Bioreaktor Ultrasonik untuk Fermentasi

Ultrasonik adalah cara yang efektif untuk merangsang mikroorganisme dengan getaran mekanis dan kavitasi. Dalam sonobioreaktor / fermentor ultrasonik, perawatan ultrasonik sel dan jaringan menjadi sangat dapat dikendalikan karena faktor lingkungan dapat ditentukan dengan tepat. Dengan bioreaktor ultrasonik, output fermentasi dapat ditingkatkan secara signifikan.

Fermentasi

Efisiensi fermentasi tergantung pada kondisi proses: Nutrisi, kepadatan medium, suhu, kandungan oksigen / gas dan tekanan merupakan faktor penting yang mempengaruhi aktivitas mikroba. Mikroorganisme serta sel mamalia tumbuh subur hanya dalam kondisi tertentu. Kondisi yang tepat dikombinasikan dengan stimulasi ultrasonik dapat memaksimalkan hasil fermentasi.

Ultrasonik Stimulasi untuk Mikroorganisme

Fermentasi adalah proses metabolisme yang mengubah gula menjadi asam, gas atau alkohol. Itu terjadi pada regi dan bakteri dan juga sel otot yang kekurangan oksigen, seperti dalam kasus fermentasi asam laktat. Fermentasi juga digunakan secara lebih luas untuk mengacu pada pertumbuhan massal mikroorganisme pada medium pertumbuhan, seringal dengan tujuan memproduksi kimia tertentu.
Proses fermentasi dilakukan pada skala industri dengan menggunakan mikroorganisme seperti bakteri dan jamur untuk fermentsi. Produk fermentasi digunakan dalam makanan dan industri yang mum. Bahan kimia, seperti asam asetat, asam sitrat , dan etanol diproduksi dengan fermentasi. Tingkat fermentasi dipengaruhi oleh konsentrasi mikroorganisme, sel, komponen seluler dan enzim serta suhu dan pH. Untuk fermentasi aerobik, secara komersialm seperti lipase, investase dan rennet, dibuat dengan menggunakan fermentasi mikroba hasil rekayasa genetika.

• Produksi biomassa (bahan seluler yang layak)
• Produksi metabolit ekstraseluler (senyawa kimia)
• Produksi komponen intraseluler (enzim dan protein lain)
• Transformasi substrat (di mana substrat berubah itu sendiri adalah produk)

Sonication Sebelum, Selama dan Sesudah Proses Fermentasi

Sonikasi, penerapan gelombang ultrasound frekuensi rendah, dapat digunakan sebelum, selama, dan setelah fermentasi dengan berbagai cara dan pada berbagai tahap proses fermentasi.

Perawatan Pra-Fermentasi Ultrasonik – Peningkatan Ketersediaan Biomassa

1. Transfer Massa yang Ditingkatkan: Sonikasi sebagai pra-perlakuan digunakan untuk mempromosikan transfer massa dan membuat substrat lebih tersedia untuk mikroba. Pencampuran ultrasonik mempromosikan perpindahan massa substrat ke, dan produk menjauh dari, sel mikroba. Intensifikasi ultrasonik transfer massa dapat diterapkan sebagai pra-perawatan serta selama fermentasi.
2. Gangguan Sel: Sonikasi dapat digunakan untuk mengganggu dinding dan membran sel, terutama dalam kultur mikroba atau ragi. Ini membantu melepaskan komponen intraseluler, seperti enzim atau metabolit, yang dapat meningkatkan kinerja fermentasi atau memfasilitasi proses hilir.
3. Ekstraksi Senyawa Intraseluler: Sonikasi dapat membantu dalam ekstraksi senyawa intraseluler dari bahan biologis sebelum fermentasi. Ini termasuk mengekstraksi enzim, protein, asam nukleat, atau senyawa target lainnya dari sel, jaringan, atau bahan tanaman untuk digunakan selanjutnya dalam proses fermentasi.

Misalnya, pretreatment ultrasonik sekam padi digunakan untuk meningkatkan hidrolisis enzimatik untuk produksi xylooligosaccharides oleh Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Dengan sonikasi, produksi enzim selulolitik dan xylanolytic dari sekam padi ditingkatkan secara signifikan. Hasil hemiselulosa meningkat menjadi 1,4 kali lipat di bawah sonikasi dan waktu produksi sangat dipersingkat dari 24 jam menjadi 1,5 jam pada 80ºC – dengan potensi pengoptimalan proses lebih lanjut. Biomassa setelah sonikasi jauh lebih mudah dikonversi untuk jamur sehingga stabilitas aktivitas enzim diperpanjang dan aktivitas CMCase, b-glukosidase, dan xilanase meningkat dibandingkan dengan rice hull non-sonikasi. Produk fermentatif terakhir adalah xylotetraose, xylohexaose, dan xylooligosaccharides dengan berat molekul lebih tinggi. Hasil xyloheksaosa dari rice hull tiruan 80% lebih tinggi.

Fermentasi Berbantuan Ultrasonik – Stimulasi Mikroba

• Pencampuran dan Homogenisasi: Sonikasi dapat digunakan sebagai teknik pencampuran selama fermentasi. Penerapan gelombang ultrasound membantu menciptakan microstreaming dan meningkatkan homogenitas, memastikan distribusi nutrisi, gas, dan mikroorganisme yang seragam di dalam bejana fermentasi.
• Peningkatan Transfer Massa: Terkait dengan pencampuran dan homogenisasi yang lebih baik adalah laju perpindahan massa yang ditingkatkan secara ultrasonik selama fermentasi. Osilasi dan kavitasi ultrasonik menciptakan turbulensi lokal dan meningkatkan difusi substrat, gas, dan nutrisi ke dalam kaldu fermentasi. Hal ini dapat meningkatkan efisiensi dan produktivitas proses fermentasi secara keseluruhan.
• Meningkatkan Viabilitas Sel dan Aktivitas Metabolik: Sonikasi dapat diterapkan pada kultur mikroba selama fermentasi untuk meningkatkan viabilitas sel dan aktivitas metabolisme. Sonikasi ringan dapat merangsang mikroorganisme tertentu, mendorong pertumbuhan, produksi biomassa, dan sintesis metabolit atau produk fermentasi yang diinginkan.

Pengontrolan yang tepat dan sonikasi yang dapat diulang membantu meningkatkan produktivitas berbagai proses fermentasi tanpa merusak sel. Intensitas sonikasi dapat disesuaikan untuk jenis sel tertentu dan kebutuhannya. Dengan mengkontrol sonikasi pertumbuhan sel dan metabolisme dipengaruhi secara positif dan konversi dikatalisis oleh sel hidup meningkat secara signifikan, misalnya merangsang Bifidobacteria dalam susu.
Untuk beberapa proses fermentasi berbasis jamur, sonikasi berhasil digunakan untuk memodifikasi morfologi pertumbuhan dan reologi broth tanpa mempengaruhi laju pertumbuhan dan hasil filamentous jamur.

Perawatan Pasca-Fermentasi Ultrasonik

• Pemanenan dan Pemisahan Sel: Sonikasi dapat membantu dalam pemanenan dan pemisahan sel setelah fermentasi. Ini dapat membantu memecahkan agregat sel, flokulan, atau biofilm, memfasilitasi pelepasan sel dari kaldu fermentasi. Ini menyederhanakan proses hilir berikutnya, seperti pemulihan sel atau pemurnian produk.
• Ekstraksi Produk Intraseluler: Setelah fermentasi, sonikasi dapat digunakan untuk mengekstrak produk intraseluler, seperti enzim, protein, atau metabolit sekunder, dari mikroba atau biomassa seluler. Proses ekstraksi ini membantu memulihkan senyawa berharga dan meningkatkan hasil keseluruhan dari proses fermentasi.
• Disintegrasi Sel untuk Tujuan Analitik: Sonikasi dapat diterapkan untuk mengganggu sel atau sampel mikroba setelah fermentasi, terutama untuk tujuan analisis. Ini membantu dalam lisis sel dan pelepasan isi intraseluler, memfasilitasi analisis komponen seluler atau melakukan pengujian hilir.

Until produksi intraseluler kompenen seperti enzim mikroba (misalnya catalase, amylase, protease, pectinase, glucose isomerase, cellulase, hemicellulase, lipase, lactase, streptokinase) dan recombinant proteins (misalnya insulin, hepatitis B vaccine, interferon, granulocyte colony-stimulating factor, streptokinase), see harms di lysed / disrupted setelah proses fermentasi untuk melepaskan protein yang diinginkan. Dengan sonikasi, ekstraksi dari intraseluler dan ekstraseluler polysaccharide–protein complex dari viscous mycelial fermentation broth difasilitasi. Selain hasil ekstraksi dan efisiensinya yang luar biasa, sonikasi yang japan dan dapat diandalkan untuk lisis sel dan ekstraksi bahan intraseluler.
Klik disini untuk membaca lebih lanjut tentang lisis dan ekstraksi ultrasonik!

Bioreaktor Ultrasonik untuk Proses Fermentasi yang Lebih Baik

Hielscher Ultrasonics telah lama berpengalaman dengan bio-proses yang dirangsang secara ultrasonik seperti stimulasi sel, fermentasi, gangguan sel dan ekstraksi. Kami menawarkan berbagai reaktor ultrasonik standar dengan ukuran dan geometri yang berbeda untuk sonikasi dalam mode batch dan flow-through. Atau, kami menawarkan solusi khusus untuk integrasi ke bioreaktor Anda yang ada. Karena prosesor ultrasonik kami sangat serbaguna dan hanya membutuhkan ruang kecil, retrofit ke dalam pabrik bioteknologi yang ada dapat diwujudkan tanpa masalah.
Baca lebih lanjut tentang jenis, desain, dan aplikasi reaktor ultrasonik di sini!
Tabel di bawah ini, menunjukkan rekomendasi umum perangkat tergantung pada tingkat volume atau aliran batch untuk diproses. Klik pada jenis perangkat untuk mendapatkan informasi lebih lanjut tentang masing-masing perangkat.

Literatur / Referensi