris poliszacharid–fehérje komplexek extrakcióját a viszkózus, micéliumtartalmú fermentléből. Kiemelkedő extrakciós hozama és hatékonysága mellett az ultrahangos kezelés bevált és megbízható módszer a sejtlízisre és az intracelluláris anyagok kinyerésére.
Kattintson ide, és olvasson többet az ultrahangos lízisről és extrakcióról!

Ultrahangos bioreaktorok a fermentációs folyamatok javítására

A Hielscher Ultrasonics nagy múltra visszatekintő tapasztalattal rendelkezik az ultrahanggal stimulált biológiai folyamatok, például a sejtstimulálás, a fermentáció, a sejtfeltárás és az extrakció terén. Különféle méretű és geometriájú szabványos ultrahangos reaktorokat kínálunk szakaszos és átfolyásos üzemmódban végzett ultrahangos kezeléshez. Emellett testreszabott megoldásokat kínálunk a meglévő bioreaktorába történő integráláshoz. Mivel ultrahangos kezelőberendezéseink nagyon sokoldalúak és csak kis helyet igényelnek, meglévő biotechnológiai üzemekbe történő utólagos beépítésük problémamentesen megvalósítható.
Itt többet olvashat az ultrahangos reaktorok típusairól, kialakításairól és alkalmazásairól!
Az alábbi táblázat általános készülékajánlásokat tartalmaz a feldolgozandó adag térfogatától vagy a térfogatáramtól függően. Kattintson a készüléktípusra az adott készülékkel kapcsolatos további információkért.

Szakirodalom/Hivatkozások

• 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.