発酵用超音波バイオリアクター

超音波は、機械的振動や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ある。ソノバイオリアクター／超音波発酵槽では、環境因子を正確に決定できるため、細胞や組織の超音波処理が高度に制御可能になる。超音波バイオリアクターでは、発酵生産量を大幅に向上させることができます。

発酵

発酵の効率はプロセス条件に依存する：栄養素、培地の密度、温度、酸素／ガス含有量、圧力は、微生物の活性に影響を与える重要な要素である。微生物や哺乳類の細胞は、特定の条件下でのみ増殖する。適切な条件と超音波刺激を組み合わせることで、発酵の収量を最大化することができる。

超音波による微生物への刺激

発酵とは、糖を酸、ガス、アルコールに変える代謝プロセスである。酵母や細菌、また乳酸発酵のように酸素のない筋肉細胞でも起こる。発酵はまた、より広義には、増殖培地上で微生物が大量に増殖することを指し、多くの場合、特定の化学製品を生産することを目的とする。
発酵プロセスは、細菌や真菌などの微生物を用いて工業的規模で行われる。発酵製品は食品や一般産業で使用される。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る。発酵速度は、微生物、細胞、細胞成分、酵素の濃度、温度、pHに影響される。好気性発酵では、酸素も重要な要素である。リパーゼ、インベルターゼ、レンネットなど、商業的に生産されている酵素のほぼすべてが、遺伝子組み換え微生物を使った発酵によって作られている。

• 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（酵素や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である場合）

発酵前、発酵中、発酵後の超音波処理

低周波超音波の応用であるソニケーションは、発酵前、発酵中、発酵後に様々な方法で、発酵プロセスの様々な段階で使用することができる。

超音波前発酵処理 – バイオマスの利用可能性の向上

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、基質を微生物がより利用しやすくするために用いられる。超音波混合は、微生物細胞への基質の物質移動と、微生物細胞からの生成物の物質移動を促進する。超音波による物質移動の促進は、発酵中だけでなく前処理としても適用できる。
2. 細胞の破壊： ソニケーションは、特に微生物や酵母の培養において、細胞壁や細胞膜を破壊するために用いることができる。これにより、酵素や代謝産物などの細胞内成分が放出され、発酵性能が向上したり、下流工程が促進されたりします。
3. 細胞内化合物の抽出： ソニケーションは、発酵前の生物学的材料からの細胞内化合物の抽出を助けることができる。これには、酵素、タンパク質、核酸、その他の標的化合物を細胞、組織、植物材料から抽出し、その後の発酵プロセスで使用することが含まれる。

例えば、Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1)によるキシロオリゴ糖生産のための酵素加水分解を促進するために、籾殻の超音波前処理が用いられた。超音波処理により、籾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産生が著しく促進された。ヘミセルロース収量は超音波処理により1.4倍に増加し、生産時間は80℃で24時間から1.5時間に大幅に短縮された。 – さらにプロセスの最適化の可能性がある。超音波処理されたバイオマスは、菌類にとって非常に兌換しやすいため、酵素活性の安定性が向上し、CMCase、b-グルコシダーゼ、キシラナーゼの活性が、超音波処理されていない籾殻と比較して増加した。最終発酵産物はキシロテトラオース、キシロヘキサオース、高分子キシロオリゴ糖であった。超音波処理した籾殻からのキシロヘキサオースの収率は80％高かった。

超音波アシスト発酵 – 微生物への刺激

• 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る。超音波の印加はマイクロストリーミングの形成に役立ち、均質性を促進し、発酵容器内の栄養素、ガス、微生物の均一な分布を確保する。
• 物質移動の促進： 混合と均質化の改善に関連して、発酵中の物質移動速度が超音波によって改善される。超音波振動とキャビテーションは局所的な乱流を作り出し、発酵ブロス中への基質、ガス、栄養素の拡散を促進する。これにより、発酵プロセスの全体的な効率と生産性を向上させることができる。
• 細胞の生存率と代謝活性を向上させる： 発酵中の微生物培養に超音波処理を適用することで、細胞の生存率や代謝活性を高めることができる。マイルド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、所望の代謝産物や発酵産物の合成を促進することができる。

正確に制御可能で反復可能な超音波処理により、細胞を損傷することなく、様々な発酵プロセスの生産性を向上させることができます。超音波処理の強度は、特定の細胞種とその要件に正確に適合させることができます。制御された超音波処理により、細胞の増殖と代謝が促進され、生きた細胞によって触媒される変換が著しく改善されます。
糸状菌の増殖速度や収量に影響を与えることなく、増殖形態やブロスのレオロジーを変化させるために、超音波処理を用いることに成功している。

超音波後発酵処理

• 細胞採取と分離： ソニケーションは、発酵後の細胞採取と分離を助けることができる。細胞の凝集塊、凝集体、バイオフィルムを破砕し、発酵ブロスからの細胞の放出を促進することができる。これにより、細胞の回収や製品の精製など、その後の下流工程が簡素化されます。
• 細胞内生成物の抽出： 発酵後、超音波処理を用いて微生物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することができます。この抽出プロセスは、貴重な化合物を回収し、発酵プロセス全体の収量を向上させるのに役立ちます。
• 分析目的の細胞崩壊： ソニケーションは、特に分析目的で、発酵後の細胞や微生物サンプルを破壊するために適用できる。細胞の溶解と細胞内内容物の放出を助け、細胞成分の分析や下流のアッセイを容易にする。

微生物酵素（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など）や組換えタンパク質（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）のような細胞内成分の生産には、発酵工程後に細胞を溶解／破壊しなければならない。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）、目的のタンパク質を放出するためには、発酵工程後に細胞を溶解／破壊しなければならない。超音波処理により、粘性のある菌糸体発酵ブロスからの細胞内および細胞外の多糖類-タンパク質複合体の抽出が容易になる。優れた抽出収率と効率に加え、超音波処理は細胞溶解と細胞内物質の抽出に定評があり、信頼性が高い。
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発酵プロセス改善のための超音波バイオリアクター

Hielscher Ultrasonics社は、細胞刺激、発酵、細胞破砕、抽出などの超音波刺激によるバイオプロセスにおいて長年の経験を有しています。弊社では、バッチ式およびフロースルー式の超音波処理用に、サイズや形状の異なる様々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ソリューションも提供しています。当社の超音波リアクターは汎用性が高く、設置スペースも小さくて済むため、既存のバイオテクノロジープラントへの後付けも問題なく実現できます。
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下の表は、処理するバッチ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。各装置の詳細については、装置の種類をクリックしてください。

文献／参考文献