Ուլտրաձայնային կենսառեակտորներ խմորման համար
Ուլտրաձայնը մեխանիկական տատանումների և կավիտացիայի միջոցով միկրոօրգանիզմները խթանելու արդյունավետ միջոց է։ Սոնոկենսառեակտորում / ուլտրաձայնային խմորիչ սարքում բջիջների և հյուսվածքի ուլտրաձայնային մշակումը դառնում է մեծապես վերահսկելի, քանի որ միջավայրի գործոնները կարող են ճշգրիտ սահմանվել։ Ուլտրաձայնային կենսառեակտորների միջոցով խմորման արտադրանքի ծավալը կարող է զգալիորեն մեծացվել։
Խմորում
Խմորման արդյունավետությունը կախված է գործընթացի պայմաններից. սննդանյութերը, միջավայրի խտությունը, ջերմաստիճանը, թթվածնի / գազի պարունակությունը և ճնշումը մանրէների ակտիվության վրա ազդող կարևոր գործոններ են։ Միկրոօրգանիզմները, ինչպես նաև կաթնասունների բջիջները, աճում և զարգանում են միայն որոշակի պայմաններում։ Համապատասխան պայմանները՝ ուլտրաձայնային խթանման հետ համատեղ, կարող են առավելագույնի հասցնել խմորման ելքը։
Միկրոօրգանիզմների ուլտրաձայնային խթանում
Խմորումը նյութափոխանակային գործընթաց է, որը շաքարը վերածում է թթուների, գազերի կամ սպիրտի։ Այն տեղի է ունենում խմորասնկերում և բակտերիաներում, ինչպես նաև թթվածնի պակաս ունեցող մկանային բջիջներում, ինչպես կաթնաթթվային խմորման դեպքում։ «Խմորում» եզրույթը նաև ավելի լայն իմաստով է օգտագործվում՝ նշանակելու սննդամիջավայրում միկրոօրգանիզմների զանգվածային աճը, հաճախ՝ որոշակի քիմիական արտադրանք ստանալու նպատակով։
Խմորման գործընթացներն իրականացվում են արդյունաբերական մասշտաբով՝ խմորման համար օգտագործելով այնպիսի միկրոօրգանիզմներ, ինչպիսիք են բակտերիաներն ու սնկերը։ Խմորմամբ ստացված արտադրանքներն օգտագործվում են սննդարդյունաբերության և ընդհանուր արդյունաբերության մեջ։ Քիմիական նյութերը, ինչպիսիք են քացախաթթուն, կիտրոնաթթուն և էթանոլը, արտադրվում են խմորման միջոցով։ Խմորման արագության վրա ազդում են միկրոօրգանիզմների, բջիջների, բջջային բաղադրիչների և ֆերմենտների կոնցենտրացիաները, ինչպես նաև ջերմաստիճանն ու pH-ը։ Աերոբ խմորման համար թթվածինը նույնպես առանցքային գործոն է։ Առևտրային նպատակներով արտադրվող գրեթե բոլոր ֆերմենտները, ինչպիսիք են լիպազը, ինվերտազը և շրդանային ֆերմենտը, ստացվում են գենետիկորեն ձևափոխված մանրէներով խմորման միջոցով։
Ուլտրաձայնային հոմոգենիզատոր UIP2000hdT (2kW) պարբերական գործողության ռեակտորով
Ընդհանուր առմամբ, խմորման գործընթացները կարելի է բաժանել չորս տեսակի/փուլի.
- Կենսազանգվածի արտադրություն (կենսունակ բջջային նյութ)
- Արտաբջջային մետաբոլիտների արտադրություն (քիմիական միացություններ)
- Ներբջջային բաղադրիչների արտադրություն (ֆերմենտներ և այլ սպիտակուցներ)
- Սուբստրատի փոխակերպում (երբ փոխակերպված սուբստրատն ինքն է արտադրանքը)
Ուլտրաձայնային մշակում խմորումից առաջ, ընթացքում և հետո
Ուլտրաձայնային մշակումը՝ ցածր հաճախականության ուլտրաձայնային ալիքների կիրառումը, կարող է օգտագործվել խմորումից առաջ, ընթացքում և հետո՝ տարբեր եղանակներով և խմորման գործընթացի տարբեր փուլերում։
Ուլտրաձայնային մշակում խմորումից առաջ – Կենսազանգվածի մատչելիության բարելավում
- Զանգվածափոխանցման բարելավում. Ուլտրաձայնային մշակումը որպես նախամշակում կիրառվում է զանգվածափոխանցումը խթանելու և սուբստրատը մանրէների համար ավելի մատչելի դարձնելու նպատակով։ Ուլտրաձայնային խառնումը նպաստում է սուբստրատների զանգվածափոխանցմանը դեպի մանրէային բջիջներ և արտադրանքների հեռացմանը դրանցից։ Զանգվածափոխանցման ուլտրաձայնային ինտենսիվացումը կարող է կիրառվել ինչպես նախամշակման, այնպես էլ խմորման ընթացքում։
- Բջիջների քայքայում. Ուլտրաձայնային մշակումը կարող է կիրառվել բջջապատերն ու թաղանթները քայքայելու համար, հատկապես՝ մանրէային կամ խմորասնկային կուլտուրաներում։ Սա օգնում է ազատել ներբջջային բաղադրիչները, ինչպիսիք են ֆերմենտները կամ մետաբոլիտները, ինչը կարող է բարելավել խմորման արդյունավետությունը կամ հեշտացնել հետագա գործընթացները։
- Ներբջջային միացությունների էքստրակցիա. Ուլտրաձայնային մշակումը կարող է նպաստել խմորումից առաջ կենսաբանական նյութերից ներբջջային միացությունների էքստրակցիային։ Սա ներառում է բջիջներից, հյուսվածքներից կամ բուսական նյութերից ֆերմենտների, սպիտակուցների, նուկլեինաթթուների կամ այլ նպատակային միացությունների էքստրակցիան՝ խմորման գործընթացներում հետագա օգտագործման համար։
Օրինակ՝ բրնձի կեղևի ուլտրաձայնային նախնական մշակումն օգտագործվել է ֆերմենտային հիդրոլիզը ուժեղացնելու համար՝ Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1) սնկի միջոցով քսիլոօլիգոսախարիդների արտադրության նպատակով։ Ուլտրաձայնային մշակման շնորհիվ բրնձի կեղևից ցելյուլոլիտիկ և քսիլանոլիտիկ ֆերմենտների արտադրությունը զգալիորեն ավելացել է։ Ուլտրաձայնային մշակման պայմաններում հեմիցելյուլոզի ելքը հասել է սկզբնականի 1,4-ապատիկին, իսկ արտադրության տևողությունը 80ºC ջերմաստիճանում զգալիորեն կրճատվել է՝ 24 h-ից մինչև 1,5 h՝ գործընթացի հետագա օպտիմալացման հնարավորությամբ։ Ուլտրաձայնով մշակված կենսազանգվածը սնկերի համար շատ ավելի հեշտ է փոխակերպել, ինչի շնորհիվ ֆերմենտային ակտիվության կայունությունը պահպանվում է ավելի երկար, իսկ CMCase, b-գլյուկոզիդազ և քսիլանազ ֆերմենտների ակտիվությունն աճում է՝ համեմատած ուլտրաձայնով չմշակված բրնձի կեղևի հետ։ Խմորման վերջնական արգասիքներն էին քսիլոտետրաոզը, քսիլոհեքսաոզը և ավելի բարձր մոլեկուլային զանգվածով քսիլոօլիգոսախարիդները։ Ուլտրաձայնով մշակված բրնձի կեղևից քսիլոհեքսաոզի ելքը 80% ավելի բարձր էր։
Խմորումից առաջ ուլտրաձայնային մշակումը մեծացնում է հասանելի խմորվող սննդանյութերի քանակը
Ուլտրաձայնի օժանդակությամբ խմորում – մանրէների խթանում
- Խառնում և հոմոգենացում. Ուլտրաձայնային մշակումը կարող է օգտագործվել որպես խառնման մեթոդ խմորման ընթացքում։ Ուլտրաձայնային ալիքների կիրառումն օգնում է ստեղծել միկրոհոսքեր և նպաստում է համասեռությանը՝ ապահովելով սննդանյութերի, գազերի և միկրոօրգանիզմների հավասարաչափ բաշխումը խմորման անոթում։
- Զանգվածափոխանակության ուժեղացում. Խմորման ընթացքում ուլտրաձայնի միջոցով զանգվածափոխանակության արագությունների բարձրացումը կապված է խառնման և հոմոգենացման բարելավման հետ։ Ուլտրաձայնային տատանումներն ու կավիտացիան առաջացնում են տեղային տուրբուլենտություն և ուժեղացնում սուբստրատների, գազերի ու սննդանյութերի դիֆուզիան դեպի խմորման հեղուկ միջավայր։ Սա կարող է բարելավել խմորման գործընթացի ընդհանուր արդյունավետությունն ու արտադրողականությունը։
- Բջիջների կենսունակության և նյութափոխանակային ակտիվության բարելավում. Ուլտրաձայնային մշակումը կարող է կիրառվել մանրէային կուլտուրաների նկատմամբ խմորման ընթացքում՝ բջիջների կենսունակությունն ու նյութափոխանակային ակտիվությունը բարձրացնելու համար։ Մեղմ ուլտրաձայնային մշակումը կարող է խթանել որոշ միկրոօրգանիզմների՝ նպաստելով աճին, կենսազանգվածի արտադրությանը և ցանկալի մետաբոլիտների կամ խմորման արգասիքների սինթեզին։
Ճշգրիտ վերահսկելի և կրկնելի ուլտրաձայնային մշակումն օգնում է բարելավել խմորման տարբեր գործընթացների արտադրողականությունը՝ առանց բջիջները վնասելու։ Ուլտրաձայնային մշակման ինտենսիվությունը կարող է ճշգրտորեն հարմարեցվել բջիջների կոնկրետ տեսակին և դրա պահանջներին։ Վերահսկվող ուլտրաձայնային մշակումը դրականորեն է ազդում բջիջների աճի և նյութափոխանակության վրա, իսկ կենդանի բջիջներով կատալիզվող փոխակերպումները զգալիորեն բարելավվում են, օրինակ՝ կաթում բիֆիդոբակտերիաների խթանման միջոցով։
Սնկերի մասնակցությամբ ընթացող խմորման որոշ գործընթացներում ուլտրաձայնային մշակումը հաջողությամբ օգտագործվում է աճի մորֆոլոգիան և խմորման հեղուկ միջավայրի ռեոլոգիան փոփոխելու համար՝ առանց ազդելու թելավոր սնկերի աճի արագության և ելքի վրա։
Խմորումից հետո ուլտրաձայնային մշակում
- Բջիջների հավաքում և տարանջատում. Ուլտրաձայնային մշակումը կարող է նպաստել խմորումից հետո բջիջների հավաքմանն ու տարանջատմանը։ Այն կարող է օգնել քայքայել բջջային ագրեգատները, ֆլոկուլանտները կամ կենսաթաղանթները՝ հեշտացնելով բջիջների ազատումը խմորման հեղուկ միջավայրից։ Սա պարզեցնում է հետագա մշակման գործընթացները, օրինակ՝ բջիջների կորզումը կամ արտադրանքի մաքրումը։
- Ներբջջային արգասիքների էքստրակցիա. Խմորումից հետո ուլտրաձայնային մշակումը կարող է օգտագործվել մանրէային կամ բջջային կենսազանգվածից ներբջջային արգասիքներ, օրինակ՝ ֆերմենտներ, սպիտակուցներ կամ երկրորդային մետաբոլիտներ, էքստրակցելու համար։ Էքստրակցիայի այս գործընթացն օգնում է կորզել արժեքավոր միացությունները և բարելավում է խմորման գործընթացի ընդհանուր ելքը։
- Բջիջների քայքայում վերլուծական նպատակներով. Ուլտրաձայնային մշակումը կարող է կիրառվել խմորումից հետո բջիջները կամ մանրէային նմուշները քայքայելու համար՝ մասնավորապես վերլուծական նպատակներով։ Այն նպաստում է բջիջների լիզիսին և ներբջջային պարունակության ազատմանը՝ հեշտացնելով բջջային բաղադրիչների վերլուծությունը կամ հետագա փորձարկումների իրականացումը։
Ներբջջային բաղադրիչների, օրինակ՝ մանրէային ֆերմենտների (օր.՝ կատալազ, ամիլազ, պրոտեազ, պեկտինազ, գլյուկոզի իզոմերազ, ցելյուլազ, հեմիցելյուլազ, լիպազ, լակտազ, ստրեպտոկինազ) և ռեկոմբինանտ սպիտակուցների (օր.՝ ինսուլին, հեպատիտ B-ի դեմ պատվաստանյութ, ինտերֆերոն, գրանուլոցիտների գաղութախթանիչ գործոն, ստրեպտոկինազ) արտադրության համար խմորման գործընթացից հետո բջիջները պետք է ենթարկվեն լիզիսի / քայքայման՝ ցանկալի սպիտակուցներն ազատելու նպատակով։ Ուլտրաձայնային մշակումը հեշտացնում է ներբջջային և արտաբջջային պոլիսախարիդ–սպիտակուցային համալիրների արդյունահանումը միցելիալ խմորման մածուցիկ արգանակից։ Բացի արդյունահանման իր գերազանց ելքից և արդյունավետությունից, ուլտրաձայնային մշակումը բջիջների լիզիսի և ներբջջային նյութերի արդյունահանման համար լավ հաստատված և հուսալի մեթոդ է։
Սեղմեք այստեղ՝ ուլտրաձայնային լիզիսի և արդյունահանման մասին ավելին կարդալու համար։
Ուլտրաձայնային բիոռեակտորներ՝ խմորման գործընթացների բարելավման համար
Hielscher Ultrasonics ընկերությունը երկարամյա փորձ ունի ուլտրաձայնով խթանվող կենսագործընթացների ոլորտում, ինչպիսիք են բջիջների խթանումը, խմորումը, բջիջների քայքայումը և արդյունահանումը։ Մենք առաջարկում ենք տարբեր չափերի և երկրաչափական ձևերի ստանդարտ ուլտրաձայնային ռեակտորներ՝ պարբերական և հոսքային ռեժիմներով ուլտրաձայնային մշակման համար։ Որպես այլընտրանք՝ առաջարկում ենք անհատականացված լուծումներ՝ ձեր առկա բիոռեակտորում ինտեգրման համար։ Քանի որ մեր ուլտրաձայնային մշակիչները շատ բազմակիրառելի են և միայն փոքր տարածք են պահանջում, դրանք առկա կենսատեխնոլոգիական կայանքներում լրացուցիչ տեղադրելը հնարավոր է իրականացնել առանց խնդիրների։
Ուլտրաձայնային ռեակտորների տեսակների, կառուցվածքների և կիրառությունների մասին ավելին կարդացեք այստեղ։
Ստորև բերված աղյուսակում ներկայացված են սարքերի ընտրության ընդհանուր առաջարկություններ՝ կախված մշակվող խմբաքանակի ծավալից կամ հոսքի ծավալային արագությունից։ Յուրաքանչյուր սարքի մասին լրացուցիչ տեղեկություններ ստանալու համար սեղմեք սարքի տեսակի վրա։
| Խմբաքանակի ծավալ | Հոսքի ծավալային արագություն | Առաջարկվող սարքեր |
|---|---|---|
| 0,5–1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP1000hdT, UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | ավելի մեծ | սարքերի համախումբ՝ UIP16000 |
UIP1000hdT ուլտրաձայնային մշակիչ՝ հոսքային բջջով՝ խմորման գործընթացների ուլտրաձայնային ինտենսիվացման համար
Գրականություն/Հղումներ
- 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.
Բարձր հզորության ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ լաբորատոր մասշտաբից մինչև փորձնական և արդյունաբերական մասշտաբ։