Ultrasone bioreactoren voor fermentatie

Ultrasoon geluid is een effectief middel om micro-organismen te stimuleren door mechanische trillingen en cavitatie. In een sonobioreactor / ultrasone fermentor kan de ultrasone behandeling van cellen en weefsel zeer nauwkeurig worden geregeld, omdat de omgevingsfactoren exact kunnen worden bepaald. Met ultrasone bioreactoren kan de fermentatieopbrengst aanzienlijk worden verhoogd.

Fermentatie

De efficiëntie van fermentatie hangt af van de procesomstandigheden: voedingsstoffen, de dichtheid van het medium, de temperatuur, het zuurstof- / gasgehalte en de 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 fermentatieopbrengst maximaliseren.

Ultrasone stimulatie van micro-organismen

Fermentatie is een metabolisch proces waarbij suiker wordt omgezet in zuren, gassen of alcohol. Het vindt plaats in gisten en bacteriën, en ook in spiercellen met zuurstoftekort, zoals bij melkzuurfermentatie. Fermentatie wordt ook in bredere zin gebruikt om de grootschalige groei van micro-organismen op een groeimedium aan te duiden, vaak met als doel een specifiek chemisch product te produceren.
Fermentatieprocessen worden op industriële schaal uitgevoerd met behulp van micro-organismen zoals bacteriën en schimmels. Gefermenteerde producten worden gebruikt in de voedingsmiddelenindustrie en de industrie in het algemeen. Chemische stoffen zoals azijnzuur, citroenzuur en ethanol worden door fermentatie geproduceerd. De fermentatiesnelheid wordt beïnvloed door de concentratie van micro-organismen, cellen, cellulaire componenten en enzymen, evenals door de temperatuur en de pH. Bij aerobe fermentatie is zuurstof eveneens een belangrijke factor. Bijna alle commercieel geproduceerde enzymen, zoals lipase, invertase en stremsel, worden gemaakt door fermentatie met genetisch gemodificeerde micro-organismen.

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

Sonicatie vóór, tijdens en na fermentatie

Sonicatie, de toepassing van laagfrequente ultrasone golven, kan vóór, tijdens en na fermentatie op verschillende manieren en in verschillende fasen van het fermentatieproces worden gebruikt.

Ultrasone behandeling vóór fermentatie – verbetering van de beschikbaarheid van biomassa

1. Verbeterde massaoverdracht: Sonicatie wordt als voorbehandeling gebruikt om de massaoverdracht te bevorderen en het substraat beter beschikbaar te maken voor de micro-organismen. Ultrasoon mengen bevordert de massaoverdracht van substraten naar de microbiële cellen en van producten weg van deze cellen. Ultrasone intensivering van de massaoverdracht kan zowel als voorbehandeling als tijdens de fermentatie worden toegepast.
2. Celontsluiting: Sonicatie kan worden ingezet om celwanden en membranen te ontwrichten, met name in microbiële of gistculturen. Dit helpt intracellulaire componenten, zoals enzymen of metabolieten, vrij te maken, wat de fermentatieprestaties kan verbeteren of downstreamprocessen kan vergemakkelijken.
3. Extractie van intracellulaire verbindingen: Sonicatie kan helpen bij de extractie van intracellulaire verbindingen uit biologische materialen vóór de fermentatie. Dit omvat het extraheren van enzymen, eiwitten, nucleïnezuren of andere doelverbindingen uit cellen, weefsels of plantaardige materialen voor daaropvolgend gebruik in fermentatieprocessen.

Zo werd ultrasone voorbehandeling van rijstkaf gebruikt om de enzymatische hydrolyse voor de productie van xylo-oligosachariden door Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1) te verbeteren. Door sonicatie werd de productie van cellulolytische en xylanolytische enzymen uit het rijstkaf aanzienlijk verhoogd. Bij sonicatie steeg de hemicelluloseopbrengst tot 1,4 keer de oorspronkelijke opbrengst en werd de productietijd sterk verkort van 24 h tot 1,5 h bij 80ºC – met verdere mogelijkheden voor procesoptimalisatie. De gesoniceerde biomassa is voor de schimmels veel gemakkelijker om te zetten, waardoor de stabiliteit van de enzymactiviteit langer behouden blijft en de activiteit van CMCase, b-glucosidase en xylanase toeneemt ten opzichte van het niet-gesoniceerde rijstkaf. De uiteindelijke fermentatieproducten waren xylotetraose, xylohexaose en xylo-oligosachariden met een hoger molecuulgewicht. De xylohexaoseopbrengst uit het gesoniceerde rijstkaf was 80% hoger.

Ultrasoon ondersteunde fermentatie – stimulatie van micro-organismen

• Mengen en homogeniseren: Sonicatie kan tijdens fermentatie als mengtechniek worden gebruikt. De toepassing van ultrasone golven helpt microstromingen te creëren en bevordert de homogeniteit, waardoor voedingsstoffen, gassen en micro-organismen gelijkmatig over het fermentatievat worden verdeeld.
• Verbetering van de massaoverdracht: Samenhangend met het verbeterde mengen en homogeniseren zijn de door ultrasoon geluid verhoogde snelheden van massaoverdracht tijdens de fermentatie. Ultrasone oscillatie en cavitatie creëren plaatselijke turbulentie en bevorderen de diffusie van substraten, gassen en voedingsstoffen naar de fermentatiebouillon. Dit kan de algehele efficiëntie en productiviteit van het fermentatieproces verbeteren.
• Verbetering van de levensvatbaarheid van cellen en de metabolische activiteit: Sonicatie kan tijdens fermentatie op microbiële culturen worden toegepast om de levensvatbaarheid van cellen en de metabolische activiteit te verbeteren. Milde sonicatie kan bepaalde micro-organismen stimuleren en daarmee de groei, de biomassaproductie en de synthese van gewenste metabolieten of fermentatieproducten bevorderen.

Nauwkeurig regelbare en herhaalbare sonicatie helpt de productiviteit van verschillende fermentatieprocessen te verbeteren zonder cellen te beschadigen. De sonicatie-intensiteit kan exact worden afgestemd op de specifieke celsoort en de vereisten daarvan. Door gecontroleerde sonicatie worden de celgroei en het metabolisme positief beïnvloed en worden de door levende cellen gekatalyseerde omzettingen aanzienlijk verbeterd, bijvoorbeeld door Bifidobacteria in melk te stimuleren.
Bij sommige fermentatieprocessen die door schimmels worden uitgevoerd, wordt sonicatie met succes gebruikt om de groeimorfologie en de reologie van de bouillon te veranderen zonder de groeisnelheid en opbrengst van filamenteuze schimmels te beïnvloeden.

Ultrasone behandeling na fermentatie

• Oogsten en scheiden van cellen: Sonicatie kan helpen bij het oogsten en scheiden van cellen na fermentatie. Ze kan helpen celaggregaten, flocculanten of biofilms af te breken, waardoor cellen gemakkelijker uit de fermentatiebouillon vrijkomen. Dit vereenvoudigt daaropvolgende downstreamprocessen, zoals het terugwinnen van cellen of de zuivering van producten.
• 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 waardevolle verbindingen terug te winnen en verbetert de totale opbrengst van het fermentatieproces.
• Celdesintegratie voor analytische doeleinden: Sonicatie kan na fermentatie worden toegepast om cellen of microbiële monsters te ontsluiten, met name voor analytische doeleinden. Ze helpt bij cellyse en het vrijmaken van de intracellulaire inhoud, waardoor de analyse van cellulaire componenten of het uitvoeren van daaropvolgende assays wordt vergemakkelijkt.

Voor de productie van intracellulaire componenten zoals microbiële enzymen (bijv. katalase, amylase, protease, pectinase, glucose-isomerase, cellulase, hemicellulase, lipase, lactase, streptokinase) en recombinante eiwitten (bijv. insuline, hepatitis B-vaccin, interferon, granulocytkoloniestimulerende factor, streptokinase) moeten de cellen na het fermentatieproces worden gelyseerd / ontsloten om de gewenste eiwitten vrij te maken. Sonicatie vergemakkelijkt de extractie van intracellulaire en extracellulaire polysacharide–eiwitcomplexen uit de viskeuze myceliale fermentatiebouillon. Naast de uitstekende extractieopbrengst en efficiëntie is sonicatie een gevestigde en betrouwbare methode voor cellyse en de extractie van intracellulair materiaal.
Klik hier om meer te lezen over ultrasone lyse en extractie!

Ultrasone bioreactoren voor verbeterde fermentatieprocessen

Hielscher Ultrasonics heeft jarenlange ervaring met ultrasoon gestimuleerde bioprocessen zoals celstimulatie, fermentatie, celontsluiting en extractie. Wij bieden diverse standaard ultrasone reactoren met verschillende afmetingen en geometrieën voor sonicatie in batchmodus en doorstroommodus. Als alternatief bieden wij oplossingen op maat voor integratie in uw bestaande bioreactor. Omdat onze ultrasone processoren zeer veelzijdig zijn en slechts weinig ruimte vereisen, kunnen ze zonder problemen achteraf in bestaande biotechnologische installaties worden ingebouwd.
Lees hier meer over typen ultrasone reactoren, ontwerpen en toepassingen!
De onderstaande tabel geeft algemene aanbevelingen voor apparaten afhankelijk van het te verwerken batchvolume of debiet. Klik op het apparaattype voor meer informatie over elk apparaat.

Literatuur/Referenties

• 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.