발효를위한 초음파 생물 반응기

초음파는 기계적 진동과 캐비테이션에 의해 미생물을 자극하는 효과적인 수단입니다. 초음파 반응기 / 초음파 퍼멘터에서, 환경 적 요인을 정확하게 결정할 수 있기 때문에 세포 및 조직의 초음파 치료는 매우 제어 할 수있게된다. 초음파 생물 반응기의 경우 발효 출력을 크게 향상시킬 수 있습니다.

발효

발효의 효율은 공정 조건에 달려 있습니다 : 영양소, 배지의 밀도, 온도, 산소 / 가스 함량 및 압력은 미생물 활동에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 미생물과 포유류 세포는 특정 조건에서만 번성합니다. 초음파 자극과 결합 된 올바른 조건은 발효 수율을 극대화 할 수 있습니다.

미생물의 초음파 자극

UP400ST는 질량 전달 및 자극 미생물 세포 성장을 개선하여 발효를 강화하는 데 사용되는 초음파 균질화입니다.발효는 설탕을 산, 가스 또는 알코올로 전환시키는 대사 과정입니다. 이것은 유산균 발효의 경우와 마찬가지로 효모 및 박테리아에서, 그리고 산소 결핍 된 근육 세포에서도 발생합니다. 발효는 또한 종종 특정 화학 제품을 생산한다는 목표하에 성장 매개체상의 미생물의 벌크 성장을 지칭하기 위해보다 광범위하게 사용됩니다.
발효 공정은 발효를위한 박테리아 및 곰팡이와 같은 미생물을 사용하여 산업적 규모로 수행됩니다. 발효 식품은 식품 및 일반 산업에서 사용됩니다. 아세트산, 구연산 및 에탄올과 같은 화학 물질은 발효에 의해 생산됩니다. 발효율은 미생물, 세포, 세포 성분, 효소의 농도, 온도, pH에 영향을받습니다. 호기성 발효를 위해서는 산소도 핵심 요소입니다. 거의 모든 상업적으로 생산 된 효소, 예를 들어 리파아제, 인버 타아 제 및 렌 넷은 유 전적으로 변형 된 미생물에 의한 발효에 의해 제조된다.
 
일반적으로 발효는 4가지 공정 유형/단계로 나눌 수 있습니다.

  • 바이오 매스 (살아있는 세포 물질)
  • 세포 외 대사 물질의 생산
  • 세포 내 구성 요소 (효소 및 기타 단백질) 생산
  • 기판의 변형 (변형 된 기판 자체가 생성물 임)
교반 배치 반응기를 가진 초음파 프로세서 UIP2000hdT (2kW)

초음파 균질 기 UIP2000hdT (2kW) 배치 반응기

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발효 전, 발효 중 및 발효 후 초음파 처리

초음파 처리, 저주파 초음파의 적용은 발효 전, 도중 및 후에 다양한 방법으로 발효 과정의 여러 단계에서 사용할 수 있습니다.

초음파 사전 발효 처리 – 바이오 매스 이용 가능성 향상

  1. 향상된 질량 전달: 전처리로서의 초음파 처리는 대량 전달을 촉진하고 기판을 미생물에 더 많이 사용할 수 있도록 하는 데 사용됩니다. 초음파 혼합은 미생물 세포로부터 멀리 기판및 제품의 질량 전송을 촉진합니다. 대량 전달의 초음파 강화는 발효 중뿐만 아니라 전처리로 적용 될 수있다.
  2. 세포 파괴: 초음파 처리는 특히 미생물 또는 효모 배양에서 세포벽과 막을 방해하는 데 사용할 수 있습니다. 이는 효소 또는 대사 산물과 같은 세포 내 구성 요소를 방출하는 데 도움이 되며, 이는 발효 성능을 향상시키거나 다운스트림 프로세스를 촉진할 수 있습니다.
  3. 세포 내 화합물의 추출 : 초음파 처리는 발효 전에 생물학적 물질에서 세포 내 화합물을 추출하는 데 도움이 될 수 있습니다. 여기에는 발효 공정에서 후속 사용을 위해 세포, 조직 또는 식물 재료에서 효소, 단백질, 핵산 또는 기타 표적 화합물을 추출하는 것이 포함됩니다.

예를 들어, 왕겨의 초음파 전처리는 Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1)에 의한 자일로올리고당 생산을위한 효소 가수 분해를 향상시키는 데 사용되었습니다. 초음파 처리에 의해, 쌀 껍질에서 셀룰로오스 분해 및 xylanolytic 효소의 생산이 크게 향상되었다. 헤미셀룰로오스 수율은 초음파 처리 하에서 1.4 배로 증가했으며 생산 시간은 80ºC에서 24 시간에서 1.5 시간으로 크게 단축되었습니다 – 프로세스 최적화의 잠재력이 더 커졌습니다. 초음파 처리 된 바이오 매스는 효소 활성의 안정성이 연장되고 CMCase, b-glucosidase 및 xylanase의 활성이 비 - 초음파 처리 된 벼 선체에 비해 증가되도록 곰팡이에 대해 훨씬 쉽게 전환 가능합니다. 최종 발효 생성물은 크 실로 테트라 오스, 크 실로 헥사 오즈 및 고 분자량 크 실로 올리고당이었다. 초음파 처리 된 벼리에서 자일로 헥사 오스 수율은 80 % 높았다.

초음파 보조 발효 – 미생물의 자극

  • 혼합 및 균질화: 초음파 처리는 발효 중에 혼합 기술로 사용할 수 있습니다. 초음파의 적용은 마이크로 스트리밍을 생성하고 균질성을 촉진하여 발효 용기 내에서 영양소, 가스 및 미생물의 균일 한 분포를 보장합니다.
  • 대량 전달의 향상: 개선된 혼합 및 균질화와 관련된 것은 발효 동안 초음파로 개선된 질량 전달 속도입니다. 초음파 진동 및 캐비테이션은 국부적 인 난류를 만들고 기질, 가스 및 영양소의 확산을 발효액으로 향상시킵니다. 이는 발효 공정의 전반적인 효율성과 생산성을 향상시킬 수 있습니다.
  • 세포 생존율 및 대사 활동 개선: 초음파 처리는 세포 생존력과 대사 활동을 향상시키기 위해 발효 중 미생물 배양에 적용될 수 있습니다. 온화한 초음파 처리는 특정 미생물을 자극하여 성장, 바이오 매스 생산 및 원하는 대사 산물 또는 발효 산물의 합성을 촉진 할 수 있습니다.

Hielscher's ultrasonicators are used to intensify fermentation processes, e.g. the biosynthesis of proteins정확하게 제어 및 반복 가능한 초음파 처리는 세포를 손상시키지 않으면 서 다양한 발효 공정의 생산성을 향상시키는 데 도움이됩니다. 초음파 처리 강도는 특정 세포 종과 그 요구 사항에 정확하게 적용될 수 있습니다. 조절 된 초음파 처리로 세포 성장 및 대사에 긍정적 인 영향을 미치고 생균이 촉매 작용을하는 전환이 크게 개선됩니다 (예 : 우유 내 Bifidobacteria 자극).
일부 곰팡이에 의한 발효 과정에서 섬유질 진균의 성장 속도와 수확량에 영향을 미치지 않으면 서 성장 형태 및 유청 물 리올 로지를 수정하기 위해 초음파 처리가 성공적으로 사용됩니다.

초음파 발효 후 처리

  • 세포 수확 및 분리: 초음파 처리는 발효 후 세포 수확 및 분리를 도울 수 있습니다. 세포 응집체, 응집제 또는 생물막을 파괴하는 데 도움이 되어 발효액에서 세포 방출을 촉진할 수 있습니다. 이는 세포 회수 또는 제품 정제와 같은 후속 다운스트림 프로세스를 단순화합니다.
  • 세포 내 산물의 추출 : 발효 후, 초음파 처리는 미생물 또는 세포 바이오매스로부터 효소, 단백질 또는 2차 대사 산물과 같은 세포 내 생성물을 추출하는 데 사용할 수 있습니다. 이 추출 공정은 귀중한 화합물을 회수하고 발효 공정의 전체 수율을 향상시키는 데 도움이 됩니다.
  • 분석 목적의 세포 분해: 초음파 처리는 발효 후 특히 분석 목적으로 세포 또는 미생물 샘플을 파괴하는 데 적용될 수 있습니다. 세포 용해 및 세포 내 내용물의 방출을 돕고 세포 구성 요소의 분석을 용이하게 하거나 다운스트림 분석을 수행합니다.

미생물 효소 (예 : 카탈라아제, 아밀라아제, 프로 테아 제, 펙 티나 ​​제, 포도당 이소 메라 아제, 셀룰라아제, 헤미 셀룰라아제, 리파아제, 락타아제, 스트렙토 키나아제) 및 재조합 단백질 (예 : 인슐린, B 형 간염 백신, 인터페론, 과립구 콜로니 자극 factor, 스트렙토 키나아제 (streptokinase)), 세포는 원하는 단백질을 방출하기 위해 발효 공정 후에 용해 / 파쇄되어야한다. 초음파 처리에 의해 점성 균사 발효액으로부터 세포 내 및 세포 외 다당체 - 단백질 복합체의 추출이 용이해진다. 탁월한 추출 수율 및 효율 외에도, 초음파 분해는 세포 용해 및 세포 내 물질의 추출을 위해 잘 확립되고 신뢰할 수 있습니다.
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개선된 발효 공정을 위한 초음파 생물 반응기

Hielscher 초음파는 세포 자극, 발효, 세포 파괴 및 추출과 같은 초음파 자극 바이오 프로세스에 오랜 경험을 가지고 있습니다. 우리는 배치 및 플로우 스루 모드에서 초음파 처리를 위해 다양한 크기와 형상의 다양한 표준 초음파 반응기를 제공합니다. 또는 기존 바이오리액터에 통합하기 위한 맞춤형 솔루션을 제공합니다. 우리의 초음파 프로세서는 매우 다재다능하고 작은 공간만 필요로 하기 때문에 기존 생명 공학 공장에 개조하는 것은 문제 없이 실현될 수 있습니다.
초음파 반응기 유형, 설계 및 응용 분야에 대한 자세한 내용은 여기를 참조하십시오!
아래 표는 처리 할 배치 볼륨 또는 유속에 따른 일반적인 장치 권장 사항을 나타냅니다. 각 장치에 대한 자세한 정보를 보려면 장치 유형을 클릭하십시오.

일괄 볼륨 유량 권장 장치
0.5 ~ 1.5mL N.A. 유리 병
1 ~ 500mL 10 ~ 200mL / min UP100H
10 ~ 2000mL 20 ~ 400 mL / min UP200Ht, UP400S
0.1 ~ 20L 0.2 ~ 4L / min UIP1000hdT, UIP2000hdT
10 ~ 100L 2 ~ 10L / min UIP4000
N.A. 10 ~ 100L / min UIP16000
N.A. 더 큰 의 클러스터 UIP16000

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문학 / 참고 문헌

Hielscher 초음파는 분산, 유화 및 세포 추출을위한 고성능 초음파 균질화제를 제조합니다.

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