Ultraskaņas bioreaktori fermentācijai

Ultrasonics ir efektīvs līdzeklis, lai stimulētu mikroorganismus ar mehāniskām vibrācijām un kavitāciju. Sonobioreaktorā / ultraskaņas fermentatorā šūnu un audu ultraskaņas apstrāde kļūst ļoti kontrolējama, jo vides faktorus var precīzi noteikt. Ar ultraskaņas bioreaktoriem fermentācijas produkciju var ievērojami uzlabot.

Fermentācijas

Fermentācijas efektivitāte ir atkarīga no procesa apstākļiem: Barības vielas, barotnes blīvums, temperatūra, skābekļa / gāzes saturs un spiediens ir svarīgi faktori, kas ietekmē mikrobu aktivitāti. Mikroorganismi, kā arī zīdītāju šūnas plaukst tikai noteiktos apstākļos. Pareizie apstākļi apvienojumā ar ultraskaņas stimulāciju var maksimāli palielināt fermentācijas iznākumu.

Mikroorganismu ultraskaņas stimulācija

Fermentācija ir vielmaiņas process, kas cukuru pārvērš skābēs, gāzēs vai alkoholā. Tas notiek raugā un baktērijās, kā arī skābekļa badā esošās muskuļu šūnās, piemēram, pienskābes fermentācijas gadījumā. Fermentācija tiek izmantota arī plašāk, lai apzīmētu mikroorganismu masveida augšanu augšanas vidē, bieži vien ar mērķi ražot konkrētu ķīmisko produktu.
Fermentācijas process tiek veikts rūpnieciskā mērogā, fermentācijai izmantojot mikroorganismus, piemēram, baktērijas un sēnītes. Fermentēti produkti tiek izmantoti pārtikas un vispārējā rūpniecībā. Ķīmiskās vielas, piemēram, etiķskābe, citronskābe un etanols, tiek ražotas fermentācijas procesā. Fermentācijas ātrumu ietekmē mikroorganismu, šūnu, šūnu komponentu un fermentu koncentrācija, kā arī temperatūra un pH. Aerobai fermentācijai skābeklis ir arī galvenais faktors. Gandrīz visi komerciāli ražotie fermenti, piemēram, lipāze, invertāze un siera ferments, tiek ražoti, fermentējot ar ģenētiski modificētiem mikrobiem.

• Biomasas ražošana (dzīvotspējīgs šūnu materiāls)
• Ekstracelulāro metabolītu (ķīmisko savienojumu) veidošanās
• Intracelulāro komponentu (fermentu un citu proteīnu) ražošana
• Substrāta transformācija (kurā pārveidotais substrāts pats ir produkts)

Ultraskaņas apstrāde pirms fermentācijas, tās laikā un pēc tās

Ultraskaņas apstrādi, zemas frekvences ultraskaņas viļņu pielietošanu, var izmantot pirms fermentācijas, tās laikā un pēc tās dažādos veidos un dažādos fermentācijas procesa posmos.

Ultraskaņas apstrāde pirms fermentācijas – Biomasas pieejamības uzlabošana

1. Uzlabota masas pārnešana: Ultraskaņas apstrāde kā pirmapstrāde tiek izmantota, lai veicinātu masas pārnesi un padarītu substrātu pieejamāku mikrobiem. Ultraskaņas sajaukšana veicina substrātu masas pārnesi uz mikrobu šūnām un produktus prom no tām. Masas pārneses ultraskaņas intensifikāciju var izmantot kā pirmapstrādi, kā arī fermentācijas laikā.
2. Šūnu darbības traucējumi: Ultraskaņas apstrādi var izmantot, lai izjauktu šūnu sienas un membrānas, jo īpaši mikrobu vai rauga kultūrās. Tas palīdz atbrīvot intracelulāros komponentus, piemēram, fermentus vai metabolītus, kas var uzlabot fermentācijas veiktspēju vai atvieglot pakārtotos procesus.
3. Intracelulāro savienojumu ekstrakcija: Ultraskaņas apstrāde var palīdzēt iegūt intracelulāros savienojumus no bioloģiskiem materiāliem pirms fermentācijas. Tas ietver fermentu, olbaltumvielu, nukleīnskābju vai citu mērķa savienojumu ekstrahēšanu no šūnām, audiem vai augu materiāliem turpmākai izmantošanai fermentācijas procesos.

Piemēram, rīsu korpusa ultraskaņas pirmapstrāde tika izmantota, lai uzlabotu fermentatīvo hidrolīzi ksilooligosaharīdu ražošanai ar Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Ar ultraskaņu tika ievērojami uzlabota celulolītisko un ksilanlītisko fermentu ražošana no rīsu korpusa. Hemicelulozes raža tika palielināta līdz 1,4 reizēm ar ultraskaņu, un ražošanas laiks tika ievērojami saīsināts no 24 h līdz 1,5 h 80 ° C temperatūrā – ar turpmāku procesu optimizācijas potenciālu. Sonikētā biomasa ir daudz vieglāk konvertējama sēnēm, lai paplašinātu fermentu aktivitātes stabilitāti un palielinātu CMCase, b-glikozidāzes un ksilanāzes aktivitāti, salīdzinot ar ne-ultraskaņas rīsu korpusu. Galīgie fermentatīvie produkti bija ksilotetraoze, ksiloheksaoze un augstākas molekulmasas ksilooligosaharīdi. Xylohexaose raža no ultraskaņas rīsu korpusa bija par 80% augstāka.

Ultrasoniski atbalstīta fermentācija – Mikrobu stimulēšana

• sajaukšana un homogenizācija: Ultraskaņas apstrādi var izmantot kā sajaukšanas tehniku fermentācijas laikā. Ultraskaņas viļņu pielietošana palīdz radīt mikrostraumēšanu un veicina viendabīgumu, nodrošinot vienmērīgu barības vielu, gāzu un mikroorganismu sadalījumu fermentācijas traukā.
• Masas pārneses uzlabošana: Saistībā ar uzlabotu sajaukšanu un homogenizāciju ir ultrasoniski uzlaboti masas pārneses ātrumi fermentācijas laikā. Ultraskaņas svārstības un kavitācija rada lokalizētu turbulenci un uzlabo substrātu, gāzu un barības vielu difūziju fermentācijas buljonā. Tas var uzlabot fermentācijas procesa vispārējo efektivitāti un produktivitāti.
• Šūnu dzīvotspējas un vielmaiņas aktivitātes uzlabošana: Ultraskaņas apstrādi var piemērot mikrobu kultūrām fermentācijas laikā, lai uzlabotu šūnu dzīvotspēju un vielmaiņas aktivitāti. Viegla ultraskaņas apstrāde var stimulēt noteiktus mikroorganismus, veicinot augšanu, biomasas ražošanu un vēlamo metabolītu vai fermentācijas produktu sintēzi.

Precīzi kontrolējama un atkārtojama ultraskaņas apstrāde palīdz uzlabot dažādu fermentācijas procesu produktivitāti, nesabojājot šūnas. Ultraskaņas intensitāti var precīzi pielāgot konkrētām šūnu sugām un to prasībām. Ar kontrolētu ultraskaņu šūnu augšana un vielmaiņa tiek pozitīvi ietekmēta, un konversijas, ko katalizē dzīvas šūnas, ir ievērojami uzlabotas, piemēram, stimulējot Bifidobaktērijas pienā.
Dažiem sēnīšu izraisītiem fermentācijas procesiem ultraskaņas apstrāde tiek veiksmīgi izmantota, lai modificētu augšanas morfoloģiju un buljona reoloģiju, neietekmējot augšanas ātrumu un pavedienu sēnīšu ražu.

Ultraskaņas apstrāde pēc fermentācijas

• Šūnu novākšana un atdalīšana: Ultraskaņas apstrāde var palīdzēt šūnu novākšanai un atdalīšanai pēc fermentācijas. Tas var palīdzēt sadalīt šūnu agregātus, flokulantus vai bioplēves, veicinot šūnu izdalīšanos no fermentācijas buljona. Tas vienkāršo turpmākos pakārtotos procesus, piemēram, šūnu reģenerāciju vai produktu attīrīšanu.
• Intracelulāro produktu ekstrakcija: Pēc fermentācijas ultraskaņas apstrādi var izmantot, lai ekstrahētu intracelulāros produktus, piemēram, fermentus, proteīnus vai sekundāros metabolītus, no mikrobu vai šūnu biomasas. Šis ekstrakcijas process palīdz atgūt vērtīgus savienojumus un uzlabo fermentācijas procesa kopējo ražu.
• Šūnu dezintegrācija analītiskiem mērķiem: Ultraskaņas apstrādi var izmantot, lai izjauktu šūnas vai mikrobu paraugus pēc fermentācijas, īpaši analītiskiem mērķiem. Tas palīdz šūnu līzē un intracelulārā satura izdalīšanā, atvieglojot šūnu komponentu analīzi vai veicot pakārtotos testus.

Lai ražotu intracelulāros komponentus, piemēram, mikrobu enzīmus (piemēram, katalāzi, amilāzi, proteāzi, pektināzi, glikozes izomerāzi, celulāzi, hemicelulāzi, lipāzi, laktāzi, streptokināzi) un rekombinantos proteīnus (piemēram, insulīnu, B hepatīta vakcīnu, interferonu, granulocītu koloniju stimulējošo faktoru, streptokināzi), šūnas pēc fermentācijas procesa ir jālizē / jāpārtrauc, lai atbrīvotu vēlamos proteīnus. Ar ultraskaņu tiek atvieglota intracelulāro un ekstracelulāro polisaharīdu-olbaltumvielu kompleksu ekstrakcija no viskozā micēlija fermentācijas buljona. Papildus izcilajai ekstrakcijas ražai un efektivitātei, ultraskaņas apstrāde ir labi izveidota un uzticama šūnu līzei un intracelulārās vielas ekstrakcijai.
Noklikšķiniet šeit, lai lasītu mor par ultraskaņas līzi un ekstrakciju!

Ultraskaņas bioreaktori uzlabotiem fermentācijas procesiem

Hielscher Ultrasonics ir ilgstoši pieredzējis ar ultrasoniski stimulētiem bioprocesiem, piemēram, šūnu stimulāciju, fermentāciju, šūnu darbības traucējumiem un ekstrakciju. Mēs piedāvājam dažādus standarta ultraskaņas reaktorus ar dažādiem izmēriem un ģeometrijām ultraskaņas apstrādei partijas un caurplūdes režīmā. Alternatīvi, mēs piedāvājam pielāgotus risinājumus integrācijai jūsu esošajā bioreaktorā. Tā kā mūsu ultraskaņas procesori ir ļoti daudzpusīgi un prasa tikai nelielu telpu, modernizāciju esošajās biotehnoloģiskajās rūpnīcās var realizēt bez problēmām.
Lasiet vairāk par ultraskaņas reaktoru veidiem, dizainu un pielietojumiem šeit!
Tālāk esošajā tabulā ir norādīti vispārīgi ierīces ieteikumi atkarībā no apstrādājamās partijas apjoma vai plūsmas ātruma. Noklikšķiniet uz ierīces veida, lai iegūtu papildinformāciju par katru ierīci.

Literatūra/Atsauces