発酵用超音波バイオリアクター

超音波は、機械的な振動やキャビテーションによって微生物を刺激する有効な手段です。ソノバイオリアクター/超音波発酵槽では、環境要因を正確に決定できるため、細胞および組織の超音波処理は高度に制御可能になります。超音波バイオリアクターを使用すると、発酵出力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を与える重要な要素です。微生物や哺乳類の細胞は、特定の条件下でのみ繁栄します。適切な条件と超音波刺激を組み合わせることで、発酵の収率を最大化することができます。

微生物の超音波刺激

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。それは酵母やバクテリア、そして乳酸発酵の場合のように酸素欠乏の筋肉細胞でも起こります。発酵は、増殖培地上での微生物のバルク増殖を指すためにもより広く使用され、多くの場合、特定の化学製品を生産することを目的としています。
発酵プロセスは、バクテリアや真菌などの微生物を使用して発酵するために工業規模で行われます。発酵製品は、食品や一般産業で使用されています。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成されます。発酵速度は、微生物、細胞、細胞成分、酵素の濃度、温度、pHの影響を受けます。好気性発酵では、酸素も重要な要素です。リパーゼ、インベルターゼ、レンネットなど、商業的に生産されている酵素のほぼすべては、遺伝子組み換え微生物による発酵によって作られています。

• バイオマス(生存細胞材料)の生産
• 細胞外代謝物(化合物)の産生
• 細胞内成分(酵素およびその他のタンパク質)の産生
• 基板の変換(変換された基板自体が製品である)

発酵前、発酵中、発酵後の超音波処理

超音波処理は、低周波超音波の適用であり、発酵前、発酵中、および発酵後に、さまざまな方法で、発酵プロセスのさまざまな段階で使用できます。

超音波発酵前処理 – バイオマス利用率の向上

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、基質を微生物により利用可能に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物質移動および微生物細胞からの製品の物質移動を促進する。物質移動の超音波強化は、前処理として、また発酵中に適用することができる。
2. 細胞の混乱: 超音波処理は、特に微生物または酵母培養において、細胞壁および膜を破壊するために用いることができる。これにより、酵素や代謝物などの細胞内成分が放出され、発酵性能を向上させたり、下流のプロセスを促進したりできます。
3. 細胞内化合物の抽出: 超音波処理は、発酵前に生物学的材料から細胞内化合物を抽出するのを助けることができます。これには、細胞、組織、または植物材料から酵素、タンパク質、核酸、またはその他の標的化合物を抽出し、その後発酵プロセスで使用することが含まれます。

例えば、籾殻の超音波前処理は、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使用された。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ノ溶解酵素の産生が著しく増強された。超音波処理下でヘミセルロース収率を1.4倍に増加させ、製造時間を80°Cで24時間から1.5時間に大幅に短縮しました – プロセス最適化のさらなる可能性を秘めています。超音波処理されたバイオマスは、酵素活性の安定性が拡張され、CMCase、b-グルコシダーゼ、およびキシラナーゼの活性が非超音波処理された籾殻と比較して増加するように、真菌にとってはるかに容易な変換可能である。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、および高分子量のキシロオリゴ糖でした。超音波処理された籾殻からのキシロヘキサオース収率は80%高かった。

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することができます。超音波の適用は、マイクロストリーミングを作成し、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のに役立ちます。
• 質量移動の強化: 改良された混合および均質化に関連して、発酵中の超音波的に改善された物質移動速度がある。超音波振動およびキャビテーションは、局在的な乱流を作り出し、発酵ブロスへの基質、ガス、および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ます。
• 細胞生存率と代謝活性の改善: 超音波処理は、細胞の生存率および代謝活性を高めるために、発酵中の微生物培養に適用することができる。軽度の超音波処理は、特定の微生物を刺激し、成長、バイオマス生産、および所望の代謝産物または発酵産物の合成を促進することができる。

正確に制御可能で再現性のある超音波処理は、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を向上させるのに役立ちます。超音波処理強度は、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、細胞の成長および代謝は正の影響を受け、生細胞によって触媒される変換は著しく改善される(例えば、牛乳中のビフィズス菌を刺激する)。
一部の真菌駆動発酵プロセスでは、超音波処理がうまく使用され、糸状菌の成長率と収量に影響を与えることなく、成長形態とブロスレオロジーを変更することができます。

超音波発酵後処理

• 細胞の採取と分離: 超音波処理は、細胞の回収と発酵後の分離を助けることができます。細胞凝集体、凝集剤、またはバイオフィルムの破壊を助け、発酵ブロスからの細胞の放出を促進します。これにより、細胞の回収や製品の精製など、その後の下流プロセスが簡単になります。
• 細胞内産物の抽出: 発酵後、超音波処理を使用して、微生物または細胞バイオマスから酵素、タンパク質、または二次代謝産物などの細胞内産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、発酵プロセスの全体的な収率を向上させるのに役立ちます。
• 分析目的のための細胞崩壊: 超音波処理は、特に分析目的のために、発酵後の細胞または微生物サンプルを破壊するために適用することができる。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します。

微生物酵素(例: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)および組換えタンパク質(例: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)などの細胞内成分の産生のためには、細胞を発酵プロセス後に溶解/破壊して所望のタンパク質を放出する必要があります。超音波処理により、粘性菌糸体発酵ブロスからの細胞内および細胞外多糖-タンパク質複合体の抽出が促進される。その優れた抽出収率および効率に加えて、超音波処理は、細胞溶解および細胞内物質の抽出に対して十分に確立され、信頼性が高い。
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発酵プロセスを改善するための超音波バイオリアクター

ヒールシャー超音波は、細胞刺激、発酵、細胞破壊および抽出などの超音波刺激バイオプロセスで長年の経験があります。我々は、バッチモードおよびフロースルーモードでの超音波処理のための異なるサイズおよび形状の様々な標準超音波反応器を提供しています。また、既存のバイオリアクターに統合する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は非常に用途が広く、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への後付けも問題なく実現できます。
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以下の表は、処理するバッチ量または流量に応じた一般的なデバイスの推奨事項を示しています。デバイスの種類をクリックすると、各デバイスの詳細情報が表示されます。

文献/参考文献