発酵用超音波バイオリアクター

超音波は、機械的振動とキャビテーションによって微生物を刺激する効果的な手段です。超音波バイオリアクター／超音波発酵槽では、環境因子を正確に設定できるため、細胞や組織の超音波処理を高度に制御できます。超音波バイオリアクターを使用することで、発酵による生産量を大幅に増やすことができます。

発酵

発酵効率はプロセス条件に依存します。栄養素、培地の密度、温度、酸素／ガス含有量、圧力は、微生物の活動に影響する重要な因子です。微生物も哺乳類細胞も、特定の条件下でのみ良好に増殖します。適切な条件と超音波刺激を組み合わせることで、発酵収量を最大化できます。

超音波による微生物の刺激

発酵は、糖を酸、ガス、またはアルコールに変換する代謝プロセスです。酵母や細菌で起こるほか、乳酸発酵のように酸素が不足した筋細胞でも起こります。また、より広い意味では、特定の化学製品の生産を目的とすることが多い、増殖用培地上での微生物の大量増殖を指して「発酵」という用語が使われます。
発酵プロセスは、細菌や真菌などの微生物を用いて工業規模で実施されます。発酵製品は食品産業や一般産業で使用されます。酢酸、クエン酸、エタノールなどの化学物質は発酵によって生産されます。発酵速度は、微生物、細胞、細胞成分、酵素の濃度に加え、温度とpHの影響を受けます。好気性発酵では、酸素も重要な因子です。リパーゼ、インベルターゼ、レンネットなど、商業的に生産されるほぼすべての酵素は、遺伝子組換え微生物による発酵で製造されます。

• バイオマス（生存可能な細胞物質）の生産
• 細胞外代謝産物（化合物）の生産
• 細胞内成分（酵素およびその他のタンパク質）の生産
• 基質の変換（変換された基質自体が製品となるもの）

発酵前、発酵中、発酵後の超音波処理

低周波の超音波を照射する超音波処理は、発酵前、発酵中、発酵後に、発酵プロセスのさまざまな段階で多様な方法により使用できます。

発酵前の超音波処理 – バイオマスの利用性向上

1. 物質移動の改善： 前処理としての超音波処理は、物質移動を促進し、微生物が基質を利用しやすくするために使用されます。超音波混合は、微生物細胞への基質の移動と、微生物細胞からの生成物の移動を促進します。超音波による物質移動の強化は、前処理としても発酵中にも適用できます。
2. 細胞破砕： 超音波処理は、特に微生物や酵母の培養物において、細胞壁や細胞膜の破砕に使用できます。これにより酵素や代謝産物などの細胞内成分の放出が促進され、発酵性能の向上や後工程の円滑化につながる可能性があります。
3. 細胞内化合物の抽出： 超音波処理は、発酵前に生体材料から細胞内化合物を抽出する際に役立ちます。これには、その後の発酵プロセスで使用するために、細胞、組織、植物材料から酵素、タンパク質、核酸、その他の目的化合物を抽出することが含まれます。

例えば、Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1) によるキシロオリゴ糖の生産において、酵素加水分解を促進するためにもみ殻の超音波前処理が使用されました。超音波処理により、もみ殻からのセルロース分解酵素およびキシラン分解酵素の生産が大幅に増加しました。超音波処理によってヘミセルロースの収量は1.4倍に増加し、80ºCでの生産時間は24 hから1.5 hへと大幅に短縮されました – さらにプロセスを最適化できる可能性もあります。超音波処理したバイオマスは真菌によってはるかに容易に変換されるため、超音波処理していないもみ殻と比較して、酵素活性の安定性がより長く維持され、CMCase、b-グルコシダーゼ、キシラナーゼの活性が増加します。最終的な発酵生成物は、キシロテトラオース、キシロヘキサオース、およびより高分子量のキシロオリゴ糖でした。超音波処理したもみ殻からのキシロヘキサオース収量は80%高くなりました。

超音波支援発酵 – 微生物の刺激

• 混合と均質化： 超音波処理は、発酵中の混合技術として使用できます。超音波の照射は微小流の発生を助け、均質性を高め、発酵容器内で栄養素、ガス、微生物が均一に分布するようにします。
• 物質移動の強化： 混合と均質化の改善に関連して、超音波は発酵中の物質移動速度も向上させます。超音波振動とキャビテーションは局所的な乱流を生み出し、発酵液への基質、ガス、栄養素の拡散を促進します。これにより、発酵プロセス全体の効率と生産性を向上させることができます。
• 細胞の生存性と代謝活性の向上： 発酵中の微生物培養物に超音波処理を適用し、細胞の生存性と代謝活性を向上させることができます。穏やかな超音波処理は特定の微生物を刺激し、増殖、バイオマス生産、目的とする代謝産物や発酵生成物の合成を促進することができます。

精密に制御でき、繰り返し再現できる超音波処理は、細胞を損傷することなく、さまざまな発酵プロセスの生産性向上に役立ちます。超音波処理の強度は、特定の細胞種とその要件に正確に合わせることができます。制御された超音波処理は細胞の増殖と代謝に好影響を与え、生細胞が触媒する変換を大幅に改善します。例えば、乳中のビフィズス菌の刺激が挙げられます。
真菌による一部の発酵プロセスでは、糸状菌の増殖速度や収量に影響を与えることなく、増殖形態と培養液のレオロジーを変えるために、超音波処理が有効に使用されています。

発酵後の超音波処理

• 細胞の回収と分離： 超音波処理は、発酵後の細胞の回収と分離を支援できます。細胞凝集体、凝集剤、バイオフィルムの破壊を助け、発酵液から細胞を遊離させやすくします。これにより、細胞回収や製品精製などの後工程が簡略化されます。
• 細胞内生成物の抽出： 発酵後、超音波処理を使用して、微生物バイオマスや細胞バイオマスから酵素、タンパク質、二次代謝産物などの細胞内生成物を抽出できます。この抽出プロセスは有用な化合物の回収に役立ち、発酵プロセス全体の収量を向上させます。
• 分析を目的とした細胞破砕： 超音波処理は、発酵後の細胞や微生物サンプルの破砕に、特に分析目的で適用できます。細胞溶解と細胞内内容物の放出を助け、細胞成分の分析や後工程でのアッセイの実施を容易にします。

微生物酵素（例えば、カタラーゼ、アミラーゼ、プロテアーゼ、ペクチナーゼ、グルコースイソメラーゼ、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ、リパーゼ、ラクターゼ、ストレプトキナーゼ）や組換えタンパク質（例えば、インスリン、B型肝炎ワクチン、インターフェロン、顆粒球コロニー刺激因子、ストレプトキナーゼ）などの細胞内成分を生産するには、発酵プロセス後に細胞を溶解／破砕して、目的のタンパク質を放出させる必要があります。超音波処理により、粘性のある菌糸体発酵液からの細胞内および細胞外の多糖–タンパク質複合体の抽出が容易になります。超音波処理は、優れた抽出収量と効率に加え、細胞溶解と細胞内物質の抽出において確立された信頼性の高い方法です。
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発酵プロセスを改善する超音波バイオリアクター

Hielscher Ultrasonicsは、細胞刺激、発酵、細胞破砕、抽出など、超音波で促進するバイオプロセスにおいて長年の経験を有しています。当社は、バッチ方式およびフロースルー方式での超音波処理用に、サイズや形状の異なるさまざまな標準超音波リアクターを提供しています。また、既存のバイオリアクターに組み込むためのカスタマイズされたソリューションも提供しています。当社の超音波プロセッサーは非常に汎用性が高く、必要なスペースが小さいため、既存のバイオテクノロジープラントにも問題なく後付けできます。
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下表は、処理するバッチ容量または流量に応じた一般的な推奨装置を示しています。各装置の詳細情報を確認するには、装置の機種をクリックしてください。

文献／参考文献

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• C. F. Liu, W. B. Zhou (2010): Stimulating Bio-yogurt Fermentation by High Intensity Ultrasound Processing.