Tecnologia ad ultrasuoni Hielscher

Bioreattori ad ultrasuoni per la fermentazione

Gli ultrasuoni sono un mezzo efficace per stimolare i microrganismi attraverso le vibrazioni meccaniche e la cavitazione. In un sonobioreattore / fermentatore ad ultrasuoni, il trattamento ad ultrasuoni delle cellule e dei tessuti diventa altamente controllabile poiché i fattori ambientali possono essere determinati con precisione. Con i bioreattori ad ultrasuoni, la produzione di fermentazione può essere significativamente migliorata.

fermentazione

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

Stimolazione ultrasonica dei microrganismi

L'UP400ST è un omogeneizzatore ad ultrasuoni utilizzato per intensificare la fermentazione migliorando il trasferimento di massa e la stimolazione della crescita delle cellule microbiche.La fermentazione è un processo metabolico che converte lo zucchero in acidi, gas o alcool. È presente 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 modo più ampio per riferirsi alla crescita sfusa di microrganismi su un terreno di coltura, spesso con l'obiettivo di produrre un prodotto chimico specifico.
I processi di fermentazione si svolgono su scala industriale utilizzando microrganismi come batteri e funghi per la fermentazione. I prodotti fermentati sono utilizzati nell'industria alimentare e nell'industria in generale. I prodotti chimici, come l'acido acetico, l'acido citrico e l'etanolo sono prodotti per fermentazione. La velocità di fermentazione è influenzata dalla concentrazione di microrganismi, cellule, componenti cellulari, enzimi, temperatura e pH. Per la fermentazione aerobica, anche l'ossigeno è un fattore chiave. Quasi tutti gli enzimi prodotti commercialmente, come la lipasi, l'invertasi e il caglio, sono prodotti mediante fermentazione con microbi geneticamente modificati.
In generale, le fermentazioni possono essere suddivise in quattro tipi:

  • 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)
Processore ad ultrasuoni UIP2000hdT (2kW) con reattore batch agitato

Omogeneizzatore ad ultrasuoni UIP2000hdT (2kW) con reattore batch

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Sonicazione prima, durante e dopo la fermentazione

Pretrattamento ad ultrasuoni – Miglioramento della disponibilità di biomassa

La sonicazione come pretrattamento è usata per promuovere il trasferimento di massa e rendere il substrato più disponibile ai microbi. La miscelazione ad ultrasuoni promuove il trasferimento di massa dei substrati alle cellule microbiche e dei prodotti lontano dalle cellule microbiche. L'intensificazione ad ultrasuoni del trasferimento di massa può essere applicata come pretrattamento così come durante la fermentazione.
Ad esempio, il pretrattamento ad ultrasuoni dello scafo del riso è stato utilizzato per migliorare l'idrolisi enzimatica per la produzione di xiloligosaccaridi (XOs) da parte di Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Per sonicazione, la produzione di enzimi cellulolitici e xilanolitici dallo scafo del riso è stata significativamente migliorata. La resa di emicellulosa è stata aumentata a 1,4 volte sotto sonicazione e il tempo di produzione è stato notevolmente ridotto da 24 ore a 1,5 ore a 80 ºC – con un ulteriore potenziale di ottimizzazione dei processi. La biomassa sonicato è molto più facile da convertire per i funghi in modo da estendere la stabilità dell'attività enzimatica e aumentare l'attività di CMCasi, b-glucosidasi e xilanasi rispetto allo scafo di riso non sonicato. I prodotti fermentativi finali sono stati la xilotraosiosio, la xilosasio e gli xiloligosaccaridi a più alto peso molecolare. La resa in xilosa dello scafo di riso sonicato era superiore dell'80%.

Fermentazione ad ultrasuoni – Stimolazione dei microbi

Hielscher's ultrasonicators are used to intensify fermentation processes, e.g. the biosynthesis of proteinsUna sonicazione precisa, controllabile e ripetibile aiuta a migliorare la produttività dei vari processi di fermentazione senza danneggiare le cellule. L'intensità di sonicazione può essere adattata esattamente alla specie cellulare specifica e alle sue esigenze. Grazie alla sonicazione controllata, la crescita cellulare e il metabolismo sono influenzati positivamente e le conversioni catalizzate dalle cellule vive sono significativamente migliorate, ad esempio stimolando i bifidobatteri nel latte.
Per alcuni processi di fermentazione fungina, 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 di funghi filamentosi.

Post-trattamento ad ultrasuoni – estrazione

Per la produzione di componenti intracellulari quali enzimi microbici (ad es. catalisi, amilasi, proteasi, proteasi, pectinasi, glucosio isomerasi, cellulasi, emicellulasi, lipasi, lattasi, streptochinasi) e proteine ricombinanti (e.g. insulina, vaccino contro l'epatite B, interferone, fattore di stimolazione delle colonie di granulociti, streptochinasi), le cellule devono essere lisate/interrotte dopo il processo di fermentazione per rilasciare le proteine desiderate. Attraverso la sonicazione, l'estrazione dei complessi polisaccaride-proteine intracellulari ed extracellulari dal brodo viscoso di fermentazione miceliale è facilitata. Oltre all'eccezionale resa ed efficienza di estrazione, la sonicazione è ben consolidata e affidabile per la lisi cellulare e l'estrazione di materia intracellulare.
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Bioreattori ad ultrasuoni

Hielscher Ultrasonics ha un'esperienza di lunga data con processi a stimolazione ultrasonica. Offriamo molteplici reattori ad ultrasuoni di diverse dimensioni e geometrie. In alternativa, offriamo soluzioni personalizzate per l'integrazione nel vostro bioreattore esistente. Poiché i nostri processori ad ultrasuoni sono molto versatili e richiedono solo uno spazio limitato, è possibile realizzare senza problemi il retrofitting in impianti biotecnologici esistenti.
La tabella che segue, indica le raccomandazioni generali dell'apparecchio a seconda del volume del lotto o della portata da elaborare. Fare clic sul tipo di dispositivo per ottenere maggiori informazioni su ogni dispositivo.

Volume di batch Portata Dispositivi raccomandati
0,5-1,5 mL n.a. VialTweeter
1 - 500mL 10 - 200mL/min UP100H
10 - 2000mL 20 - 400mL/min UP200Ht, UP400S
0,1 - 20L 0,2 - 4L/min UIP1000hdT, UIP2000hdT
10 - 100L 2 - 10L/min UIP4000
n.a. 10 - 100L/min UIP16000
n.a. più grande cluster di UIP16000
L'irradiazione ultrasonica favorisce l'estrazione di composti attivi dallo zafferano

ultrasonoro UIP1000hdT per l'estrazione

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Letteratura/riferimenti

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.