Bioreattori a ultrasuoni per la fermentazione

Gli ultrasuoni sono un mezzo efficace per stimolare i microrganismi mediante vibrazioni meccaniche e cavitazione. In un sonobioreattore / fermentatore a ultrasuoni, il trattamento a ultrasuoni di cellule e tessuti diventa altamente controllabile, poiché i fattori ambientali possono essere determinati con precisione. Con i bioreattori a ultrasuoni, la produzione ottenuta dalla fermentazione può essere significativamente aumentata.

Fermentazione

L’efficienza della fermentazione dipende dalle condizioni di processo: nutrienti, densità del mezzo, temperatura, contenuto di ossigeno / gas e pressione sono fattori importanti che influenzano l’attività microbica. I microrganismi, così come le cellule di mammifero, prosperano solo in determinate condizioni. Le condizioni appropriate, combinate con la stimolazione a ultrasuoni, possono massimizzare la resa della fermentazione.

Stimolazione a ultrasuoni dei microrganismi

La fermentazione è un processo metabolico che converte gli zuccheri in acidi, gas o alcol. Avviene nei lieviti e nei batteri, nonché nelle cellule muscolari in carenza di ossigeno, come nel caso della fermentazione lattica. Il termine fermentazione viene utilizzato anche in senso più ampio per indicare la crescita massiva di microrganismi su un mezzo di coltura, spesso con l’obiettivo di produrre uno specifico prodotto chimico.
I processi di fermentazione vengono condotti su scala industriale utilizzando microrganismi come batteri e funghi. I prodotti fermentati vengono utilizzati nell’industria alimentare e nell’industria in generale. Sostanze chimiche come l’acido acetico, l’acido citrico e l’etanolo vengono prodotte mediante fermentazione. La velocità di fermentazione è influenzata dalla concentrazione di microrganismi, cellule, componenti cellulari ed enzimi, nonché dalla temperatura e dal pH. Per la fermentazione aerobica, anche l’ossigeno è un fattore chiave. Quasi tutti gli enzimi prodotti commercialmente, come lipasi, invertasi e caglio, vengono ottenuti mediante fermentazione con microrganismi geneticamente modificati.

• Produzione di biomassa (materiale cellulare vitale)
• Produzione di metaboliti extracellulari (composti chimici)
• Produzione di componenti intracellulari (enzimi e altre proteine)
• Trasformazione del substrato (in cui il substrato trasformato è esso stesso il prodotto)

Sonicazione prima, durante e dopo la fermentazione

La sonicazione, ossia l’applicazione di onde ultrasoniche a bassa frequenza, può essere utilizzata prima, durante e dopo la fermentazione, in vari modi e in diverse fasi del processo di fermentazione.

Trattamento a ultrasuoni prima della fermentazione – Miglioramento della disponibilità della biomassa

1. Miglioramento del trasferimento di massa: La sonicazione viene utilizzata come pretrattamento per favorire il trasferimento di massa e rendere il substrato più disponibile ai microrganismi. La miscelazione a ultrasuoni favorisce il trasferimento di massa dei substrati verso le cellule microbiche e dei prodotti lontano da esse. L’intensificazione del trasferimento di massa mediante ultrasuoni può essere applicata sia come pretrattamento sia durante la fermentazione.
2. Disgregazione cellulare: La sonicazione può essere impiegata per disgregare le pareti e le membrane cellulari, in particolare nelle colture microbiche o di lieviti. Ciò contribuisce a rilasciare componenti intracellulari, come enzimi o metaboliti, che possono migliorare le prestazioni della fermentazione o facilitare i processi a valle.
3. Estrazione di composti intracellulari: La sonicazione può agevolare l’estrazione di composti intracellulari da materiali biologici prima della fermentazione. Ciò comprende l’estrazione di enzimi, proteine, acidi nucleici o altri composti di interesse da cellule, tessuti o materiali vegetali per il successivo utilizzo nei processi di fermentazione.

Ad esempio, il pretrattamento a ultrasuoni della lolla di riso è stato utilizzato per potenziare l’idrolisi enzimatica finalizzata alla produzione di xilooligosaccaridi da parte di Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Mediante sonicazione, la produzione di enzimi cellulolitici e xilanolitici dalla lolla di riso è stata significativamente aumentata. Con la sonicazione, la resa di emicellulosa è aumentata fino a 1,4 volte il valore iniziale e il tempo di produzione è stato notevolmente ridotto da 24 h a 1,5 h a 80ºC – con ulteriori possibilità di ottimizzazione del processo. La biomassa sottoposta a sonicazione è molto più facilmente convertibile dai funghi, per cui la stabilità dell’attività enzimatica si prolunga e l’attività di CMCase, b-glucosidasi e xilanasi aumenta rispetto alla lolla di riso non sottoposta a sonicazione. I prodotti finali della fermentazione erano xilotetraosio, xiloesaosio e xilooligosaccaridi a peso molecolare più elevato. La resa di xiloesaosio dalla lolla di riso sottoposta a sonicazione era superiore dell’80%.

Fermentazione assistita da ultrasuoni – Stimolazione dei microrganismi

• Miscelazione e omogeneizzazione: La sonicazione può essere utilizzata come tecnica di miscelazione durante la fermentazione. L’applicazione di onde ultrasoniche contribuisce a generare microcorrenti e favorisce l’omogeneità, garantendo una distribuzione uniforme di nutrienti, gas e microrganismi all’interno del recipiente di fermentazione.
• Potenziamento del trasferimento di massa: Il miglioramento della miscelazione e dell’omogeneizzazione è associato all’aumento delle velocità di trasferimento di massa ottenuto mediante ultrasuoni durante la fermentazione. L’oscillazione ultrasonica e la cavitazione generano turbolenze localizzate e favoriscono la diffusione di substrati, gas e nutrienti nel brodo di fermentazione. Ciò può migliorare l’efficienza e la produttività complessive del processo di fermentazione.
• Miglioramento della vitalità cellulare e dell’attività metabolica: La sonicazione può essere applicata alle colture microbiche durante la fermentazione per migliorare la vitalità cellulare e l’attività metabolica. Una sonicazione delicata può stimolare determinati microrganismi, favorendo la crescita, la produzione di biomassa e la sintesi dei metaboliti o dei prodotti di fermentazione desiderati.

Una sonicazione controllabile con precisione e ripetibile contribuisce a migliorare la produttività di vari processi di fermentazione senza danneggiare le cellule. L’intensità della sonicazione può essere adattata con precisione alla specifica specie cellulare e alle sue esigenze. La sonicazione controllata influenza positivamente la crescita e il metabolismo cellulari e migliora significativamente le conversioni catalizzate dalle cellule vive, ad esempio stimolando i bifidobatteri nel latte.
In alcuni processi di fermentazione condotti da funghi, la sonicazione viene utilizzata con successo per modificare la morfologia di crescita e la reologia del brodo senza influire sulla velocità di crescita e sulla resa dei funghi filamentosi.

Trattamento a ultrasuoni dopo la fermentazione

• Raccolta e separazione delle cellule: La sonicazione può agevolare la raccolta e la separazione delle cellule dopo la fermentazione. Può contribuire a disgregare aggregati cellulari, flocculanti o biofilm, facilitando il rilascio delle cellule dal brodo di fermentazione. Ciò semplifica i successivi processi a valle, come il recupero delle cellule o la purificazione del prodotto.
• Estrazione di prodotti intracellulari: Dopo la fermentazione, la sonicazione può essere utilizzata per estrarre prodotti intracellulari, come enzimi, proteine o metaboliti secondari, dalla biomassa microbica o cellulare. Questo processo di estrazione contribuisce a recuperare composti di valore e migliora la resa complessiva del processo di fermentazione.
• Disgregazione cellulare a fini analitici: La sonicazione può essere applicata per disgregare cellule o campioni microbici dopo la fermentazione, in particolare a fini analitici. Favorisce la lisi cellulare e il rilascio del contenuto intracellulare, facilitando l’analisi dei componenti cellulari o l’esecuzione di saggi a valle.

Per la produzione di componenti intracellulari come enzimi microbici (ad esempio catalasi, amilasi, proteasi, pectinasi, glucosio isomerasi, cellulasi, emicellulasi, lipasi, lattasi, streptochinasi) e proteine ricombinanti (ad esempio insulina, vaccino contro l’epatite B, interferone, fattore stimolante le colonie di granulociti, streptochinasi), le cellule devono essere lisate / disgregate dopo il processo di fermentazione per rilasciare le proteine desiderate. La sonicazione facilita l’estrazione dei complessi polisaccaride–proteina intracellulari ed extracellulari dal brodo viscoso di fermentazione miceliale. Oltre a offrire una resa e un’efficienza di estrazione eccellenti, la sonicazione è una tecnica consolidata e affidabile per la lisi cellulare e l’estrazione di materiale intracellulare.
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Bioreattori a ultrasuoni per migliorare i processi di fermentazione

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Bibliografia/Riferimenti

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