Ultraskaņas bioreaktori fermentācijai

Ultraskaņa ir efektīvs līdzeklis mikroorganismu stimulēšanai ar mehāniskām svārstībām un kavitāciju. Sonobioreaktorā / ultraskaņas fermentatorā šūnu un audu apstrādi ar ultraskaņu var ļoti precīzi kontrolēt, jo vides faktorus var precīzi noteikt. Ar ultraskaņas bioreaktoriem var ievērojami palielināt fermentācijas iznākumu.

Fermentācija

Fermentācijas efektivitāte ir atkarīga no procesa apstākļiem: barības vielas, barotnes blīvums, temperatūra, skābekļa / gāzes saturs un spiediens ir svarīgi faktori, kas ietekmē mikroorganismu aktivitāti. Mikroorganismi, kā arī zīdītāju šūnas sekmīgi aug tikai noteiktos apstākļos. Piemēroti apstākļi apvienojumā ar stimulāciju ar ultraskaņu var maksimāli palielināt fermentācijas iznākumu.

Mikroorganismu stimulācija ar ultraskaņu

Fermentācija ir vielmaiņas process, kurā cukurs tiek pārvērsts skābēs, gāzēs vai spirtā. Tā notiek raugos un baktērijās, kā arī muskuļu šūnās skābekļa trūkuma apstākļos, piemēram, pienskābās rūgšanas gadījumā. Terminu «fermentācija» lieto arī plašākā nozīmē, lai apzīmētu mikroorganismu audzēšanu lielā daudzumā barotnē, bieži vien ar mērķi iegūt konkrētu ķīmisku produktu.
Fermentācijas procesus veic rūpnieciskā mērogā, fermentācijai izmantojot tādus mikroorganismus kā baktērijas un sēnes. Fermentētos produktus izmanto pārtikas rūpniecībā un citās rūpniecības nozarēs. Fermentācijā iegūst tādas ķīmiskas vielas kā etiķskābi, citronskābi un etanolu. Fermentācijas ātrumu ietekmē mikroorganismu, šūnu, šūnu komponentu un enzīmu koncentrācija, kā arī temperatūra un pH. Aerobajā fermentācijā arī skābeklis ir būtisks faktors. Gandrīz visus komerciāli ražotos enzīmus, piemēram, lipāzi, invertāzi un siera fermentu, iegūst fermentācijā ar ģenētiski modificētiem mikroorganismiem.

• Biomasas (dzīvotspējīga šūnu materiāla) ražošana
• Ārpusšūnu metabolītu (ķīmisku savienojumu) ražošana
• Šūnu iekšējo komponentu (enzīmu un citu olbaltumvielu) ražošana
• Substrāta pārveidošana (kurā pārveidotais substrāts pats ir produkts)

Apstrāde ar ultraskaņu pirms fermentācijas, tās laikā un pēc tās

Apstrādi ar ultraskaņu, kurā izmanto zemas frekvences ultraskaņas viļņus, var veikt pirms fermentācijas, tās laikā un pēc tās dažādos veidos un dažādos fermentācijas procesa posmos.

Apstrāde ar ultraskaņu pirms fermentācijas – biomasas pieejamības uzlabošana

1. Uzlabota masas pārnese: Apstrādi ar ultraskaņu izmanto kā priekšapstrādi, lai veicinātu masas pārnesi un padarītu substrātu pieejamāku mikroorganismiem. Sajaukšana ar ultraskaņu veicina substrātu masas pārnesi uz mikroorganismu šūnām un produktu masas pārnesi prom no tām. Masas pārneses intensificēšanu ar ultraskaņu var izmantot gan priekšapstrādē, gan fermentācijas laikā.
2. Šūnu sagraušana: Apstrādi ar ultraskaņu var izmantot šūnu sieniņu un membrānu sagraušanai, īpaši mikroorganismu vai rauga kultūrās. Tas palīdz atbrīvot šūnu iekšējos komponentus, piemēram, enzīmus vai metabolītus, kas var uzlabot fermentācijas procesa rezultātus vai atvieglot turpmākos procesus.
3. Šūnu iekšējo savienojumu ekstrakcija: Apstrāde ar ultraskaņu var palīdzēt ekstrahēt šūnu iekšējos savienojumus no bioloģiskajiem materiāliem pirms fermentācijas. Tas ietver enzīmu, olbaltumvielu, nukleīnskābju vai citu mērķa savienojumu ekstrakciju no šūnām, audiem vai augu materiāliem turpmākai izmantošanai fermentācijas procesos.

Piemēram, rīsu sēnalu priekšapstrāde ar ultraskaņu tika izmantota, lai uzlabotu enzimātisko hidrolīzi ksilooligosaharīdu ražošanai ar Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Apstrāde ar ultraskaņu ievērojami palielināja celulolītisko un ksilanolītisko enzīmu ražošanu no rīsu sēnalām. Apstrādājot ar ultraskaņu, hemicelulozes iznākums palielinājās 1,4 reizes, un ražošanas laiks 80ºC temperatūrā ievērojami saīsinājās no 24 h līdz 1,5 h – turklāt saglabājās iespējas turpmākai procesa optimizācijai. Sēnes daudz vieglāk pārveido ar ultraskaņu apstrādāto biomasu, tādējādi enzīmu aktivitātes stabilitāte saglabājas ilgāk un CMCase, b-glikozidāzes un ksilanāzes aktivitāte palielinās salīdzinājumā ar rīsu sēnalām, kas nav apstrādātas ar ultraskaņu. Galīgie fermentācijas produkti bija ksilotetraoze, ksiloheksaoze un ksilooligosaharīdi ar lielāku molekulmasu. Ksiloheksaozes iznākums no ar ultraskaņu apstrādātajām rīsu sēnalām bija par 80% lielāks.

Ar ultraskaņu veicināta fermentācija – mikroorganismu stimulēšana

• Maisīšana un homogenizācija: Apstrādi ar ultraskaņu var izmantot kā maisīšanas metodi fermentācijas laikā. Ultraskaņas viļņu izmantošana palīdz radīt mikroplūsmas un veicina viendabīgumu, nodrošinot vienmērīgu barības vielu, gāzu un mikroorganismu sadalījumu fermentācijas tvertnē.
• Masas pārneses uzlabošana: Ar uzlabotu maisīšanu un homogenizāciju ir saistīts arī ar ultraskaņu palielināts masas pārneses ātrums fermentācijas laikā. Ultraskaņas svārstības un kavitācija rada lokālu turbulenci un pastiprina substrātu, gāzu un barības vielu difūziju fermentācijas buljonā. Tas var uzlabot fermentācijas procesa kopējo efektivitāti un produktivitāti.
• Šūnu dzīvotspējas un metaboliskās aktivitātes uzlabošana: Mikroorganismu kultūras fermentācijas laikā var apstrādāt ar ultraskaņu, lai uzlabotu šūnu dzīvotspēju un metabolisko aktivitāti. Saudzīga apstrāde ar ultraskaņu var stimulēt noteiktus mikroorganismus, veicinot augšanu, biomasas ražošanu un vēlamo metabolītu vai fermentācijas produktu sintēzi.

Precīzi kontrolējama un atkārtojama apstrāde ar ultraskaņu palīdz uzlabot dažādu fermentācijas procesu produktivitāti, nebojājot šūnas. Apstrādes ar ultraskaņu intensitāti var precīzi pielāgot konkrētās sugas šūnām un to prasībām. Kontrolēta apstrāde ar ultraskaņu pozitīvi ietekmē šūnu augšanu un vielmaiņu un ievērojami uzlabo dzīvu šūnu katalizētās pārvērtības, piemēram, stimulējot bifidobaktērijas pienā.
Dažos sēņu veiktos fermentācijas procesos apstrādi ar ultraskaņu veiksmīgi izmanto, lai mainītu augšanas morfoloģiju un buljona reoloģiju, neietekmējot pavedienveida sēņu augšanas ātrumu un iznākumu.

Apstrāde ar ultraskaņu pēc fermentācijas

• Šūnu savākšana un atdalīšana: Apstrāde ar ultraskaņu var palīdzēt savākt un atdalīt šūnas pēc fermentācijas. Tā var palīdzēt sadalīt šūnu agregātus, flokulantus vai bioplēves, atvieglojot šūnu atbrīvošanu no fermentācijas buljona. Tas vienkāršo turpmākos apstrādes procesus, piemēram, šūnu atgūšanu vai produkta attīrīšanu.
• Intracelulāro produktu ekstrakcija: Pēc fermentācijas apstrādi ar ultraskaņu var izmantot, lai no mikroorganismu vai šūnu biomasas ekstrahētu intracelulāros produktus, piemēram, enzīmus, olbaltumvielas vai sekundāros metabolītus. Šis ekstrakcijas process palīdz atgūt vērtīgus savienojumus un uzlabo fermentācijas procesa kopējo iznākumu.
• Šūnu sagraušana analītiskiem mērķiem: Apstrādi ar ultraskaņu var izmantot šūnu vai mikroorganismu paraugu sagraušanai pēc fermentācijas, īpaši analītiskiem mērķiem. Tā veicina šūnu līzi un intracelulārā satura atbrīvošanu, atvieglojot šūnu komponentu analīzi vai turpmāku analīžu veikšanu.

Lai iegūtu intracelulārus komponentus, piemēram, mikroorganismu enzīmus (piem., katalāzi, amilāzi, proteāzi, pektināzi, glikozes izomerāzi, celulāzi, hemicelulāzi, lipāzi, laktāzi, streptokināzi) un rekombinantos proteīnus (piem., insulīnu, B hepatīta vakcīnu, interferonu, granulocītu koloniju stimulējošo faktoru, streptokināzi), pēc fermentācijas procesa šūnas ir jālizē / jāsagrauj, lai atbrīvotu vajadzīgos proteīnus. Apstrāde ar ultraskaņu atvieglo intracelulāro un ekstracelulāro polisaharīdu–proteīnu kompleksu ekstrakciju no viskozā micēlija fermentācijas buljona. Papildus izcilajam ekstrakcijas iznākumam un efektivitātei apstrāde ar ultraskaņu ir plaši atzīta un uzticama metode šūnu līzei un intracelulārā materiāla ekstrakcijai.
Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par līzi un ekstrakciju ar ultraskaņu!

Ultraskaņas bioreaktori fermentācijas procesu uzlabošanai

Hielscher Ultrasonics ir ilggadēja pieredze ar ultraskaņu stimulētos bioprocesos, piemēram, šūnu stimulācijā, fermentācijā, šūnu sagraušanā un ekstrakcijā. Mēs piedāvājam dažādus standarta ultraskaņas reaktorus ar atšķirīgiem izmēriem un ģeometriju apstrādei ar ultraskaņu porciju un caurplūdes režīmā. Kā alternatīvu mēs piedāvājam pielāgotus risinājumus integrēšanai jūsu esošajā bioreaktorā. Tā kā mūsu ultraskaņas procesori ir ļoti daudzpusīgi un aizņem tikai nedaudz vietas, tos var bez problēmām uzstādīt esošajās biotehnoloģiskajās ražotnēs.
Šeit uzziniet vairāk par ultraskaņas reaktoru veidiem, konstrukcijām un lietojumiem!
Tālāk esošajā tabulā sniegti vispārīgi ieteikumi par ierīcēm atkarībā no apstrādājamās porcijas tilpuma vai plūsmas ātruma. Noklikšķiniet uz ierīces veida, lai iegūtu vairāk informācijas par katru ierīci.

Literatūra/atsauces

• 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.