Cilvēka piena oligosaharīdu biosintētiskā ražošana

Cilvēka piena oligosaharīdu (HMO) biosintēze fermentācijas vai fermentatīvo reakciju ceļā ir sarežģīts, patērējošs un bieži vien zemas ražības process. Ultrasonication palielina masas pārnesi starp substrātu un šūnu rūpnīcām ans stimulē šūnu augšanu un vielmaiņu. Tādējādi ultraskaņas apstrāde pastiprina fermentācijas un bioķīmiskos procesus, kā rezultātā tiek paātrināta un efektīvāka HMO ražošana.

cilvēka piena oligosaharīdi

Human milk oligosaccharides (HMOs), also known as human milk glycans, are sugar molecules, that are part of the oligosaccharides group. Prominent examples of HMOs include 2′-fucosyllactose (2′-FL), lacto-N-neotetraose (LNnT), 3′-galactosyllactose (3′-GL) un difukozillaktozi (DFL).
Lai gan cilvēka mātes piens sastāv no vairāk nekā dažādām 150 HMO struktūrām, tikai 2′-fukozillaktoze (2′-FL) un lakto-N-neotetraoze (LNnT) pašlaik tiek ražoti komerciālā līmenī un tiek izmantoti kā uzturfizioloģiskās piedevas maisījumos zīdaiņiem.
Human milk oligosaccharides (HMOs) are known for their significance in baby nutrition. Human milk oligosaccharides are a unique type of nutrients, which act as prebiotics, anti-adhesive antimicrobials, and immunomodulators within the infant’s gut and contribute substantially to the brain development. HMOs are exclusively found in human breast milk; other mammalian milks ( e.g. cow, goat, sheep, camel etc.) do not have these specific form of oligosaccharides.
Cilvēka piena oligosaharīdi ir trešā bagātīgākā cietā sastāvdaļa cilvēka pienā, kas var būt izšķīdinātā vai emulģētā vai suspendētā veidā ūdenī. Laktoze un taukskābes ir visbagātākās cietās vielas, kas atrodamas cilvēka pienā. HMO ir 0,35–0,88 unces (9,9–24,9 g)/ L. Ir zināmi aptuveni 200 strukturāli atšķirīgi cilvēka piena oligosaharīdi. Dominējošais oligosaharīds 80% no visām sievietēm ir 2′-fukozillaktozi, kas ir cilvēka pienā ar koncentrāciju aptuveni 2,5 g/l.
Tā kā HMO netiek sagremoti, tie neveicina kaloriju veidošanos uzturā. Būdami nesagremojami ogļhidrāti, tie darbojas kā prebiotikas un tos selektīvi fermentē vēlamā zarnu mikroflora, īpaši bifidobaktērijas.

Cilvēka piena oligosaharīdu biosintēze

Šūnu rūpnīcas un fermentatīvās? ķīmij-fermentatīvās sistēmas ir pašreizējās tehnoloģijas, ko izmanto HMO sintēzei. HMO ražošanai rūpnieciskā mērogā mikrobu šūnu rūpnīcu fermentācija, bioķīmiskā sintēze un dažādas fermentatīvās reakcijas ir iespējamie HMO bioloģiskās ražošanas veidi. Ekonomisku iemeslu dēļ bioloģiskā sintēze, izmantojot mikrobu šūnu rūpnīcas, pašlaik ir vienīgā metode, ko izmanto HMO rūpnieciskās ražošanas līmenī.

HMO fermentācija, izmantojot mikrobu šūnu rūpnīcas

E.coli, Saccharomyces cerevisiae un Lactococcus lactis ir parasti izmantotas šūnu rūpnīcas, ko izmanto bioloģisko molekulu, piemēram, HMO, bioražošanai. Fermentācija ir bioķīmisks process, kurā izmanto mikroorganismus, lai substrātu pārveidotu par mērķtiecīgām bioloģiskām molekulām. Mikrobu šūnu rūpnīcas kā substrātu izmanto vienkāršus cukurus, kurus tās pārvērš HMO. Tā kā vienkāršie cukuri (piemēram, laktoze) ir bagātīgs, lēts substrāts, tas uztur biosintēzes procesu rentablu.
Augšanas un biokonversijas ātrumu galvenokārt ietekmē barības vielu (substrāta) masas pārnešana uz mikroorganismiem. Masas pārneses ātrums ir galvenais faktors, kas ietekmē produkta sintēzi fermentācijas laikā. Ultrasonication ir labi zināms, lai veicinātu masas pārnesi.
Fermentācijas laikā apstākļi bioreaktorā ir pastāvīgi jāuzrauga un jāregulē, lai šūnas varētu augt pēc iespējas ātrāk un pēc tam ražot mērķa biomolekulas (piemēram, oligosaharīdus, piemēram, HMO; insulīnu, rekombinantos proteīnus). Teorētiski produkta veidošanās sākas, tiklīdz šūnu kultūra sāk augt. Tomēr, jo īpaši ģenētiski modificētās šūnās, piemēram, inženierijas mikroorganismos, to parasti inducē vēlāk, substrātam pievienojot ķīmisku vielu, kas regulē mērķa biomolekulas ekspresiju. Ultraskaņas bioreaktorus (sono-bioreaktoru) var precīzi kontrolēt un ļaut specifiski stimulēt mikrobus. Tas rada paātrinātu biosintēzi un augstāku ražu.
Ultraskaņas līze un ekstrakcija: Sarežģītu HMO fermentāciju var ierobežot zemas fermentācijas titri un produkti, kas paliek intracelulāri. Ultraskaņas līze un ekstrakcija tiek izmantota, lai atbrīvotu intracelulāro materiālu pirms attīrīšanas un lejupējiem procesiem.

Ultrasoniski veicināta fermentācija

Mikrobu, piemēram, Escherichia coli, inženierijas E.coli, Saccharomyces cerevisiae un Lactococcus lactis, augšanas ātrumu var paātrināt, palielinot masas pārneses ātrumu un šūnu sienas caurlaidību, izmantojot kontrolētu zemas frekvences ultrasonikāciju. Kā viegla, netermiska apstrādes tehnika, ultrasonication izmanto tīri mehāniskus spēkus fermentācijas buljonā.
Acoustic Cavitation: The working principle of sonication is based on acoustic cavitation. The ultrasonic probe (sonotrode) couples low-frequency ultrasound 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 “karstais punkts”, 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.
Precīzi kontrolēta, viegla ultraskaņas apstrāde ir labi zināma, lai pastiprinātu fermentācijas procesus.
Uzlabojas ultraskaņas apstrāde “the productivity of many bioprocesses involving live cells via the enhancement of substrate uptake, enhanced production or growth by increasing cell porosity, and potentially enhanced release of cell components.” (Naveena et al. 2015)
Lasiet vairāk par ultrasoniski atbalstītu fermentāciju!

(2015) konstatēja, ka ultraskaņas intensifikācija bioapstrādes laikā piedāvā vairākas priekšrocības, tostarp zemas ekspluatācijas izmaksas salīdzinājumā ar citām uzlabošanas ārstēšanas iespējām, darbības vienkāršību un nelielām jaudas prasībām.

Augstas veiktspējas ultraskaņas fermentācijas reaktori

Fermentation processes involve living microorganisms such as bacteria or yeast, which function as cell factories. Whilst sonication is applied to promote mass transfer and increase microorganism’s growth and conversion rate, it is crucial to control the ultrasonic intensity precisely in order to avoid the destruction of the cell factories.
Hielscher Ultrasonics ir speciālists augstas veiktspējas ultrasonikatoru projektēšanā, ražošanā un izplatīšanā, ko var precīzi kontrolēt un uzraudzīt, lai nodrošinātu izcilu fermentācijas ražu.

Procesa kontrole ir būtiska ne tikai augstai ražībai un augstākai kvalitātei, bet arī ļauj atkārtot un reproducēt rezultātus. Jo īpaši, ja ist nonāk pie šūnu rūpnīcu stimulēšanas, ultraskaņas parametru šūnu specifiskā pielāgošana ir būtiska, lai sasniegtu augstu ražu un novērstu šūnu degradāciju. Tāpēc visi Hielscher ultrasonikatoru digitālie modeļi ir aprīkoti ar inteliģentu programmatūru, kas ļauj pielāgot, uzraudzīt un pārskatīt ultraskaņas apstrādes parametrus. Ultraskaņas procesa parametri, piemēram, amplitūda, temperatūra, spiediens, ultraskaņas apstrādes ilgums, darba cikli un enerģijas ievade, ir būtiski, lai veicinātu HMO ražošanu, izmantojot fermentāciju.
Hielscher ultrasonikatoru viedā programmatūra automātiski reģistrē visus svarīgos procesa parametrus integrētajā SD kartē. Ultraskaņas apstrādes procesa automātiskā datu ierakstīšana ir procesa standartizācijas un reproducējamības? atkārtojamības pamats, kas nepieciešams labai ražošanas praksei (LRP).

Ultraskaņas rektori fermentācijai

Hielscher piedāvā dažāda lieluma, garuma un ģeometrijas ultraskaņas zondes, kuras var izmantot gan partijas, gan nepārtrauktas caurplūdes apstrādei. Ultraskaņas reaktori, kas pazīstami arī kā sono-bioreaktori, ir pieejami jebkuram tilpumam, kas aptver ultraskaņas bioapstrādi no maziem laboratorijas paraugiem līdz izmēģinājuma un pilnībā komerciālam ražošanas līmenim.
Ir labi zināms, ka ultraskaņas sonotroda atrašanās vieta reakcijas traukā ietekmē kavitācijas un mikrostraumēšanas sadalījumu vidē. Sonotrode un ultraskaņas reaktors jāizvēlas atbilstoši šūnu buljona apstrādes tilpumam. Lai gan ultraskaņu var veikt gan partijā, gan nepārtrauktā režīmā, lieliem ražošanas apjomiem ieteicams izmantot nepārtrauktas plūsmas iekārtu. Caur ultraskaņas plūsmas šūnu, visas šūnu barotnes iegūst tieši tādu pašu iedarbību uz ultraskaņu, nodrošinot visefektīvāko ārstēšanu. Hielscher Ultrasonics plašs ultraskaņas zondes un plūsmas šūnu reaktoru klāsts ļauj salikt ideālu ultraskaņas bioprocesēšanas iestatījumu.

Hielscher Ultrasonics – No laboratorijas līdz izmēģinājumam un ražošanai

Hielscher Ultrasonics aptver pilnu ultraskaņas iekārtu spektru, piedāvājot kompaktus rokas ultraskaņas homogenizatorus paraugu sagatavošanai galda un pilotu sistēmām, kā arī jaudīgas rūpnieciskās ultraskaņas vienības, kas viegli apstrādā kravas automašīnas stundā. Tā kā Hielscher ultraskaņas aparāti ir daudzpusīgi un elastīgi uzstādīšanas un montāžas iespējās, tos var viegli integrēt visu veidu partijas reaktoros, padeves partijās vai nepārtrauktās caurplūdes iestatījumos.
Dažādi piederumi, kā arī pielāgotas detaļas ļauj ideāli pielāgot jūsu ultraskaņas iestatījumus jūsu procesa prasībām.
Hielscher ultraskaņas procesori, kas būvēti 24/7 darbībai ar pilnu slodzi un lielu slodzi sarežģītos apstākļos, ir uzticami un prasa tikai zemu apkopi.
Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu: