Ultraschallbioreaktere fir d’Fermentatioun

Ultraschall ass en effikasst Mëttel, fir Mikroorganismen duerch mechanesch Schwéngungen a Kavitation ze stimuléieren. An engem Sonobioreakter / Ultraschallfermenter léisst sech d’Ultraschallbehandlung vun Zellen a Gewëss ganz präzis kontrolléieren, well d’Ëmweltfacteure genee bestëmmt kënne ginn. Mat Ultraschallbioreaktere kann d’Fermentatiounsleeschtung däitlech gesteigert ginn.

Fermentatioun

D’Effizienz vun der Fermentatioun hänkt vun de Prozessbedéngungen of: Närstoffer, d’Dicht vum Medium, d’Temperatur, de Sauerstoff- / Gasgehalt an den Drock si wichteg Facteuren, déi d’mikrobiell Aktivitéit beaflossen. Mikroorganismen a Mamendéierenzelle gedeien nëmmen ënner bestëmmte Bedéngungen. Déi richteg Bedéngunge kënnen a Kombinatioun mat Ultraschallstimulatioun d’Ausbeut vun der Fermentatioun maximéieren.

Ultraschallstimulatioun vu Mikroorganismen

Fermentatioun ass e Stoffwiesselprozess, deen Zocker a Saieren, Gasen oder Alkohol ëmwandelt. Si fënnt an Hiefen a Bakterien statt, an och a Muskelzellen, déi net genuch Sauerstoff kréien, wéi bei der Mëllechsaierfermentatioun. De Begrëff Fermentatioun gëtt och an engem méi breede Sënn fir d’massenhaft Vermehrung vu Mikroorganismen op engem Wuesstumsmedium benotzt, dacks mam Zil, e bestëmmt cheemescht Produkt hierzestellen.
Fermentatiounsprozesser ginn am industrielle Moossstaf mat Mikroorganismen ewéi Bakterien a Pilzen duerchgefouert. Fermentéiert Produkter ginn an der Liewensmëttelindustrie an an der Industrie am Allgemenge benotzt. Chemikalien ewéi Essigsaier, Zitrounesaier an Ethanol ginn duerch Fermentatioun hiergestallt. D’Fermentatiounsvitesse gëtt vun der Konzentratioun vu Mikroorganismen, Zellen, Zellbestanddeeler an Enzymer souwéi vun der Temperatur an dem pH-Wäert beaflosst. Bei der aerober Fermentatioun ass och Sauerstoff e Schlësselfacteur. Bal all kommerziell hiergestallt Enzymer, ewéi Lipase, Invertase a Lab, ginn duerch Fermentatioun mat genetesch verännerte Mikroben hiergestallt.

• Produktioun vu Biomass (liewensfäegt Zellmaterial)
• Produktioun vun extrazelluläre Metabolitten (cheemesch Verbindungen)
• Produktioun vun intrazelluläre Bestanddeeler (Enzymer an aner Proteinnen)
• Ëmwandlung vum Substrat (bei där dat ëmgewandelt Substrat selwer d’Produkt ass)

Beschallung mat Ultraschall virun, wärend an no der Fermentatioun

D’Beschallung mat Ultraschall, also d’Applikatioun vun Ultraschallwelle mat niddreger Frequenz, ka virun, wärend an no der Fermentatioun op verschidde Manéieren an a verschiddenen Etappe vum Fermentatiounsprozess agesat ginn.

Ultraschallbehandlung virun der Fermentatioun – Verbesserung vun der Disponibilitéit vun der Biomass

1. Verbesserte Stofftransport: D’Beschallung mat Ultraschall gëtt als Virbehandlung agesat, fir de Stofftransport ze fërderen an de Mikroben d’Substrat méi zougänglech ze maachen. D’Mësche mat Ultraschall fërdert den Transport vu Substrater bei d’mikrobiell Zellen a vu Produkter vun dësen Zellen ewech. D’Intensivéierung vum Stofftransport duerch Ultraschall kann als Virbehandlung souwéi wärend der Fermentatioun agesat ginn.
2. Zellopschloss: D’Beschallung mat Ultraschall kann agesat ginn, fir Zellwänn a Membranen opzebriechen, besonnesch a mikrobielle Kulturen oder Hiefkulturen. Dëst hëlleft, intrazellulär Bestanddeeler ewéi Enzymer oder Metabolitte fräizesetzen, wat d’Fermentatiounsleeschtung verbesseren oder nogelagert Prozesser erliichtere kann.
3. Extraktioun vun intrazelluläre Verbindungen: D’Beschallung mat Ultraschall ka bei der Extraktioun vun intrazelluläre Verbindungen aus biologesche Materialie virun der Fermentatioun hëllefen. Dozou gehéiert d’Extraktioun vun Enzymer, Proteinnen, Nukleinsaieren oder aneren Zilverbindungen aus Zellen, Gewëss oder Planzematerial fir den uschléissenden Asaz a Fermentatiounsprozesser.

Zum Beispill gouf eng Ultraschallvirbehandlung vu Räisschuele benotzt, fir d’enzymatesch Hydrolys fir d’Produktioun vu Xylooligosacchariden duerch Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1) ze verbesseren. Duerch d’Ultraschallbehandlung gouf d’Produktioun vu cellulolyteschen a xylanolyteschen Enzymen aus de Räisschuele wesentlech gesteigert. Den Hemicellulose-Rendement gouf ënner Ultraschallbehandlung op dat 1,4-Facht erhéicht, an d’Produktiounszäit gouf bei 80ºC staark vu 24 h op 1,5 h verkierzt – mat weiderem Potenzial fir d’Optimiséierung vum Prozess. D’Pilze kënnen d’Biomass, déi mat Ultraschall behandelt gouf, vill méi einfach ëmwandelen, sou datt d’Stabilitéit vun der Enzymaktivitéit méi laang erhale bleift an d’Aktivitéit vu CMCase, b-Glucosidase a Xylanase am Verglach zu de Räisschuelen, déi net mat Ultraschall behandelt goufen, erhéicht gëtt. D’Endprodukter vun der Fermentatioun ware Xylotetraose, Xylohexaose a Xylooligosaccharide mat méi héijem Molekulargewiicht. De Xylohexaose-Rendement aus de Räisschuelen, déi mat Ultraschall behandelt goufen, war 80% méi héich.

Ultraschallënnerstëtzt Fermentatioun – Stimulatioun vu Mikroben

• Mëschen an Homogeniséierung: D’Ultraschallbehandlung kann als Mëschtechnik wärend der Fermentatioun agesat ginn. D’Uwendung vun Ultraschallwellen hëlleft, Mikrostréimungen ze erzeugen, a fërdert d’Homogenitéit, wouduerch eng gläichméisseg Verdeelung vun Nährstoffer, Gasen a Mikroorganismen am Fermentatiounsbehälter garantéiert gëtt.
• Verbesserung vum Stofftransport: Mat verbessertem Mëschen an enger verbesserter Homogeniséierung sinn déi duerch Ultraschall verbesserte Stofftransportraten wärend der Fermentatioun verbonnen. Ultraschallschwéngungen a Kavitatioun erzeugen lokal Turbulenzen a verbesseren d’Diffusioun vu Substrater, Gasen an Nährstoffer an d’Fermentatiounsbritt. Dëst kann d’Gesamteffizienz an d’Produktivitéit vum Fermentatiounsprozess verbesseren.
• Verbesserung vun der Liewensfäegkeet vun den Zellen an der metabolescher Aktivitéit: D’Ultraschallbehandlung kann op mikrobiell Kulture wärend der Fermentatioun applizéiert ginn, fir d’Liewensfäegkeet vun den Zellen an d’metabolesch Aktivitéit ze verbesseren. Eng douce Ultraschallbehandlung ka bestëmmte Mikroorganisme stimuléieren an dobäi de Wuesstem, d’Biomassproduktioun an d’Synthees vu gewënschte Metabolitten oder Fermentatiounsprodukter fërderen.

Eng präzis kontrolléierbar a widderhuelbar Ultraschallbehandlung hëlleft, d’Produktivitéit vu verschiddene Fermentatiounsprozesser ze verbesseren, ouni d’Zellen ze beschiedegen. D’Intensitéit vun der Ultraschallbehandlung kann exakt un déi spezifesch Zellaart an hir Ufuerderungen ugepasst ginn. Duerch eng kontrolléiert Ultraschallbehandlung ginn den Zellwuesstem an de Stoffwiessel positiv beaflosst, an d’Ëmwandlungen, déi vu liewegen Zelle katalyséiert ginn, gi wesentlech verbessert, z. B. duerch d’Stimulatioun vu Bifidobakterien a Mëllech.
Bei verschiddene Fermentatiounsprozesser, déi vu Pilze bedriwwe ginn, gëtt d’Ultraschallbehandlung erfollegräich agesat, fir d’Wuesstemsmorphologie an d’Rheologie vun der Fermentatiounsbritt ze veränneren, ouni d’Wuesstemsrate an de Rendement vu filamentéise Pilzen ze beaflossen.

Ultraschallbehandlung no der Fermentatioun

• Zellernte an Trennung: D’Ultraschallbehandlung kann d’Zellernte an d’Trennung no der Fermentatioun ënnerstëtzen. Si kann hëllefen, Zellaggregater, Flockungsmëttel oder Biofilmer opzebriechen, an doduerch d’Fräisetzung vun Zellen aus der Fermentatiounsbritt erliichteren. Dëst vereinfacht uschléissend Veraarbechtungsschrëtt, wéi d’Réckgewënnung vun Zellen oder d’Rengegung vum Produkt.
• Extraktioun vun intrazelluläre Produkter: No der Fermentatioun kann d’Ultraschallbehandlung benotzt ginn, fir intrazellulär Produkter, wéi Enzymen, Proteinnen oder sekundär Metabolitten, aus mikrobieller oder zellulärer Biomass ze extrahéieren. Dësen Extraktiounsprozess hëlleft, wäertvoll Verbindungen zeréckzegewannen, a verbessert de Gesamtrendement vum Fermentatiounsprozess.
• Zellopbroch fir analytesch Zwecker: D’Ultraschallbehandlung kann agesat ginn, fir Zellen oder mikrobiell Prouwen no der Fermentatioun opzebriechen, besonnesch fir analytesch Zwecker. Si ënnerstëtzt d’Zelllys an d’Fräisetzung vum intrazellulären Inhalt, wat d’Analys vun zelluläre Bestanddeeler oder d’Duerchféierung vun uschléissenden Assayen erliichtert.

Fir d’Produktioun vun intrazelluläre Bestanddeeler wéi mikrobiellen Enzymen (z. B. Katalase, Amylase, Protease, Pektinase, Glukosisomerase, Cellulase, Hemicellulase, Lipase, Laktase, Streptokinase) a rekombinante Proteinnen (z. B. Insulin, Hepatitis-B-Impfstoff, Interferon, Granulozytte-Kolonie-stimuléierende Faktor, Streptokinase) mussen d’Zellen nom Fermentatiounsprozess lyséiert / opgebrach ginn, fir déi gewënscht Proteinne fräizesetzen. Duerch d’Ultraschallbehandlung gëtt d’Extraktioun vun den intrazellulären an extrazelluläre Polysaccharid–Protein-Komplexer aus der viskoser myzelialer Fermentatiounsbritt erliichtert. Nieft hirer aussergewéinlecher Extraktiounsausbezuelung an Effizienz ass d’Ultraschallbehandlung fir d’Zelllys an d’Extraktioun vun intrazellulärem Material gutt etabléiert an zouverlässeg.
Klickt hei, fir méi iwwer d’Ultraschalllys an d’Extraktioun ze liesen!

Ultraschallbioreaktore fir verbessert Fermentatiounsprozesser

Hielscher Ultrasonics huet laangjäreg Erfarung mat ultraschallstimuléierte Bioprozesser wéi Zellstimulatioun, Fermentatioun, Zellopbroch an Extraktioun. Mir bidden ënnerschiddlech Standard-Ultraschallreaktore mat verschiddene Gréissten a Geometrie fir d’Ultraschallbehandlung am Chargen- an Duerchflossbetrib un. Alternativ bidde mir personaliséiert Léisunge fir d’Integratioun an Äre bestoende Bioreakter un. Well eis Ultraschallprozessoren immens villsäiteg sinn a just wéineg Plaz brauchen, kënne bestoend biotechnologesch Anlagen ouni Problemer nogerëscht ginn.
Liest hei méi iwwer d’Typpen, d’Bauformen an d’Uwendunge vun Ultraschallreaktoren!
D’Tabell hei ënnendrënner weist allgemeng Recommandatioune fir Apparater jee nom Chargevolumen oder der Duerchflossrate, déi verschafft soll ginn. Klickt op den Apparattyp, fir méi Informatiounen iwwer all Apparat ze kréien.

Literatur/Referenzen

• 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.