발효용 초음파 생물반응기

초음파는 기계적 진동과 캐비테이션으로 미생물을 자극하는 효과적인 수단입니다. 초음파 생물반응기 / 초음파 발효조에서는 환경 요인을 정확하게 설정할 수 있으므로 세포와 조직의 초음파 처리를 매우 정밀하게 제어할 수 있습니다. 초음파 생물반응기를 사용하면 발효 생산량을 크게 높일 수 있습니다.

발효

발효 효율은 공정 조건에 따라 달라집니다. 영양분, 배지 밀도, 온도, 산소 / 가스 함량 및 압력은 미생물 활성에 영향을 미치는 중요한 요인입니다. 미생물뿐만 아니라 포유류 세포도 특정 조건에서만 잘 자랍니다. 적절한 조건과 초음파 자극을 결합하면 발효 수율을 극대화할 수 있습니다.

초음파를 이용한 미생물 자극

발효는 당을 산, 가스 또는 알코올로 전환하는 대사 과정입니다. 발효는 효모와 세균에서 일어나며, 젖산 발효의 경우처럼 산소가 부족한 근육 세포에서도 일어납니다. 더 넓은 의미에서 발효는 증식용 배지에서 미생물을 대량으로 증식시키는 것을 가리키기도 하며, 흔히 특정 화학 제품의 생산을 목적으로 합니다.
발효 공정은 세균과 진균 등의 미생물을 이용하여 산업 규모로 수행됩니다. 발효 제품은 식품 산업과 일반 산업에서 사용됩니다. 아세트산, 구연산, 에탄올 등의 화학 물질은 발효로 생산됩니다. 발효 속도는 미생물, 세포, 세포 구성 성분 및 효소의 농도뿐만 아니라 온도와 pH의 영향도 받습니다. 호기성 발효에서는 산소 역시 핵심 요인입니다. 리파아제, 인버타아제, 레닛 등 상업적으로 생산되는 효소의 거의 전부는 유전자 변형 미생물을 이용한 발효로 만들어집니다.

• 바이오매스 생산(생존 가능한 세포 물질)
• 세포 외 대사산물 생산(화학 화합물)
• 세포 내 구성 성분 생산(효소 및 기타 단백질)
• 기질 전환(전환된 기질 자체가 제품이 되는 경우)

발효 전, 발효 중 및 발효 후 초음파 처리

저주파 초음파를 가하는 초음파 처리는 발효 전, 발효 중 및 발효 후에 발효 공정의 여러 단계에서 다양한 방식으로 사용할 수 있습니다.

발효 전 초음파 처리 – 바이오매스 이용 가능성 향상

1. 물질 전달 개선: 전처리로서의 초음파 처리는 물질 전달을 촉진하고 미생물이 기질을 더 쉽게 이용할 수 있도록 하는 데 사용됩니다. 초음파 혼합은 기질이 미생물 세포로 전달되고 생성물이 미생물 세포로부터 배출되는 물질 전달을 촉진합니다. 초음파를 통한 물질 전달 강화는 전처리뿐만 아니라 발효 중에도 적용할 수 있습니다.
2. 세포 파쇄: 초음파 처리는 특히 미생물 또는 효모 배양물의 세포벽과 세포막을 파쇄하는 데 사용할 수 있습니다. 이는 효소나 대사산물 같은 세포 내 구성 성분의 방출을 도우며, 이러한 성분은 발효 성능을 개선하거나 후속 공정을 용이하게 할 수 있습니다.
3. 세포 내 화합물 추출: 초음파 처리는 발효 전에 생물학적 물질에서 세포 내 화합물을 추출하는 데 도움이 될 수 있습니다. 여기에는 이후 발효 공정에 사용하기 위해 세포, 조직 또는 식물 소재에서 효소, 단백질, 핵산 또는 기타 표적 화합물을 추출하는 것이 포함됩니다.

예를 들어, Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1)에 의한 자일로올리고당 생산을 위한 효소 가수분해를 향상시키는 데 왕겨의 초음파 전처리가 사용되었습니다. 초음파 처리를 통해 왕겨로부터 셀룰로오스 분해 효소와 자일란 분해 효소의 생산이 크게 증가했습니다. 초음파 처리 시 헤미셀룰로오스 수율은 1.4배로 증가했고, 80ºC에서 생산 시간은 24 h에서 1.5 h로 크게 단축되었으며 – 공정을 추가로 최적화할 여지도 있습니다. 초음파 처리된 바이오매스는 진균이 훨씬 더 쉽게 전환할 수 있으므로, 초음파 처리하지 않은 왕겨에 비해 효소 활성의 안정성이 더 오래 유지되고 CMCase, b-글루코시다아제 및 자일라나아제의 활성이 증가합니다. 최종 발효 생성물은 자일로테트라오스, 자일로헥사오스 및 더 높은 분자량의 자일로올리고당이었습니다. 초음파 처리된 왕겨의 자일로헥사오스 수율은 80% 더 높았습니다.

초음파 보조 발효 – 미생물 자극

• 혼합 및 균질화: 초음파 처리는 발효 중 혼합 기법으로 사용할 수 있습니다. 초음파를 가하면 미세유동을 생성하는 데 도움이 되고 균질성이 향상되어, 발효 용기 내에서 영양소, 기체 및 미생물이 균일하게 분포하도록 합니다.
• 물질 전달 향상: 혼합 및 균질화의 개선은 발효 중 초음파에 의해 향상되는 물질 전달 속도와 관련이 있습니다. 초음파 진동과 캐비테이션은 국소적인 난류를 생성하고 기질, 기체 및 영양소가 발효액으로 확산되는 것을 촉진합니다. 이는 발효 공정의 전반적인 효율과 생산성을 향상시킬 수 있습니다.
• 세포 생존율 및 대사 활성 향상: 발효 중 미생물 배양물에 초음파 처리를 적용하여 세포 생존율과 대사 활성을 높일 수 있습니다. 약한 초음파 처리는 특정 미생물을 자극하여 성장, 바이오매스 생산 및 원하는 대사산물이나 발효 생성물의 합성을 촉진할 수 있습니다.

정밀하게 제어할 수 있고 반복 가능한 초음파 처리는 세포를 손상시키지 않으면서 다양한 발효 공정의 생산성을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 초음파 처리 강도는 특정 세포 종과 그 요구 조건에 정확하게 맞출 수 있습니다. 제어된 초음파 처리는 세포 성장과 대사에 긍정적인 영향을 미치며, 살아 있는 세포가 촉매하는 전환을 크게 향상시킵니다. 예를 들어 우유 속 비피도박테리아를 자극할 수 있습니다.
일부 진균 기반 발효 공정에서는 사상균의 성장 속도와 수율에 영향을 주지 않으면서 성장 형태와 발효액의 유변학적 특성을 조절하는 데 초음파 처리가 성공적으로 사용됩니다.

발효 후 초음파 처리

• 세포 수확 및 분리: 초음파 처리는 발효 후 세포 수확과 분리에 도움이 될 수 있습니다. 세포 응집체, 응집제 또는 생물막을 파괴하는 데 도움이 되어 발효액에서 세포가 방출되도록 촉진할 수 있습니다. 이는 세포 회수나 생성물 정제와 같은 후속 다운스트림 공정을 간소화합니다.
• 세포 내 생성물 추출: 발효 후 초음파 처리를 사용하여 미생물 또는 세포 바이오매스로부터 효소, 단백질 또는 이차 대사산물과 같은 세포 내 생성물을 추출할 수 있습니다. 이 추출 공정은 유용한 화합물을 회수하는 데 도움이 되며 발효 공정의 전체 수율을 높입니다.
• 분석 목적의 세포 파쇄: 초음파 처리는 발효 후 특히 분석 목적으로 세포나 미생물 시료를 파쇄하는 데 적용할 수 있습니다. 세포 용해와 세포 내 내용물의 방출을 도와 세포 구성 성분의 분석이나 후속 분석 시험의 수행을 용이하게 합니다.

미생물 효소(예: 카탈라아제, 아밀라아제, 프로테아제, 펙티나아제, 포도당 이성질화효소, 셀룰라아제, 헤미셀룰라아제, 리파아제, 락타아제, 스트렙토키나아제)와 재조합 단백질(예: 인슐린, B형 간염 백신, 인터페론, 과립구 집락자극인자, 스트렙토키나아제) 같은 세포 내 성분을 생산하려면, 발효 공정 후 세포를 용해 / 파쇄하여 원하는 단백질을 방출시켜야 합니다. 초음파 처리는 점성이 높은 균사체 발효액에서 세포 내외의 다당류–단백질 복합체를 쉽게 추출할 수 있게 합니다. 초음파 처리는 뛰어난 추출 수율과 효율 외에도 세포 용해와 세포 내 물질 추출에 널리 확립된 신뢰할 수 있는 방법입니다.
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발효 공정 개선을 위한 초음파 생물반응기

Hielscher Ultrasonics는 세포 자극, 발효, 세포 파쇄 및 추출과 같은 초음파로 촉진하는 생물공정 분야에서 오랜 경험을 보유하고 있습니다. 당사는 배치 및 연속 흐름 방식의 초음파 처리를 위해 다양한 크기와 형상의 표준 초음파 반응기를 제공합니다. 또는 기존 생물반응기에 통합할 수 있는 맞춤형 솔루션도 제공합니다. 당사의 초음파 프로세서는 활용 범위가 매우 넓고 설치에 필요한 공간이 작아 기존 생명공학 생산 설비에도 문제없이 추가 설치할 수 있습니다.
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아래 표는 처리할 배치 부피 또는 유량에 따른 일반적인 장치 권장 사항을 보여줍니다. 각 장치에 대한 자세한 정보를 보려면 장치 유형을 클릭하세요.

문헌/참고문헌

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