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 è possibile aumentare in modo significativo la resa della fermentazione.

fermentazione

L'efficienza della fermentazione dipende dalle condizioni del processo: Nutrienti, densità del mezzo, temperatura, contenuto di ossigeno/gas e pressione sono fattori importanti che influenzano l'attività microbica. I microrganismi e le cellule dei mammiferi prosperano solo in determinate condizioni. Le condizioni giuste, combinate con la stimolazione a ultrasuoni, possono massimizzare il rendimento della fermentazione.

Stimolazione ultrasonica dei microrganismi

La fermentazione è un processo metabolico che converte lo zucchero in acidi, gas o alcol. Si verifica nei lieviti e nei batteri, ma anche nelle cellule muscolari affamate di ossigeno, come nel caso della fermentazione dell'acido lattico. La fermentazione è anche usata in senso più ampio per indicare la crescita in massa di microrganismi su un terreno di coltura, spesso con l'obiettivo di produrre un prodotto chimico specifico.
I processi di fermentazione vengono eseguiti su scala industriale utilizzando microrganismi come batteri e funghi per la fermentazione. I prodotti fermentati sono utilizzati nell'industria alimentare e in generale. La fermentazione produce sostanze chimiche come l'acido acetico, l'acido citrico e l'etanolo. Il tasso di fermentazione è influenzato 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 in commercio, come la lipasi, l'invertasi e il caglio, sono ottenuti per fermentazione con microbi 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, ovvero 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 di prefermentazione a ultrasuoni – Miglioramento della disponibilità di biomassa

1. Miglioramento del trasferimento di massa: La sonicazione come pretrattamento viene utilizzata per promuovere il trasferimento di massa e rendere il substrato più disponibile per i microbi. La miscelazione a ultrasuoni favorisce il trasferimento di massa dei substrati verso le cellule microbiche e dei prodotti da esse allontanati. L'intensificazione ultrasonica del trasferimento di massa può essere applicata sia come pretrattamento che durante la fermentazione.
2. Interruzione delle cellule: La sonicazione può essere impiegata per disgregare le pareti cellulari e le membrane, in particolare nelle colture microbiche o di lievito. Ciò contribuisce a liberare 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 contribuire all'estrazione di composti intracellulari da materiali biologici prima della fermentazione. Ciò include l'estrazione di enzimi, proteine, acidi nucleici o altri composti target da cellule, tessuti o materiali vegetali per il successivo utilizzo nei processi di fermentazione.

Ad esempio, il pretrattamento ad ultrasuoni dello scafo di riso è stato utilizzato per migliorare l'idrolisi enzimatica per la produzione di xiloligosaccaridi da parte di Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Con la sonicazione, la produzione di enzimi cellulolitici e xilanolitici dallo scafo di riso è stata significativamente aumentata. La resa di emicellulosa è aumentata di 1,4 volte con la sonicazione e il tempo di produzione è stato notevolmente ridotto da 24 ore a 1,5 ore a 80ºC. – con un ulteriore potenziale di ottimizzazione del processo. La biomassa sonicata è molto più facilmente convertibile per i funghi, in modo da aumentare la stabilità dell'attività enzimatica e l'attività di CMCase, b-glucosidasi e xilanasi rispetto allo scafo di riso non sonicato. I prodotti fermentativi finali sono stati lo xilotetraosio, lo xiloesio e gli xiloligosaccaridi a più alto peso molecolare. La resa in xiloesio dello scafo di riso sonicato è stata superiore dell'80%.

Fermentazione assistita dagli ultrasuoni – Stimolazione dei microbi

• Miscelazione e omogeneizzazione: La sonicazione può essere utilizzata come tecnica di miscelazione durante la fermentazione. L'applicazione di onde ultrasonore aiuta a creare microflussi e promuove l'omogeneità, garantendo una distribuzione uniforme di nutrienti, gas e microrganismi all'interno del recipiente di fermentazione.
• Miglioramento del trasferimento di massa: In relazione al miglioramento della miscelazione e dell'omogeneizzazione, i tassi di trasferimento di massa durante la fermentazione sono migliorati grazie agli ultrasuoni. L'oscillazione e la cavitazione ultrasonica creano turbolenze localizzate e migliorano la diffusione di substrati, gas e nutrienti nel brodo di fermentazione. Ciò può migliorare l'efficienza complessiva e la produttività del processo di fermentazione.
• Miglioramento della vitalità e dell'attività metabolica delle cellule: La sonicazione può essere applicata alle colture microbiche durante la fermentazione per migliorare la vitalità cellulare e l'attività metabolica. Una leggera sonicazione può stimolare alcuni microrganismi, favorendo la crescita, la produzione di biomassa e la sintesi di metaboliti o prodotti di fermentazione desiderati.

La sonicazione controllabile e ripetibile aiuta a migliorare la produttività di vari processi di fermentazione senza danneggiare le cellule. L'intensità della sonicazione può essere adattata esattamente alla specie cellulare specifica e alle sue esigenze. Grazie alla sonicazione controllata, la crescita e il metabolismo delle cellule vengono influenzati positivamente e le conversioni catalizzate dalle cellule vive vengono migliorate in modo significativo, ad esempio stimolando i Bifidobatteri nel latte.
Per alcuni processi di fermentazione guidata da funghi, la sonicazione viene utilizzata con successo per modificare la morfologia della crescita e la reologia del brodo senza influenzare il tasso di crescita e la resa dei funghi filamentosi.

Trattamento post fermentazione a ultrasuoni

• Raccolta e separazione delle cellule: La sonicazione può aiutare a raccogliere e separare le cellule dopo la fermentazione. Può aiutare a rompere gli aggregati cellulari, i flocculanti o i 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 aiuta a recuperare composti preziosi e migliora la resa complessiva del processo di fermentazione.
• Disintegrazione cellulare a fini analitici: La sonicazione può essere applicata per disgregare cellule o campioni microbici dopo la fermentazione, in particolare per scopi analitici. Favorisce la lisi cellulare e il rilascio dei contenuti intracellulari, facilitando l'analisi dei componenti cellulari o l'esecuzione di saggi a valle.

Per la produzione di componenti intracellulari come gli enzimi microbici (ad esempio catalasi, amilasi, proteasi, pectinasi, isomerasi del glucosio, cellulasi, emicellulasi, lipasi, lattasi, streptochinasi) e le proteine ricombinanti (ad esempio insulina, vaccino dell'epatite B, interferone, fattore di stimolazione delle colonie di granulociti, streptochinasi), le cellule devono essere lisate / disgregate dopo il processo di fermentazione.insulina, vaccino dell'epatite B, interferone, fattore di stimolazione delle 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 polisaccaridi-proteine intracellulari ed extracellulari dal brodo di fermentazione miceliare viscoso. Oltre all'eccezionale resa ed efficienza dell'estrazione, la sonicazione è ben consolidata e affidabile per la lisi cellulare e l'estrazione di materia intracellulare.
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Bioreattori a ultrasuoni per migliorare i processi di fermentazione

Hielscher Ultrasonics ha una lunga esperienza nei processi biologici stimolati dagli ultrasuoni, come la stimolazione cellulare, la fermentazione, la disgregazione cellulare e l'estrazione. Offriamo vari reattori a ultrasuoni standard di diverse dimensioni e geometrie per la sonicazione in modalità batch e flow-through. In alternativa, offriamo soluzioni personalizzate per l'integrazione nel vostro bioreattore esistente. Poiché i nostri processori a ultrasuoni sono molto versatili e richiedono uno spazio ridotto, l'integrazione in impianti biotecnologici esistenti può essere realizzata senza problemi.
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