Ultrasone bioreactoren voor fermentatie

Ultrasoon is een effectief middel om micro-organismen te stimuleren door mechanische trillingen en cavitatie. In een sonobioreactor? ultrasone fermentor wordt de ultrasone behandeling van cellen en weefsel zeer controleerbaar omdat de omgevingsfactoren exact kunnen worden bepaald. Met ultrasone bioreactoren kan het fermentatievermogen aanzienlijk worden verhoogd.

gisting

De efficiëntie van fermentatie hangt af van de procesomstandigheden: Voedingsstoffen, dichtheid van het medium, temperatuur, zuurstof/gasgehalte en druk zijn belangrijke factoren die de microbiële activiteit beïnvloeden. Zowel micro-organismen als zoogdiercellen gedijen alleen onder bepaalde omstandigheden. De juiste omstandigheden in combinatie met ultrasone stimulatie kunnen de opbrengst van fermentatie maximaliseren.

Ultrasone stimulatie van micro-organismen

Fermentatie is een stofwisselingsproces waarbij suiker wordt omgezet in zuren, gassen of alcohol. Het vindt plaats in gisten en bacteriën en ook in spiercellen die van zuurstof zijn uitgehongerd, zoals in het geval van melkzuurfermentatie. Fermentatie wordt ook breder gebruikt om te verwijzen naar de bulkgroei van micro-organismen op een groeimedium, vaak met het doel om een specifiek chemisch product te produceren.
Fermentatieprocessen worden op industriële schaal uitgevoerd met behulp van micro-organismen zoals bacteriën en schimmels voor de fermentatie. Gefermenteerde producten worden gebruikt in de voedingsmiddelen- en algemene industrie. Chemicaliën zoals azijnzuur, citroenzuur en ethanol worden geproduceerd door fermentatie. De fermentatiesnelheid wordt beïnvloed door de concentratie micro-organismen, cellen, celbestanddelen en enzymen, evenals de temperatuur en pH. Voor aerobe fermentatie is zuurstof ook een belangrijke factor. Bijna alle commercieel geproduceerde enzymen, zoals lipase, invertase en stremsel, worden gemaakt door fermentatie met genetisch gemodificeerde microben.

• Productie van biomassa (levensvatbaar celmateriaal)
• Productie van extracellulaire metabolieten (chemische verbindingen)
• Productie van intracellulaire componenten (enzymen en andere eiwitten)
• Transformatie van substraat (waarbij het getransformeerde substraat zelf het product is)

Sonificatie voor, tijdens en na fermentatie

Sonificatie, de toepassing van ultrasone geluidsgolven met een lage frequentie, kan voor, tijdens en na de fermentatie worden gebruikt op verschillende manieren en in verschillende stadia van het fermentatieproces.

Ultrasone voorgisting – Verbetering van de beschikbaarheid van biomassa

1. Verbeterde massaoverdracht: Sonificatie als voorbehandeling wordt gebruikt om de massaoverdracht te bevorderen en het substraat meer beschikbaar te maken voor de microben. Ultrasoon mengen bevordert de massaoverdracht van substraten naar, en producten weg van, de microbiële cellen. Ultrasone intensivering van de massaoverdracht kan zowel als voorbehandeling als tijdens fermentatie worden toegepast.
2. Celverstoring: Sonicatie kan worden gebruikt om celwanden en membranen te verstoren, vooral in microbiële culturen of gistculturen. Hierdoor komen intracellulaire componenten vrij, zoals enzymen of metabolieten, die de fermentatieprestaties kunnen verbeteren of downstreamprocessen kunnen vergemakkelijken.
3. Extractie van intracellulaire verbindingen: Sonificatie kan helpen bij de extractie van intracellulaire verbindingen uit biologisch materiaal vóór fermentatie. Dit omvat het extraheren van enzymen, eiwitten, nucleïnezuren of andere doelverbindingen uit cellen, weefsels of plantmaterialen voor later gebruik in fermentatieprocessen.

Zo werd ultrasone voorbehandeling van rijstschillen gebruikt om enzymatische hydrolyse te verbeteren voor de productie van xylooligosacchariden door Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Door sonicatie werd de productie van cellulolytische en xylanolytische enzymen uit de rijstschil aanzienlijk verbeterd. De opbrengst aan hemicellulose werd onder sonicatie 1,4-voudig en de productietijd werd sterk verkort van 24 uur tot 1,5 uur bij 80ºC. – met verder potentieel voor procesoptimalisatie. De gesoniseerde biomassa is veel gemakkelijker converteerbaar voor de schimmels, zodat de stabiliteit van de enzymactiviteit wordt vergroot en de activiteit van CMCase, b-glucosidase en xylanase wordt verhoogd in vergelijking met de niet-gesoneerde rijstschil. De uiteindelijke fermentatieproducten waren xylotetraose, xylohexaose en xylooligosachariden met een hoger moleculair gewicht. De xylohexaose opbrengst van de gesoneerde rijstschil was 80% hoger.

Ultrasoon ondersteunde fermentatie – Stimulatie van microben

• Mengen en homogeniseren: Sonificatie kan worden gebruikt als mengtechniek tijdens fermentatie. De toepassing van ultrasone golven helpt bij het creëren van microstromen en bevordert de homogeniteit, wat zorgt voor een gelijkmatige verdeling van voedingsstoffen, gassen en micro-organismen in het fermentatievat.
• Verbetering van de massaoverdracht: Verwant aan het verbeterde mengen en homogeniseren zijn de ultrasoon verbeterde massaoverdrachtssnelheden tijdens fermentatie. Ultrasone trilling en cavitatie creëren plaatselijke turbulentie en verbeteren de diffusie van substraten, gassen en voedingsstoffen in de fermentatiebouillon. Dit kan de algehele efficiëntie en productiviteit van het fermentatieproces verbeteren.
• Verbetering van de levensvatbaarheid en metabolische activiteit van cellen: Sonificatie kan worden toegepast op microbiële culturen tijdens fermentatie om de levensvatbaarheid van de cellen en de metabolische activiteit te verbeteren. Milde sonicatie kan bepaalde micro-organismen stimuleren, wat de groei, de productie van biomassa en de synthese van gewenste metabolieten of fermentatieproducten bevordert.

Nauwkeurig controleerbare en herhaalbare sonicatie helpt de productiviteit van verschillende fermentatieprocessen te verbeteren zonder de cellen te beschadigen. De sonicatie-intensiteit kan exact worden aangepast aan de specifieke celsoort en de vereisten. Door gecontroleerde sonicatie worden de celgroei en het metabolisme positief beïnvloed en worden de omzettingen die door levende cellen worden gekatalyseerd aanzienlijk verbeterd, bijv. door het stimuleren van Bifidobacteriën in melk.
Voor sommige schimmelgedreven fermentatieprocessen wordt sonicatie succesvol gebruikt om de groeimorfologie en de bouillonreologie te wijzigen zonder de groeisnelheid en opbrengst van filamenteuze schimmels te beïnvloeden.

Ultrasone nabehandeling

• Oogsten en scheiden van cellen: Sonificatie kan helpen bij het oogsten en scheiden van cellen na fermentatie. Het kan helpen bij het breken van celaggregaten, vlokmiddelen of biofilms, waardoor cellen makkelijker loskomen uit de fermentatiebouillon. Dit vereenvoudigt verdere downstreamprocessen, zoals celherstel of productzuivering.
• Extractie van intracellulaire producten: Na fermentatie kan sonicatie worden gebruikt om intracellulaire producten, zoals enzymen, eiwitten of secundaire metabolieten, uit microbiële of cellulaire biomassa te extraheren. Dit extractieproces helpt bij het terugwinnen van waardevolle verbindingen en verbetert de algehele opbrengst van het fermentatieproces.
• Celdesintegratie voor analytische doeleinden: Sonificatie kan worden toegepast om cellen of microbiële monsters na fermentatie te verstoren, met name voor analytische doeleinden. Het helpt bij cellyse en het vrijkomen van intracellulaire inhoud, wat de analyse van cellulaire componenten of het uitvoeren van downstream assays vergemakkelijkt.

Voor de productie van intracellulaire componenten zoals microbiële enzymen (bv. catalase, amylase, protease, pectinase, glucose-isomerase, cellulase, hemicellulase, lipase, lactase, streptokinase) en recombinante eiwitten (bv.bijv. insuline, hepatitis B-vaccin, interferon, granulocyt-koloniestimulerende factor, streptokinase), moeten de cellen na het fermentatieproces worden gelyseerd/verstoord om de gewenste eiwitten vrij te maken. Door sonicatie wordt de extractie van de intracellulaire en extracellulaire polysaccharide-eiwitcomplexen uit de viskeuze myceliumfermentatiebouillon vergemakkelijkt. Naast het uitstekende extractierendement en de efficiëntie, is sonicatie een beproefde en betrouwbare methode voor cellyse en de extractie van intracellulair materiaal.
Klik hier om meer te lezen over ultrasone lysis en extractie!

Ultrasone bioreactoren voor verbeterde fermentatieprocessen

Hielscher Ultrasonics heeft jarenlange ervaring met ultrasoon gestimuleerde bioprocessen zoals celstimulatie, fermentatie, celdisruptie en extractie. We bieden diverse standaard ultrasone reactoren van verschillende afmetingen en geometrieën voor sonicatie in batch- en doorstroommodus. Als alternatief bieden we oplossingen op maat voor de integratie in uw bestaande bioreactor. Aangezien onze ultrasone processoren zeer veelzijdig zijn en slechts weinig ruimte innemen, kan de integratie in bestaande biotechnologische installaties probleemloos worden gerealiseerd.
Lees hier meer over typen ultrasone reactoren, ontwerpen en toepassingen!
De onderstaande tabel geeft algemene aanbevelingen voor apparaten, afhankelijk van het batchvolume of debiet dat verwerkt moet worden. Klik op het apparaattype voor meer informatie over elk apparaat.

Literatuur/referenties