Tecnologia ad ultrasuoni Hielscher

Produzione biosintetica di oligosaccaridi del latte umano

La biosintesi degli oligosaccaridi del latte umano (HMO) attraverso la fermentazione o reazioni enzimatiche è un processo complesso, consumoso e spesso a basso rendimento. L'ecografia aumenta il trasferimento di massa tra il substrato e le fabbriche di cellule e stimola la crescita delle cellule e il metabolismo. In questo modo, la sonicazione intensifica la fermentazione e i processi biochimici con conseguente produzione accelerata e più efficiente di HMO.

Oligosaccaridi del latte umano

Gli oligosaccaridi del latte umano (HMO), noti anche come glicani del latte umano, sono molecole di zucchero, che fanno parte del gruppo degli oligosaccaridi. Esempi eminenti di HMO includono 2'-fucosilattosio (2′-FL), latto-nneotetraosio (LNnT), 3'-galattosilattosio (3′-GL), e difucosilattosio (DFL).
Mentre il latte materno umano è composto da più di 150 strutture HMO diverse, solo 2′-fucosilattosio (2′-FL) e latto-N-neotetraosio (LNnT) sono attualmente prodotti a livello commerciale e utilizzati come additivi nutrizionali nel latte materno.
Gli oligosaccaridi del latte umano (HMO) sono noti per la loro importanza nell'alimentazione dei bambini. Oligosaccaridi del latte umano sono un tipo unico di sostanze nutritive, che agiscono come prebiotici, antiadesivi antimicrobici, e immunomodulatori all'interno dell'intestino del bambino e contribuire in modo sostanziale allo sviluppo del cervello. Gli HMO si trovano esclusivamente nel latte materno umano; altri mammiferi (ad esempio, mucche, capre, pecore, cammelli, ecc.) non hanno questa forma specifica di oligosaccaridi.
Gli oligosaccaridi del latte umano sono il terzo componente solido più abbondante nel latte umano, che può essere presente sia in forma disciolta che emulsionata o sospesa in acqua. Il lattosio e gli acidi grassi sono i solidi più abbondanti che si trovano nel latte umano. HMO sono presenti in una concentrazione di 0,35-0,88 once (9,9-24,9 g)/L. Sono noti circa 200 oligosaccaridi strutturalmente diversi del latte umano. L'oligosaccaride dominante nell'80% delle donne è il 2′-fucosilattosio, presente nel latte materno umano ad una concentrazione di circa 2,5 g/ L.
Poiché le HMO non vengono digerite, non contribuiscono caloricamente alla nutrizione. Essendo carboidrati indigeribili, funzionano come prebiotici e sono selettivamente fermentati dalla microflora intestinale desiderabile, in particolare i bifidobatteri.

Benefici per la salute degli oligosaccaridi del latte umano (HMO)

  • promuovere lo sviluppo dei neonati
  • sono importanti per lo sviluppo del cervello
  • ha un effetto antinfiammatorio e
  • effetti antiadesivi nel tratto gastrointestinale
  • supporta il sistema immunitario negli adulti
Ultrasonication and the use of ultrasonic bioreactors (sono-bioreactors) are highly effective to promote mass transfer between substrate and living cells used as cell factories

Gli Processore ad ultrasuoni UIP2000hdT aumenta il trasferimento di massa e attiva le fabbriche di cellule per una maggiore resa di molecole biosintetizzate come gli HMO

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Biosintesi degli oligosaccaridi del latte umano

Le fabbriche di cellule e i sistemi enzimatici / chemio-enzimatici sono le attuali tecnologie utilizzate per la sintesi di HMO. Per la produzione di HMO su scala industriale, la fermentazione delle fabbriche di cellule microbiche, la sintesi biochimica, e diverse reazioni enzimatiche sono modi fattibili di bioproduzione HMO. Per motivi economici, la bio-sintesi attraverso le fabbriche di cellule microbiche è attualmente l'unica tecnica utilizzata a livello di produzione industriale di HMO.

Fermentazione di HMO utilizzando fabbriche a celle microbiche

E.coli, Saccharomyces cerevisiae e Lactococcus lactis sono fabbriche di cellule comunemente usate per la bioproduzione di molecole biologiche come HMO. La fermentazione è un processo biochimico che utilizza microrganismi per convertire un substrato in molecole biologiche mirate. Le fabbriche di cellule microbiche utilizzano zuccheri semplici come substrato, che convertono in HMO. Poiché gli zuccheri semplici (ad esempio il lattosio) sono un substrato abbondante ed economico, questo mantiene il processo di bio-sintesi efficiente in termini di costi.
La crescita e il tasso di bioconversione sono influenzati principalmente dal trasferimento di massa dei nutrienti (substrato) ai microrganismi. Il tasso di trasferimento di massa è un fattore principale che influenza la sintesi del prodotto durante la fermentazione. L'ecografia è ben nota per promuovere il trasferimento di massa.
Durante la fermentazione, le condizioni nel bioreattore devono essere costantemente monitorate e regolate in modo che le cellule possano crescere il più rapidamente possibile per poi produrre le biomolecole mirate (ad esempio oligosaccaridi come HMO; insulina; proteine ricombinanti). Teoricamente, la formazione del prodotto inizia non appena la coltura cellulare inizia a crescere. Tuttavia, soprattutto nelle cellule geneticamente modificate, come i microrganismi ingegnerizzati, è di solito indotta in seguito con l'aggiunta di una sostanza chimica al substrato, che upregola l'espressione della biomolecola bersaglio. I bioreattori ad ultrasuoni (sono-bioreattore) possono essere controllati con precisione e consentono la stimolazione specifica dei microbi. Questo si traduce in una biosintesi accelerata e rendimenti più elevati.
Lisi ad ultrasuoni ed estrazione: La fermentazione di HMO complessi potrebbe essere limitata da titoli di fermentazione bassi e prodotti che rimangono intracellulari. La lisi e l'estrazione a ultrasuoni viene utilizzata per rilasciare materiale intracellulare prima della purificazione e dei processi a valle.

Fermentazione ultrasonica promossa

Il tasso di crescita di microbi come Escherichia coli, E.coli, Saccharomyces cerevisiae e Lactococcus lactis può essere accelerato aumentando la velocità di trasferimento di massa e la permeabilità della parete cellulare applicando l'ultrasonicazione controllata a bassa frequenza. Come una lieve tecnica di elaborazione non termica, l'ultrasonicazione applica forze puramente meccaniche nel brodo di fermentazione.
Cavitazione acustica: Il principio di funzionamento della sonicazione si basa sulla cavitazione acustica. La sonda ad ultrasuoni (sonotrodo) accoppia le onde ultrasoniche d a bassa frequenza nel mezzo. Le onde ultrasoniche viaggiano attraverso il liquido creando cicli alternati di alta pressione (compressione) / bassa pressione (rarefazione). Comprimendo e allungando il liquido in cicli alternati, si formano minuscole bolle di vuoto. Queste piccole bolle di vuoto crescono per diversi cicli fino a raggiungere una dimensione tale da non poter assorbire ulteriore energia. A questo punto di massima crescita, la bolla di vuoto implode violentemente e genera localmente condizioni estreme, note come fenomeno di cavitazione. Nel "punto caldo" cavitazionale si possono osservare elevati differenziali di pressione e temperatura e intense forze di taglio con getti di liquido fino a 280m/sec. Con questi effetti cavitazionali si ottiene un trasferimento di massa e una sonoporazione completa (la perforazione delle pareti cellulari e delle membrane cellulari). I nutrienti del substrato vengono fatti galleggiare verso e dentro le cellule intere viventi, in modo che le fabbriche di cellule siano alimentate in modo ottimale e la crescita e i tassi di conversione siano accelerati. I bioreattori ad ultrasuoni sono una strategia semplice, ma altamente efficace per elaborare la biomassa in un processo di biosintesi in un unico punto.
È noto che una sonicazione delicata e controllata con precisione è in grado di intensificare i processi di fermentazione.
La sonicazione migliora "la produttività di molti bioprocessi che coinvolgono cellule vive attraverso il miglioramento dell'assorbimento del substrato, l'aumento della produzione o della crescita attraverso l'aumento della porosità delle cellule e il potenziale rilascio di componenti cellulari". (Naveena et al. 2015)
Per saperne di più sulla fermentazione assistita da ultrasuoni!
Vantaggi della fermentazione ultrasonica intensificata

  • aumento del rendimento
  • Fermentazione accelerata
  • Stimolazione specifica della cellula
  • Miglioramento dell'assorbimento del substrato
  • Aumento della porosità delle cellule
  • facile da usare
  • Sicuro
  • Retrofit semplice
  • scale-up lineare
  • Elaborazione in serie o in linea
  • ROI veloce

Naveena et al. (2015) hanno scoperto che l'intensificazione ad ultrasuoni offre diversi vantaggi durante il biotrattamento, tra cui bassi costi operativi rispetto ad altre opzioni di trattamento migliorativo, semplicità di funzionamento e modesti requisiti di potenza.

Agitated ultrasonic tank (sono-bioreactor) for batch processing

Serbatoio con ultrasuoni da 8kW e agitatore

Reattori di fermentazione ad ultrasuoni ad alte prestazioni

I processi di fermentazione coinvolgono microrganismi viventi come batteri o lieviti, che funzionano come fabbriche di cellule. Mentre la sonicazione viene applicata per promuovere il trasferimento di massa e aumentare la crescita e il tasso di conversione dei microrganismi, è fondamentale controllare l'intensità degli ultrasuoni in modo preciso per evitare la distruzione delle fabbriche di cellule.
Hielscher Ultrasonics è specializzata nella progettazione, produzione e distribuzione di ultrasuoni ad alte prestazioni, che possono essere controllati e monitorati con precisione per garantire rese di fermentazione superiori.
Controllo preciso dei parametri di processo a ultrasuoni da parte di Hielscher Ultrasonics' software intelligenteIl controllo del processo non solo è essenziale per ottenere rendimenti elevati e una qualità superiore, ma consente anche di ripetere e riprodurre i risultati. Soprattutto quando si tratta della stimolazione delle fabbriche di cellule, l'adattamento specifico delle cellule ai parametri di sonicazione è essenziale per ottenere rendimenti elevati e per prevenire la degradazione delle cellule. Pertanto, tutti i modelli digitali di ultrasuoni Hielscher sono dotati di un software intelligente, che permette di regolare, monitorare e rivedere i parametri di sonicazione. I parametri di processo a ultrasuoni come l'ampiezza, la temperatura, la pressione, la durata della sonicazione, i cicli di lavoro e l'input di energia sono essenziali per promuovere la produzione di HMO attraverso la fermentazione.
Il software intelligente degli ultrasuoni Hielscher registra automaticamente tutti i parametri di processo importanti sulla scheda SD integrata. La registrazione automatica dei dati del processo di sonicazione è la base per la standardizzazione del processo e la riproducibilità/ripetibilità, necessarie per le buone pratiche di produzione (GMP).

Cascatrodo ad ultrasuoni Hielscher Ultrasonics

cascatrodoTM in un reattore a cella a flusso di ultrasuoni

Rettori ad ultrasuoni per la fermentazione

Cascatrodo ad ultrasuoni Hielscher UltrasonicsHielscher offre sonde ad ultrasuoni di varie dimensioni, lunghezza e geometrie, che possono essere utilizzate sia per trattamenti a batch che per trattamenti a flusso continuo. I reattori ad ultrasuoni, noti anche come sono-bioreattori, sono disponibili per qualsiasi volume che copre il biotrattamento ad ultrasuoni da piccoli campioni di laboratorio a livello di produzione pilota e completamente commerciale.
È noto che la posizione del sonotrodo ad ultrasuoni nel recipiente di reazione influenza la distribuzione della cavitazione e la micro-streaming all'interno del mezzo. Il sonotrodo e il reattore a ultrasuoni devono essere scelti in base al volume di elaborazione del brodo cellulare. Mentre la sonicazione può essere eseguita sia in batch che in modalità continua, per elevati volumi di produzione si raccomanda l'uso di un impianto a flusso continuo. Passando attraverso una cella a flusso di ultrasuoni, tutto il mezzo cellulare riceve esattamente la stessa esposizione alla sonicazione garantendo il trattamento più efficace. L'ampia gamma di sonde a ultrasuoni Hielscher Ultrasonics e di reattori a cella a flusso permette di assemblare l'impianto ideale per il biotrattamento a ultrasuoni.

Ultrasuoni Hielscher – Dal laboratorio al pilota alla produzione

Hielscher Ultrasonics copre l'intero spettro delle apparecchiature ad ultrasuoni offrendo omogeneizzatori ad ultrasuoni portatili compatti per la preparazione di campioni da banco e sistemi pilota, nonché potenti unità industriali ad ultrasuoni che lavorano facilmente carichi di camion all'ora. Essendo versatili e flessibili nelle opzioni di installazione e montaggio, gli ultrasuoni Hielscher possono essere facilmente integrati in tutti i tipi di reattori a batch, in batch alimentati o in configurazioni a flusso continuo.
Vari accessori e parti personalizzate consentono l'adattamento ideale della vostra configurazione ad ultrasuoni alle vostre esigenze di processo.
Costruiti per il funzionamento 24/7 a pieno carico e per impieghi gravosi in condizioni difficili, i processori ad ultrasuoni Hielscher sono affidabili e richiedono solo poca manutenzione.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:

Volume di batch Portata Dispositivi raccomandati
1 - 500mL 10 - 200mL/min UP100H
10 - 2000mL 20 - 400mL/min UP200Ht, UP400St
0,1 - 20L 0,2 - 4L/min UIP2000hdT
10 - 100L 2 - 10L/min UIP4000hdT
n.a. 10 - 100L/min UIP16000
n.a. più grande cluster di UIP16000

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Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per la dispersione, l'emulsione e l'estrazione delle cellule.

Omogeneizzatori ad ultrasuoni ad alta potenza di laboratorio a pilota e Industriale scala.

Letteratura / Referenze



Particolarità / Cose da sapere

Biosintesi con l'utilizzo di fabbriche cellulari

Una fabbrica di cellule microbiche è un metodo di bioingegneria che utilizza cellule microbiche come impianto di produzione. Con l'ingegneria genetica dei microbi, il DNA di microrganismi come batteri, lieviti, funghi, cellule di mammiferi o alghe viene modificato trasformando i microbi in fabbriche di cellule. Le fabbriche di cellule sono utilizzate per convertire i substrati in preziose molecole biologiche, che vengono utilizzate ad esempio nella produzione alimentare, farmaceutica, chimica e di carburante. Diverse strategie di biosintesi basata sulle fabbriche di cellule mirano alla produzione di metaboliti nativi, all'espressione di percorsi biosintetici eterologhi o all'espressione di proteine.
Le fabbriche di cellule possono essere utilizzate sia per sintetizzare i metaboliti nativi, sia per esprimere percorsi biosintetici eterologhi, sia per esprimere le proteine.

Biosintesi dei metaboliti nativi

I metaboliti nativi sono definiti come molecole biologiche, che le cellule utilizzate come fabbrica di cellule producono naturalmente. Le fabbriche di cellule producono queste molecole biologiche intracellulari o una sostanza secreta. Quest'ultima è preferibile in quanto facilita la separazione e la purificazione dei composti bersaglio. Esempi di metaboliti nativi sono gli aminoacidi e gli acidi nucleici, gli antibiotici, le vitamine, gli enzimi, i composti bioattivi e le proteine prodotte dalle vie anaboliche delle cellule.

Percorsi Biosintetici Eterologo

Quando si cerca di produrre un composto interessante, una delle decisioni più importanti è la scelta della produzione nell'ospite nativo, e ottimizzare questo ospite, o il trasferimento del percorso ad un altro ospite noto. Se l'ospite originale può essere adattato ad un processo di fermentazione industriale, e non ci sono rischi per la salute nel farlo (ad esempio, la produzione di sottoprodotti tossici), questa può essere una strategia preferenziale (come è stato il caso, ad esempio, per la penicillina). Tuttavia, in molti casi moderni, il potenziale dell'utilizzo di una fabbrica di cellule preferita a livello industriale e dei processi della relativa piattaforma supera la difficoltà di trasferire il percorso.

Espressione delle proteine

L'espressione delle proteine può essere ottenuta per via omologa ed eterologa. Nell'espressione omologa, un gene naturalmente presente in un organismo è sovraespresso. Attraverso questa sovra-espressione, può essere prodotta una maggiore resa di una certa molecola biologica. Per l'espressione eterologa, un gene specifico viene trasferito in una cellula ospite in quanto il gene non è presente naturalmente. Utilizzando l'ingegneria cellulare e la tecnologia del DNA ricombinante, il gene viene inserito nel DNA dell'ospite in modo che la cellula ospite produca (grandi) quantità di una proteina che non produrrebbe naturalmente. L'espressione delle proteine viene fatta in una varietà di ospiti da batteri, ad esempio E. coli e Bacillis subtilis, lieviti, ad esempio, Klyuveromyces lactis, Pichia pastoris, S. cerevisiae, funghi filamentosi, ad esempio come A. niger, e cellule derivate da organismi multicellulari come mammiferi e insetti. Le proteine inumane sono di grande interesse commerciale, anche da enzimi di massa, biofarmaci complessi, diagnostica e reagenti per la ricerca. (cfr. A.M. Davy et al. 2017)