Bioreaktor Ultrasonik untuk Fermentasi

Ultrasonik merupakan sarana yang efektif untuk menstimulasi mikroorganisme melalui getaran mekanis dan kavitasi. Dalam sonobioreaktor / fermentor ultrasonik, perlakuan ultrasonik terhadap sel dan jaringan dapat dikendalikan dengan sangat baik karena faktor lingkungan dapat ditentukan secara tepat. Dengan bioreaktor ultrasonik, hasil fermentasi dapat ditingkatkan secara signifikan.

Fermentasi

Efisiensi fermentasi bergantung pada kondisi proses: Nutrien, densitas medium, suhu, kandungan oksigen / gas, dan tekanan merupakan faktor penting yang memengaruhi aktivitas mikroba. Mikroorganisme maupun sel mamalia hanya tumbuh dengan baik dalam kondisi tertentu. Kondisi yang tepat dipadukan dengan stimulasi ultrasonik dapat memaksimalkan hasil fermentasi.

Stimulasi Ultrasonik pada Mikroorganisme

Fermentasi adalah proses metabolisme yang mengubah gula menjadi asam, gas, atau alkohol. Proses ini terjadi pada khamir dan bakteri, serta pada sel otot yang kekurangan oksigen, seperti pada fermentasi asam laktat. Istilah fermentasi juga digunakan secara lebih luas untuk merujuk pada pertumbuhan mikroorganisme secara massal pada medium pertumbuhan, sering kali dengan tujuan menghasilkan produk kimia tertentu.
Proses fermentasi dilakukan pada skala industri menggunakan mikroorganisme seperti bakteri dan fungi. Produk fermentasi digunakan dalam industri pangan dan industri umum. Bahan kimia seperti asam asetat, asam sitrat, dan etanol diproduksi melalui fermentasi. Laju fermentasi dipengaruhi oleh konsentrasi mikroorganisme, sel, komponen seluler, dan enzim, serta suhu dan pH. Untuk fermentasi aerobik, oksigen juga merupakan faktor utama. Hampir semua enzim yang diproduksi secara komersial, seperti lipase, invertase, dan renet, dibuat melalui fermentasi dengan mikroba yang dimodifikasi secara genetik.

• Produksi biomassa (bahan seluler yang viabel)
• Produksi metabolit ekstraseluler (senyawa kimia)
• Produksi komponen intraseluler (enzim dan protein lainnya)
• Transformasi substrat (substrat yang telah ditransformasi itu sendiri merupakan produknya)

Sonikasi Sebelum, Selama, dan Setelah Fermentasi

Sonikasi, yaitu penerapan gelombang ultrasonik berfrekuensi rendah, dapat digunakan sebelum, selama, dan setelah fermentasi dengan berbagai cara dan pada berbagai tahap proses fermentasi.

Perlakuan Ultrasonik Prafermentasi – Peningkatan Ketersediaan Biomassa

1. Peningkatan Perpindahan Massa: Sonikasi sebagai praperlakuan digunakan untuk meningkatkan perpindahan massa dan membuat substrat lebih tersedia bagi mikroba. Pencampuran ultrasonik meningkatkan perpindahan massa substrat menuju sel mikroba dan produk menjauhi sel mikroba. Intensifikasi perpindahan massa secara ultrasonik dapat diterapkan sebagai praperlakuan maupun selama fermentasi.
2. Disrupsi Sel: Sonikasi dapat digunakan untuk mendisrupsi dinding dan membran sel, khususnya dalam kultur mikroba atau khamir. Hal ini membantu melepaskan komponen intraseluler, seperti enzim atau metabolit, yang dapat meningkatkan kinerja fermentasi atau mempermudah proses hilir.
3. Ekstraksi Senyawa Intraseluler: Sonikasi dapat membantu ekstraksi senyawa intraseluler dari bahan biologis sebelum fermentasi. Ini mencakup ekstraksi enzim, protein, asam nukleat, atau senyawa target lainnya dari sel, jaringan, atau bahan tumbuhan untuk selanjutnya digunakan dalam proses fermentasi.

Sebagai contoh, praperlakuan ultrasonik pada sekam padi digunakan untuk meningkatkan hidrolisis enzimatik dalam produksi xilooligosakarida oleh Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Melalui sonikasi, produksi enzim selulolitik dan xilanolitik dari sekam padi meningkat secara signifikan. Rendemen hemiselulosa meningkat menjadi 1,4 kali lipat dengan sonikasi dan waktu produksi dipersingkat secara drastis dari 24 h menjadi 1,5 h pada 80ºC – dengan potensi optimasi proses lebih lanjut. Biomassa yang disonikasi jauh lebih mudah dikonversi oleh fungi sehingga kestabilan aktivitas enzim bertahan lebih lama dan aktivitas CMCase, b-glukosidase, serta xilanase meningkat dibandingkan dengan sekam padi yang tidak disonikasi. Produk akhir fermentasi adalah xilotetraosa, xiloheksaosa, dan xilooligosakarida dengan bobot molekul lebih tinggi. Rendemen xiloheksaosa dari sekam padi yang disonikasi lebih tinggi sebesar 80%.

Fermentasi Berbantuan Ultrasonik – Stimulasi Mikroba

• Pencampuran dan Homogenisasi: Sonikasi dapat digunakan sebagai teknik pencampuran selama fermentasi. Penerapan gelombang ultrasonik membantu menciptakan aliran mikro dan meningkatkan homogenitas, sehingga memastikan distribusi nutrien, gas, dan mikroorganisme yang merata di dalam bejana fermentasi.
• Peningkatan Perpindahan Massa: Peningkatan pencampuran dan homogenisasi berkaitan dengan peningkatan laju perpindahan massa secara ultrasonik selama fermentasi. Osilasi ultrasonik dan kavitasi menciptakan turbulensi lokal dan meningkatkan difusi substrat, gas, dan nutrien ke dalam cairan fermentasi. Hal ini dapat meningkatkan efisiensi dan produktivitas proses fermentasi secara keseluruhan.
• Peningkatan Viabilitas Sel dan Aktivitas Metabolisme: Sonikasi dapat diterapkan pada kultur mikroba selama fermentasi untuk meningkatkan viabilitas sel dan aktivitas metabolisme. Sonikasi ringan dapat menstimulasi mikroorganisme tertentu, meningkatkan pertumbuhan, produksi biomassa, serta sintesis metabolit atau produk fermentasi yang diinginkan.

Sonikasi yang dapat dikendalikan secara presisi dan diulang secara konsisten membantu meningkatkan produktivitas berbagai proses fermentasi tanpa merusak sel. Intensitas sonikasi dapat disesuaikan secara tepat dengan spesies sel tertentu dan kebutuhannya. Melalui sonikasi terkendali, pertumbuhan dan metabolisme sel dipengaruhi secara positif dan konversi yang dikatalisis oleh sel hidup meningkat secara signifikan, misalnya dengan menstimulasi Bifidobacteria dalam susu.
Untuk beberapa proses fermentasi yang digerakkan oleh fungi, sonikasi berhasil digunakan untuk memodifikasi morfologi pertumbuhan dan reologi cairan fermentasi tanpa memengaruhi laju pertumbuhan dan hasil fungi berfilamen.

Perlakuan Ultrasonik Pascafermentasi

• Pemanenan dan Pemisahan Sel: Sonikasi dapat membantu pemanenan dan pemisahan sel setelah fermentasi. Sonikasi dapat membantu memecah agregat sel, flokulan, atau biofilm, sehingga mempermudah pelepasan sel dari cairan fermentasi. Hal ini menyederhanakan proses hilir berikutnya, seperti perolehan kembali sel atau pemurnian produk.
• Ekstraksi Produk Intraseluler: Setelah fermentasi, sonikasi dapat digunakan untuk mengekstraksi produk intraseluler, seperti enzim, protein, atau metabolit sekunder, dari biomassa mikroba atau seluler. Proses ekstraksi ini membantu memperoleh kembali senyawa berharga dan meningkatkan hasil proses fermentasi secara keseluruhan.
• Disintegrasi Sel untuk Keperluan Analisis: Sonikasi dapat diterapkan untuk mendisrupsi sel atau sampel mikroba setelah fermentasi, khususnya untuk keperluan analisis. Sonikasi membantu lisis sel dan pelepasan isi intraseluler, sehingga mempermudah analisis komponen seluler atau pelaksanaan uji hilir.

Untuk produksi komponen intraseluler seperti enzim mikroba (misalnya katalase, amilase, protease, pektinase, glukosa isomerase, selulase, hemiselulase, lipase, laktase, streptokinase) dan protein rekombinan (misalnya insulin, vaksin hepatitis B, interferon, faktor perangsang koloni granulosit, streptokinase), sel harus dilisis / didisrupsi setelah proses fermentasi untuk melepaskan protein yang diinginkan. Melalui sonikasi, ekstraksi kompleks polisakarida–protein intraseluler dan ekstraseluler dari cairan fermentasi miselium yang kental menjadi lebih mudah. Selain rendemen dan efisiensi ekstraksinya yang luar biasa, sonikasi merupakan metode yang sudah mapan dan andal untuk lisis sel serta ekstraksi materi intraseluler.
Klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang lisis dan ekstraksi ultrasonik!

Bioreaktor Ultrasonik untuk Peningkatan Proses Fermentasi

Hielscher Ultrasonics memiliki pengalaman panjang dalam bioproses yang distimulasi secara ultrasonik, seperti stimulasi sel, fermentasi, disrupsi sel, dan ekstraksi. Kami menawarkan berbagai reaktor ultrasonik standar dengan beragam ukuran dan geometri untuk sonikasi dalam mode batch dan aliran kontinu. Sebagai alternatif, kami menawarkan solusi khusus untuk integrasi ke dalam bioreaktor Anda yang sudah ada. Karena prosesor ultrasonik kami sangat serbaguna dan hanya memerlukan sedikit ruang, pemasangan pada fasilitas bioteknologi yang sudah ada dapat dilakukan tanpa masalah.
Baca lebih lanjut tentang jenis, desain, dan aplikasi reaktor ultrasonik di sini!
Tabel di bawah ini menunjukkan rekomendasi umum perangkat berdasarkan volume batch atau laju alir yang akan diproses. Klik jenis perangkat untuk mendapatkan informasi lebih lanjut tentang setiap perangkat.

Literatur/Referensi

• 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.