Hielscher Ultraschall Technologie

Biosynthetic Production of Human Milk Oligosaccharides

D'Biosynthese vu mënschlechen Mëllech-Oligosacchariden (HMOs) iwwer Fermentatioun oder enzymatesche Reaktiounen ass e komplexen, konsuméierend an dacks niddereg-entgoende Prozess. Ultrasonication erhéicht de Massentransfer tëscht Substrat an Zellfabriken ans stimuléiert Zellwachstum a Stoffwiessel. Doduerch verstäerkt d'Sonikatioun d'Fermentatioun a biochemesch Prozesser, wat zu enger beschleunigter a méi effizient Produktioun vun HMO resultéiert.

Mënschlech Mëllech Oligosacchariden

Mënschemëllech Oligosacchariden (HMOs), och bekannt als mënschlech Mëllech Glykanen, sinn Zockermoleküle, déi gehéieren zu der Oligosachariden Grupp. Prominente Beispiller vun HMOs enthalen 2'-Fucosyllactose (2′-FL), Lakto-N-Neotetraose (LNnT), 3'-Galaktosyllaktose (3′-GL), an Difucosyllactose (DFL).
Während mënschlech Brustmëllech aus méi wéi verschidden 150 HMO Strukture besteet, ginn nëmmen 2′-Fucosyllactose (2′-FL) a Lakto-N-neotetraose (LNnT) aktuell op kommerziellem Niveau produzéiert an als Nahrungsergänzungsadditive an Puppelcheformel benotzt.
Mënschemëllech Oligosacchariden (HMOs) sinn bekannt fir hir Bedeitung bei der Baby Ernärung. Mënschemëllech Oligosacchariden sinn eng eenzegaarteg Aart vun Nährstoffer, déi als Prebiotik handelen, antiklebesche Antimikrobialen an Immunomodulatoren am Darm vum Puppelch an droen substantiell zur Gehirer Entwécklung bäi. HMOs ginn exklusiv an mënschlecher Brustmëllech fonnt; aner Mamendéierenmëllech (z. B. Ku, Geess, Schof, Kaméil asw.) hu keng dës spezifesch Form vun Oligosacchariden.
Mënschemëllech Oligosacchariden sinn déi drëtt meescht reegelméisseg staark Komponent an mënschlech Mëllech, déi entweder a opgeléist oder emulgéiert oder suspendéiert Form a Waasser präsent ka sinn. Laktose a Fettsäuren sinn déi meescht Iwwerflossstoffer, déi an mënschlech Mëllech fonnt ginn. D'HMOen sinn an enger Konzentratioun vun 0,35–0,88 Äerz (9,9–24,9 g) / L. präsent. Ongeféier 200 strukturell ënnerschiddlech mëllechmëllech Oligosachariden sinn bekannt. D'dominant Oligosaccharid an 80% vun alle Fraen ass 2′-fucosyllactose, déi a mënschlecher Broschtmëllech an enger Konzentratioun vu ongeféier 2,5 g / L präsent ass.
Zënter datt d'HMO net verdaut sinn, droen se net kaloresch zu der Ernärung bäi. Si sinn indigestible Kohlenhydraten, si funktionnéieren als Prebiotik a si selektiv fermentéiert duerch wënschenswäert Darm Mikroflora, besonnesch bifidobacteria.

Gesondheetsvirdeeler vu Mënschemëllech Oligosacchariden (HMOs)

  • förderen d'Entwécklung vu Puppelcher
  • sinn wichteg fir Gehir Entwécklung
  • huet anti-inflammatoresch an
  • anti-Klebende Effekter am Magen-Darmtrakt
  • ënnerstëtzt den Immunsystem bei Erwuessene
Ultrasonication and the use of ultrasonic bioreactors (sono-bioreactors) are highly effective to promote mass transfer between substrate and living cells used as cell factories

De Ultraschlächer UIP2000hdT erhéicht de Massentransfer an aktivéiert Zellfabriken fir méi héich Erléisse vu biosynthesiséierte biologesche Moleküle wéi HMOs

Informatiounen ufroen




Notéiert eis Privatsphär Politik.


Biosynthese vu mënschlechen Mëllech Oligosacchariden

Zellfabriken an enzymatesch / chemo-enzymatesche Systemer sinn aktuell Technologien déi fir d'Synthese vun HMOs benotzt ginn. Fir HMO Produktioun op industriellem Plang, d'Fermentatioun vu mikrobiellen Zellfabriken, biochemesch Synthese, a verschidde enzymatesch Reaktiounen si machbar Weeër vun der HMO Bioproduktioun. Aus wirtschaftleche Grënn ass d'Biosynthese iwwer mikrobial Zellfabriken aktuell déi eenzeg Technik déi op industrieller Produktiounsniveau vun HMOs benotzt gëtt.

Fermentatioun vun HMOs mat Hëllef vu mikrobiellen Zellfabriken

E.coli, Saccharomyces cerevisiae a Lactococcus lactis sinn allgemeng Zellfabriken déi fir d'Bioproduktioun vu biologesche Moleküle wéi HMOs benotzt ginn. Fermentatioun ass e biochemesche Prozess mat Hëllef vu Mikroorganismen fir e Substrat an zilorientéierter biologescher Molekülle ze konvertéieren. Mikrobiell Zellfabriken benotzen einfach Zucker als Substrat, déi se an HMOs konvertéieren. Zënter einfache Zucker (zB Laktose) sinn en heefegen, bëllegen Substrat, dat hält de Bio-Syntheseprozess effizient.
Wuessen a Biokonversiounsquote ginn haaptsächlech vum Massentransfer vun Nährstoffer (Substrat) op d'Mikroorganismen beaflosst. De Massentransferrate ass en Haaptfaktor deen d'Produktsynthese bei der Fermentatioun beaflosst. Ultrasonication ass bekannt fir Massentransfer ze förderen.
During fermentation, the conditions in the bioreactor must be constantly monitored and regulated so that the cells can grow as quickly as possible in order to then produce the targeted biomolecules (e.g. oligosaccharides such as HMOs; insulin; recombinant proteins). Theoretically, the product formation starts as soon as the cell culture begins to grow. However especially in genetically modified cells such as engineered microorganisms it is usually induced later by adding a chemical substance to the substrate, which upregulates the expression of the targeted biomolecule. Ultrasonic bioreactors (sono-bioreactor) can be precisely controlled and allow for the specific stimulation of microbes. This results in an accelerated biosynthesis and higher yields.
Ultrasonic lysis and extraction: Fermentation of complex HMOs might be limited by low fermentation titers and products remaining intracellular. Ultrasonic lysis and extraction is used to release intracellular material before purification and down-stream processes.

Ultrasonically gefördert Fermentatioun

The growth rate of microbes such as Escherichia coli, engineered E.coli, Saccharomyces cerevisiae and Lactococcus lactis can be accelerated by increasing the mass transfer rate and cell wall permeability by applying controlled low-frequency ultrasonication. As a mild, non-thermal processing technique, ultrasonication applies purely mechanical forces into the fermentation broth.
Acoustic Cavitation: The working principle of sonication is based on acoustic cavitation. The ultrasonic probe (sonotrode) couples low-frequency ultrasound d waves into the medium. The ultrasound waves travel through the liquid creating alternating high-pressure (compression) / low-pressure (rarefaction) cycles. By compressing and stretching the liquid in alternating cycles, minute vacuum bubbles arise. These small vacuum bubbles grow over several cycles until they reach a size where they cannot absorb any further energy. At this point of maximum growth, the vacuum bubble implodes violently and generates locally extreme conditions, known as the phenomenon of cavitation. In the cavitational “hot-spot”, high pressure and temperature differentials and intense shear forces with liquid jets of up to 280m/sec can be observed. By these cavitational effects, thorough mass transfer and sonoporation (the perforation of cell walls and cell membranes) is achieved. The nutrients of the substrate are floated to and into the living whole cells, so that the cell factories are optimally nourished and growth as well as conversion rates are accelerated. Ultrasonic bioreactors are a simple, yet highly effective strategy to process biomass in a one-pot biosynthesis process.
Eng präzis kontrolléiert, mild Sonikatioun ass bekannt fir d'Fermentatiounsprozesser ze verstäerken.
Sonication verbessert "d'Produktivitéit vu ville Bioprozesser, déi lieweg Zelle betreffen iwwer d'Vergréisserung vun der Substratopnahmung, eng verstäerkte Produktioun oder de Wuesstum andeems d'Zellporositéit erhéicht gëtt, a potenziell verstäerkte Verëffentlechung vun Zellkomponenten." (Naveena et al. 2015)
Read more about ultrasonically-assisted fermentation!
Virdeeler vun der Ultrasonically verstäerkter Fermentatioun

  • fräi nozeginn
  • Beschleunegt Fermentatioun
  • Zellspezifesch Stimulatioun
  • Erweidert Substrat Upassung
  • Geklomm Zell Porositéit
  • einfach ze bedreiwen
  • Safe
  • Einfach Retro-Fitting
  • Linearschrëft
  • Batch oder InIine Veraarbechtung
  • séier ROI

Naveena et al. (2015) fonnt datt d'Ultrasonic Intensivéierung verschidde Virdeeler bitt während der Bioveraarbechtung, och niddereg Operatiounskäschten am Verglach mat anere verstäerkte Behandlungsoptiounen, Einfachheet vun der Operatioun a bescheidener Kraaftfuerderungen.

Agitated ultrasonic tank (sono-bioreactor) for batch processing

Tank mat 8kW Ultrasonicatoren an Agiter

High-Performance Ultrasonic Fermentatiounsreaktoren

Fermentatiounsprozesser involvéiere lieweg Mikroorganismen wéi Bakterien oder Hef, déi als Zellfabriken fonktionnéieren. Wann d'Sonikatioun applizéiert gëtt fir de Massentransfer z'entwéckelen an de Wuesstum an d'Konversiounsrate vum Mikroorganismus z'erhéijen, ass et entscheedend d'Ultrasonic Intensitéit ze kontrolléieren genau fir d'Zerstéierung vun den Zellfabriken ze vermeiden.
Hielscher Ultrasonics ass Spezialist am Design, Fabrikatioun a Verdeelung vu performanten Ultrasonicatoren, déi präzis kontrolléiert an iwwerwaacht kënne ginn, fir eng uerdentlech Fermentatiounsausbezuelung ze garantéieren.
Genau Kontroll iwwer den Ultraschallprozess Parameter vun Hielscher Ultrasonics' intelligent SoftwareProzess Kontroll ass net nëmme wesentlech fir héich Ausbezuelen an enger super Qualitéit, awer et erméiglecht d'Resultater ze widderhuelen an ze reproduzéieren. Besonnesch wann et zu der Stimulatioun vun Zellfabriken kënnt, ass d'Zellspezifesch Upassung vun de Sonikatiounsparameter essentiell fir héich Ausbezuelen z'erreechen an d'Zelldegradatioun ze vermeiden. Dofir sinn all digital Modeller vun Hielscher Ultrasonicatoren mat intelligenter Software ausgestatt, wat Iech erlaabt d'Sonikatiounsparameter unzepassen, ze iwwerwaachen an z'änneren. Ultrasonic Prozessparameter wéi Amplitude, Temperatur, Drock, Sonikatiounsdauer, Flicht Zyklen, an Energieinput si wesentlech fir HMO Produktioun iwwer Fermentatioun ze förderen.
Déi schlau Software vun Hielscher Ultrasonicators registréiert automatesch all wichteg Prozessparameter op der integréierter SD-Kaart. Déi automatesch Datenregistréierung vum Sonikatiounsprozess sinn d'Fëllementer fir Prozess Standardiséierung a Reproducibilitéit / Widderhuelbarkeet, déi fir Good Manufacturing Practices (GMP) erfuerderlech sinn.

Hielscher Ultrasonics Cascatrode

KascatrodeTM an engem Ultrasonic Flowzellreaktor

Ultrasonic Rektoren fir Fermentatioun

Hielscher Ultrasonics CascatrodeHielscher offers ultrasonic probes of various size, length and geometries, which can be used for batch as well as continuous flow-through treatments. Ultrasonic reactors, also known as sono-bioreactors, are available for any volume covering the ultrasonic bioprocessing from small lab samples to pilot and fully-commercial production level.
Et ass bekannt datt d'Location vun der Ultraschall Sonotrode am Reaktiounsfaarf d'Verdeelung vu Kavitatioun a Mikro-Streaming am Medium beaflosst. Sonotrode an Ultraschallreaktor sollten am Aklang mat dem Veraarbechtungsvolumen vun der Zell Bouillon gewielt ginn. Souwuel d'Sonikéierung kann am Batch wéi och am kontinuéierleche Modus ausgefouert ginn, fir héich Produktionsvolumen ass d'Benotzung vun enger Dauerflossinstallatioun recommandéiert. Passéiert duerch eng Ultrasonic Flowzell, kritt all Zellmedium exakt déiselwecht Belaaschtung fir d'Sonikatioun déi déi effektiv Behandlung garantéiert. Hielscher Ultrasonics breet Palette vun Ultraschallsonde a Flosszellreaktoren erlaabt et den ideale Ultraschall Bioprozessiouns-Setup ze montéieren.

Hielscher Ultrasonics – Vu Lab bis Pilot bis Produktioun

Hielscher Ultrasonics deckt de komplette Spektrum vun Ultrasonic Ausrüstung bitt kompakt handheld Ultrasonic Homogeniséierer fir Probepräparatioun op Bench-Top a Pilotsystemer wéi och mächteg industriell Ultraschall Eenheeten déi einfach truckloads pro Stonn veraarbecht hunn. Si versatile a flexibel an Installatiouns- an Montageméiglechkeeten, Hielscher Ultrasonicatoren kënne ganz einfach an all Zort vu Batchreaktoren, gefüttert Batches oder kontinuéierter Duerchféierungs Setups integréiert ginn.
Verschidde Accessoiren souwéi personaliséiert Deeler erlaben déi ideal Upassung vun Ärem Ultraschall-Setup un Äre Prozessbedéngungen.
Gebaut fir 24/7 Operatioun ënner voller Belaaschtung a schwéier Pflicht an erfuerderleche Konditiounen, Hielscher Ultraschallprozesser sinn zouverlässeg a brauche nëmme wéineg Ënnerhalt.
D'Tabellner ënnert Iech en Indikatioun vun der ongeféieren Veraarbechtkapazitéit vun eisem Ultraschall:

Konte gefouert QShortcut Duerchflossrate recommandéiert Comments
1 bis 500mL 10 bis 200mL / min UP100H
10 bis 2000mL 20 bis 400mL / min UP200Ht, An UP400St
0.1 bis 20L 0.2 bis 4L / min UIP2000hdT
10 bis 100L 2 bis 10L / min UIP4000hdT
na 10 bis 100L / min UIP16000
na méi grouss Stärekoup vun UIP16000

Kontaktéiert eis! / Frot eis!

Frot méi Informatiounen

W.e.g. benotzt d'Form hei ënnen fir zousätzlech Informatiounen iwwer Ultrasonic Prozessoren, Uwendungen a Präis ze froen. Mir freeën eis Äre Prozess mat Iech ze diskutéieren an Iech en Ultrasonic System unzebidden, deen Är Ufuerderungen entsprécht!










Hielscher Ultrasonics fabrizéiert héich performant Ultraschall Homogeniséierer fir Dispersioun, Emulsifizéierung a Zell Extraktioun.

Héichkraaft ultrasonic Homogenisatoren vu Labo ze Pilot an Industrie Skala.

Literatur / Referenzen



Fakten Wësse wat weess

Biosynthesis using Cell Factories

A microbial cell factory is a method of bioengineering, which utilizes microbial cells as a production facility. By genetically engineering microbes, the DNA of microorganisms such as bacteria, yeasts, fungi, mammalian cells, or algae is modified turning microbes into cell factories. Cell factories are used to convert substrates into valuable biological molecules, which are used e.g. in food, pharma, chemistry and fuel production. Different strategies of cell factory-based biosynthesis aim at the production of native metabolites, expression of heterologous biosynthetic pathways, or protein expression.
Cell factories can be used to either synthesize native metabolites, to express heterologous biosynthetic pathways, or to express proteins.

Biosynthesis of native metabolites

Native metabolites are defined as biological molecules, which the cells used as cell factory produce naturally. Cell factories produce these biological molecules either intracellularly or a secreted substance. The latter is preferred since it facilitates the separation and purification of the targeted compounds. Examples for native metabolites are amino and nucleic acids, antibiotics, vitamins, enzymes, bioactive compounds, and proteins produced from anabolic pathways of cell.

Heterologus Biosynthetic Pathways

When trying to produce an interesting compound, one of the most important decisions is the choice of production in the native host, and optimize this host, or transfer of the pathway to another well-known host. If the original host can be adapted to an industrial fermentation process, and there are no health-related risks in doing so (e.g., production of toxic by-products), this can be a preferred strategy (as was the case e.g., for penicillin). However, in many modern cases, the potential of using an industrially preferred cell factory and related platform processes out-weighs the difficulty of transferring the pathway.

Protein Expression

The expression of proteins can be achieved via homologous and heterologous ways. In homologous expression, a gene that is naturally present in an organism is over-expressed. Through this over-expression, a higher yield of a certain biological molecule can be produced. For heterologous expression, a specific gene is transferred into a host cell in that the gene is not present naturally. Using cell engineering and recombinant DNA technology, the gene is inserted into the host’s DNA so that the host cell produces (large) amounts of a protein that it would not produce naturally. Protein expression is done in a variety of hosts from bacteria, e.g. E. coli and Bacillis subtilis, yeasts, e.g., Klyuveromyces lactis, Pichia pastoris, S. cerevisiae, filamentous fungi, e.g. as A. niger, and cells derived from multicellular organisms such as mammals and insects. Innummerous proteins are of great commercial interest, including from bulk enzymes, complex bio-pharmaceuticals, diagnostics and research reagents. (cf. A.M. Davy et al. 2017)