ულტრაბგერითი ბიორეაქტორები ფერმენტაციისთვის

ულტრაბგერა ეფექტური საშუალებაა მიკროორგანიზმების სტიმულირებისთვის მექანიკური რხევებისა და კავიტაციის გამოყენებით. სონობიორეაქტორში / ულტრაბგერით ფერმენტერში, უჯრედებისა და ქსოვილების ულტრაბგერითი დამუშავება ხდება მაღალკონტროლირებადი, რადგან გარემო ფაქტორები შეიძლება ზუსტად იყოს განსაზღვრული. ულტრაბგერითი ბიორეაქტორების გამოყენებით, ფერმენტაციის პროდუქტიულობა შესაძლებელია მნიშვნელოვნად გაიზარდოს.

ფერმენტაცია

ფერმენტაციის ეფექტურობა დამოკიდებულია პროცესის პირობებზე: საკვები ნივთიერებები, გარემოს სიმკვრივე, ტემპერატურა, ჟანგბადის / გაზის შემცველობა და წნევა არის მნიშვნელოვანი ფაქტორები, რომლებიც გავლენას ახდენენ მიკრობულ აქტივობაზე. მიკროორგანიზმები, ისევე როგორც ძუძუმწოვრების უჯრედები, მხოლოდ გარკვეულ პირობებში ვითარდებიან. სწორი პირობები, ულტრაბგერით სტიმულირებასთან ერთად, შეიძლება მაქსიმალურად გაზარდოს ფერმენტაციის წარმადობა.

მიკროორგანიზმების ულტრაბგერითი სტიმულირება

ფერმენტაცია არის მეტაბოლური პროცესი, რომელიც შაქარს გარდაქმნის მჟავებად, გაზებად ან სპირტად. ის მიმდინარეობს საფუარსა და ბაქტერიებში, ასევე ჟანგბადის ნაკლებობის მქონე კუნთოვან უჯრედებში, როგორც ეს რძემჟავა ფერმენტაციის შემთხვევაშია. ფერმენტაცია ასევე უფრო ფართო მნიშვნელობით გამოიყენება მიკროორგანიზმების მასიური ზრდის აღსანიშნავად საკვებ გარემოში, ხშირად კონკრეტული ქიმიური პროდუქტის წარმოების მიზნით.
ფერმენტაციის პროცესები სამრეწველო მასშტაბით ხორციელდება მიკროორგანიზმების, როგორიცაა ბაქტერიები და სოკოები, გამოყენებით. ფერმენტირებული პროდუქტები გამოიყენება კვების მრეწველობასა და მრეწველობის სხვა დარგებში. ქიმიური ნივთიერებები, როგორიცაა ძმარმჟავა, ლიმონმჟავა და ეთანოლი, წარმოიქმნება ფერმენტაციის გზით. ფერმენტაციის სიჩქარეზე გავლენას ახდენს მიკროორგანიზმების, უჯრედების, უჯრედული კომპონენტებისა და ფერმენტების კონცენტრაცია, ასევე ტემპერატურა და pH. აერობული ფერმენტაციისთვის ჟანგბადიც მნიშვნელოვანი ფაქტორია. პრაქტიკულად ყველა კომერციულად წარმოებული ფერმენტი, როგორიცაა ლიპაზა, ინვერტაზა და კვეთის ფერმენტი, მზადდება გენეტიკურად მოდიფიცირებული მიკრობების მონაწილეობით ფერმენტაციის გზით.

ზოგადად, ფერმენტაცია შეიძლება დაიყოს პროცესის ოთხ ტიპად/ეტაპად:

• ბიომასის წარმოება (ცოცხალი უჯრედული მასალა)
• უჯრედგარე მეტაბოლიტების წარმოება (ქიმიური ნაერთები)
• უჯრედშიდა კომპონენტების წარმოება (ფერმენტები და სხვა ცილები)
• სუბსტრატის გარდაქმნა (რომლის დროსაც გარდაქმნილი სუბსტრატი თავად არის პროდუქტი)

ულტრაბგერითი დამუშავება ფერმენტაციამდე, მის დროს და შემდეგ

ულტრაბგერითი დამუშავება, დაბალი სიხშირის ულტრაბგერითი ტალღების გამოყენება, შეიძლება გამოიყენებოდეს ფერმენტაციამდე, მის დროს და შემდეგ სხვადასხვა გზით და ფერმენტაციის პროცესის სხვადასხვა ეტაპზე.

ულტრაბგერითი დამუშავება ფერმენტაციამდე – ბიომასის ხელმისაწვდომობის გაუმჯობესება

1. მასათა გადატანის გაუმჯობესება: ულტრაბგერითი დამუშავება, როგორც წინასწარი დამუშავება, გამოიყენება მასათა გადატანის ხელშეწყობისა და სუბსტრატის მიკრობებისთვის უფრო ხელმისაწვდომი გახდომისთვის. ულტრაბგერითი შერევა ხელს უწყობს სუბსტრატების მასათა გადატანას მიკრობულ უჯრედებში და პროდუქტების გადატანას მათგან. მასათა გადატანის ულტრაბგერითი ინტენსიფიკაცია შეიძლება გამოიყენებოდეს როგორც წინასწარი დამუშავება, ასევე ფერმენტაციის დროს.
2. უჯრედების დესტრუქცია: ულტრაბგერითი დამუშავება შეიძლება გამოიყენებოდეს უჯრედული კედლებისა და მემბრანების დასაშლელად, განსაკუთრებით მიკრობულ ან საფუარის კულტურებში. ეს ხელს უწყობს უჯრედშიდა კომპონენტების, როგორიცაა ფერმენტები ან მეტაბოლიტები, გამოყოფას, რაც შეიძლება გააუმჯობესოს ფერმენტაციის ეფექტურობა ან ხელი შეუწყოს შემდგომ პროცესებს.
3. უჯრედშიდა ნაერთების ექსტრაქცია: ულტრაბგერითმა დამუშავებამ შეიძლება ხელი შეუწყოს უჯრედშიდა ნაერთების ექსტრაქციას ბიოლოგიური მასალებიდან ფერმენტაციამდე. ეს მოიცავს ფერმენტების, ცილების, ნუკლეინის მჟავების ან სხვა სამიზნე ნაერთების ექსტრაქციას უჯრედებიდან, ქსოვილებიდან ან მცენარეული მასალებიდან, ფერმენტაციის პროცესებში შემდგომი გამოყენებისთვის.

მაგალითად, ბრინჯის გარსის ულტრაბგერითი წინასწარი დამუშავება გამოიყენებოდა Aspergillus japonicus-ის (var. japonicus CY6-1) მიერ ქსილოოლიგოსაქარიდების წარმოებისთვის ფერმენტული ჰიდროლიზის გასაძლიერებლად. ულტრაბგერითი დამუშავებით ბრინჯის გარსიდან ცელულოლიზური და ქსილანოლიზური ფერმენტების წარმოება მნიშვნელოვნად გაიზარდა. ჰემიცელულოზის გამოსავლიანობა ულტრაბგერითი დამუშავების პირობებში 1,4-ჯერ გაიზარდა, ხოლო წარმოების დრო 80ºC-ზე 24 h-დან 1,5 h-მდე მნიშვნელოვნად შემცირდა – პროცესის ოპტიმიზაციის დამატებითი პოტენციალით. ულტრაბგერით დამუშავებული ბიომასა სოკოებისთვის გაცილებით მარტივად გარდაქმნადია, რის შედეგადაც ფერმენტული აქტივობის სტაბილურობა უფრო დიდხანს ნარჩუნდება და CMCase-ის, b-გლუკოზიდაზისა და ქსილანაზის აქტივობა ულტრაბგერით დაუმუშავებელ ბრინჯის გარსთან შედარებით იზრდება. ფერმენტაციის საბოლოო პროდუქტები იყო ქსილოტეტრაოზა, ქსილოჰექსაოზა და უფრო მაღალი მოლეკულური მასის ქსილოოლიგოსაქარიდები. ულტრაბგერით დამუშავებული ბრინჯის გარსიდან ქსილოჰექსაოზის გამოსავლიანობა 80%-ით მაღალი იყო.

ულტრაბგერითი დახმარებით ფერმენტაცია – მიკრობების სტიმულირება

• შერევა და ჰომოგენიზაცია: ულტრაბგერითი დამუშავება შეიძლება გამოიყენებოდეს როგორც შერევის ტექნიკა ფერმენტაციის დროს. ულტრაბგერითი ტალღების გამოყენება ხელს უწყობს მიკრონაკადების შექმნას და აძლიერებს ერთგვაროვნებას, რაც უზრუნველყოფს ნუტრიენტების, გაზებისა და მიკროორგანიზმების თანაბარ განაწილებას ფერმენტაციის ჭურჭელში.
• მასათა გადატანის გაძლიერება: გაუმჯობესებულ შერევასა და ჰომოგენიზაციას უკავშირდება ფერმენტაციის დროს ულტრაბგერით გაზრდილი მასათა გადატანის სიჩქარე. ულტრაბგერითი რხევები და კავიტაცია ქმნის ლოკალურ ტურბულენტობას და აძლიერებს სუბსტრატების, გაზებისა და საკვები ნივთიერებების დიფუზიას საფერმენტაციო სითხეში. ამას შეუძლია გააუმჯობესოს ფერმენტაციის პროცესის საერთო ეფექტურობა და პროდუქტიულობა.
• უჯრედების სიცოცხლისუნარიანობისა და მეტაბოლური აქტივობის გაუმჯობესება: ულტრაბგერითი დამუშავება შეიძლება გამოიყენებოდეს მიკრობულ კულტურებზე ფერმენტაციის დროს უჯრედების სიცოცხლისუნარიანობისა და მეტაბოლური აქტივობის გასაძლიერებლად. მსუბუქი ულტრაბგერითი დამუშავება შეიძლება სტიმულირებდეს ზოგიერთ მიკროორგანიზმს, აძლიერებდეს ზრდას, ბიომასის წარმოებას და სასურველი მეტაბოლიტების ან ფერმენტაციის პროდუქტების სინთეზს.

ზუსტად კონტროლირებადი და გამეორებადი ულტრაბგერითი დამუშავება ხელს უწყობს სხვადასხვა ფერმენტაციის პროცესების პროდუქტიულობის გაუმჯობესებას უჯრედების დაზიანების გარეშე. ულტრაბგერითი დამუშავების ინტენსივობა შეიძლება ზუსტად შეესაბამებოდეს კონკრეტულ უჯრედულ სახეობას და მის მოთხოვნებს. კონტროლირებადი ულტრაბგერითი დამუშავებით, უჯრედული ზრდა და მეტაბოლიზმი დადებითად იცვლება და ცოცხალი უჯრედების მიერ კატალიზებული გარდაქმნები მნიშვნელოვნად იზრდება, მაგალითად, Bifidobacteria-ის სტიმულირება რძეში.
სოკოების მონაწილეობით მიმდინარე ფერმენტაციის ზოგიერთი პროცესისთვის ულტრაბგერითი დამუშავება წარმატებით გამოიყენება ზრდის მორფოლოგიისა და საფერმენტაციო სითხის რეოლოგიის შესაცვლელად, ძაფისებრი სოკოების ზრდის სიჩქარესა და გამოსავლიანობაზე გავლენის გარეშე.

ულტრაბგერითი ფერმენტაციის შემდგომი დამუშავება

• უჯრედების მოპოვება და გამოყოფა: ულტრაბგერითი დამუშავება შეიძლება დაეხმაროს უჯრედების შეგროვებასა და გამოყოფას ფერმენტაციის შემდეგ. მას შეუძლია ხელი შეუწყოს უჯრედული აგრეგატების, ფლოკულანტების ან ბიოფილმების დაშლას, რაც აადვილებს უჯრედების გამოყოფას საფერმენტაციო სითხიდან. ეს ამარტივებს შემდგომ პროცესებს, როგორიცაა უჯრედების ამოღება ან პროდუქტის გაწმენდა.
• უჯრედშიდა პროდუქტების ექსტრაქცია: ფერმენტაციის შემდეგ ულტრაბგერითი დამუშავება შეიძლება გამოიყენებოდეს უჯრედშიდა პროდუქტების, როგორიცაა ფერმენტები, ცილები ან მეორადი მეტაბოლიტები, მიკრობული ან უჯრედული ბიომასიდან ამოსაღებად. ეს ექსტრაქციის პროცესი ხელს უწყობს ღირებული ნაერთების ამოღებას და აუმჯობესებს ფერმენტაციის პროცესის საერთო გამოსავლიანობას.
• უჯრედების დეზინტეგრაცია ანალიტიკური მიზნებისთვის: ულტრაბგერითი დამუშავება შეიძლება გამოიყენებოდეს უჯრედების ან მიკრობული ნიმუშების დასაშლელად ფერმენტაციის შემდეგ, განსაკუთრებით ანალიტიკური მიზნებისთვის. ის ხელს უწყობს უჯრედების ლიზისსა და უჯრედშიდა შიგთავსის გამოყოფას, რაც აადვილებს უჯრედული კომპონენტების ანალიზს ან შემდგომი ანალიზების ჩატარებას.

უჯრედშიდა კომპონენტების, როგორიცაა მიკრობული ფერმენტები (მაგ. კატალაზა, ამილაზა, პროტეაზა, პექტინაზა, გლუკოზოიზომერაზა, ცელულაზა, ჰემიცელულაზა, ლიპაზა, ლაქტაზა, სტრეპტოკინაზა) და რეკომბინანტული ცილები (მაგ. ინსულინი, B ჰეპატიტის ვაქცინა, ინტერფერონი, გრანულოციტების კოლონიის მასტიმულირებელი ფაქტორი, სტრეპტოკინაზა), წარმოებისთვის ფერმენტაციის პროცესის შემდეგ საჭიროა უჯრედების ლიზისი / დაშლა სასურველი ცილების გამოსათავისუფლებლად. ულტრაბგერითი დამუშავება აადვილებს უჯრედშიდა და უჯრედგარე პოლისაქარიდ–ცილოვანი კომპლექსების ექსტრაქციას ბლანტი მიცელიური საფერმენტაციო სითხიდან. ექსტრაქციის გამორჩეული გამოსავლიანობისა და ეფექტურობის გარდა, ულტრაბგერითი დამუშავება კარგად დამკვიდრებული და საიმედო მეთოდია უჯრედების ლიზისისა და უჯრედშიდა ნივთიერებების ექსტრაქციისთვის.
გადადით აქ, რომ მეტი იხილოთ ულტრაბგერითი ლიზისა და ექსტრაქციის შესახებ!

ულტრაბგერითი ბიორეაქტორები ფერმენტაციის პროცესების გასაუმჯობესებლად

Hielscher Ultrasonics-ს აქვს ხანგრძლივი გამოცდილება ულტრაბგერით სტიმულირებულ ბიოპროცესებში, როგორიცაა უჯრედების სტიმულირება, ფერმენტაცია, უჯრედების დაშლა და ექსტრაქცია. ჩვენ გთავაზობთ სხვადასხვა ზომისა და გეომეტრიის სტანდარტულ ულტრაბგერით რეაქტორებს ულტრაბგერითი დამუშავებისთვის პერიოდულ და გამდინარე რეჟიმებში. ალტერნატიულად, ჩვენ გთავაზობთ თქვენს არსებულ ბიორეაქტორში ინტეგრაციისთვის ინდივიდუალურად შემუშავებულ გადაწყვეტილებებს. რადგან ჩვენი ულტრაბგერითი პროცესორები მრავალფუნქციურია და მხოლოდ მცირე სივრცეს მოითხოვს, მათი ინტეგრირება არსებულ ბიოტექნოლოგიურ დანადგარებში უპრობლემოდ არის შესაძლებელი.
გადადით აქ, რომ მეტი იხილოთ ულტრაბგერითი რეაქტორების ტიპების, დიზაინებისა და გამოყენების შესახებ!
ქვემოთ მოცემულ ცხრილში წარმოდგენილია ზოგადი რეკომენდაციები დანადგარების შესარჩევად, დასამუშავებელი პარტიის მოცულობის ან მოცულობითი ხარჯის მიხედვით. დააწკაპუნეთ დანადგარის ტიპზე, რომ მიიღოთ მეტი ინფორმაცია თითოეული დანადგარის შესახებ.

ლიტერატურა/გამოყენებული წყაროები

• N. Sainz Herrán, J. L. Casas López, J. A. Sánchez Pérez, Y. Chisti (2010): Influence of ultrasound amplitude and duty cycle on fungal morphology and broth rheology of Aspergillus terreus. World J Microbiol Biotechnol 2010, 26: 1409–1418.
• N. Sainz Herrán, J. L. Casas López, J. A. Sánchez Pérez, Y. Chisti (2008): Effects of ultrasound on culture of Aspergillus terreus. J Chem Technol Biotechnol 2008, 83: 593–600./li>
• C. F. Liu, W. B. Zhou (2010): Stimulating Bio-yogurt Fermentation by High Intensity Ultrasound Processing.