Hielscher ultralydteknologi

Biosynthetic Production of Human Milk Oligosaccharides

Biosyntesen til humane melk oligosakkarider (HMOer) via gjæring eller enzymatiske reaksjoner er en kompleks, forbruker og ofte lav-gir prosess. Ultrasonication øker masseoverføringen mellom substrat og cellefabrikker stimulerer cellevekst og metabolisme. Dermed intensiverer sonikering gjæring og biokjemiske prosesser som resulterer i en akselerert og mer effektiv produksjon av HMOer.

Human Melk Oligosakkarider

Human melk oligosakkarider (HMOer), også kjent som morsmelkglykaner, er sukkermolekyler, som er en del av oligosakkarider gruppen. Fremtredende eksempler på HmOer inkluderer 2'-fucosyllactose (2′-FL), lakto-N-neotetraose (LNnT), 3'-galaactosyllactose (3′-GL) og difucosyllactose (DFL).
Mens morsmelk erkomponert for mer enn forskjellige 150 HMO strukturer, bare 2'-fucosyllactose (2′-FL) og lacto-N-neotetraose (LNnT) er for tiden produsert på kommersielt nivå og brukes som ernæringsmessige tilsetningsstoffer i morsmelkerstatning.
Human melk oligosakkarider (HmOer) er kjent for sin betydning i baby ernæring. Human melk oligosakkarider er en unik type næringsstoffer, som fungerer som prebiotika, anti-klebende antimikrobielle midler, og immunmodulatorer i spedbarnets tarm og bidrar vesentlig til hjernens utvikling. HmOer finnes utelukkende i morsmelk hos mennesker; andre pattedyrmelker ( f.eks. ku, geit, sau, kamel osv.) har ikke disse spesifikke form for oligosakkarider.
Human melk oligosakkarider er den tredje mest rikelig faste komponenten i morsmelk, som kan være til stede enten i oppløst eller emulgert eller suspendert form i vann. Laktose og fettsyrer er de mest tallrike faste stoffer som finnes i morsmelk hos mennesker. HmOer er til stede i en konsentrasjon på 0,35–0,88 gram (9,9–24,9 g)/ L. Omtrent 200 strukturelt forskjellige humane melk oligosakkarider er kjent. Den dominerende oligosakkariden hos 80 % av alle kvinner er 2′-fucosyllactose, som er tilstede i morsmelk hos mennesker ved en konsentrasjon på ca. 2,5 g/l.
Siden HMOer ikke fordøyes, bidrar de ikke kaloritisk til ernæring. Å være ufordøyelige karbohydrater fungerer de som prebiotika og gjæres selektivt av ønskelig tarmmikroflora, spesielt bifidobakterier.

Helsemessige fordeler av human melk Oligosakkarider (HmOs)

  • fremme utviklingen av spedbarn
  • er viktige for hjernens utvikling
  • har antiinflammatoriske og
  • anti-klebende effekter i mage-tarmkanalen
  • støtter immunsystemet hos voksne
Ultrasonication and the use of ultrasonic bioreactors (sono-bioreactors) are highly effective to promote mass transfer between substrate and living cells used as cell factories

De Ultralydsprosessor UIP2000hdT øker masseoverføring og aktiverer cellefabrikker for høyere utbytter av biosyntetiserte biologiske molekyler som HMOer

Informasjonsforespørsel




Merk våre Personvernregler.


Biosyntese av humane melk oligosakkarider

Cellefabrikker og enzymatiske / kjemo-enzymatiske systemer er dagens teknologier som brukes til syntese av HMOer. For HMO-produksjon i industriell skala er gjæring av mikrobielle cellefabrikker, biokjemisk syntese og forskjellige enzymatiske reaksjoner mulige måter hmo bioproduksjon på. Av økonomiske årsaker er biosyntesen via mikrobielle cellefabrikker for tiden den eneste teknikken som brukes på industriproduksjonsnivå av HmOer.

Gjæring av HMOer ved hjelp av mikrobielle cellefabrikker

E.coli, Saccharomyces cerevisiae og Lactococcus laktis brukes ofte til bioproduksjon av biologiske molekyler som HMOer. Fermentering er en biokjemisk prosess ved hjelp av mikroorganismer for å konvertere et substrat til målrettede biologiske molekyler. Mikrobielle cellefabrikker bruker enkle sukkerarter som substrat, som de konverterer til HmOer. Siden enkle sukkerarter (f.eks. laktose) er et rikelig, billig substrat, holder dette biosynteseprosessen kostnadseffektiv.
Vekst og biokonverteringshastighet påvirkes hovedsakelig av masseoverføring av næringsstoffer (substrat) til mikroorganismer. Masseoverføringshastigheten er en hovedfaktor som påvirker produktsyntesen under gjæring. Ultralydbehandling er velkjent for å fremme masseoverføring.
During fermentation, the conditions in the bioreactor must be constantly monitored and regulated so that the cells can grow as quickly as possible in order to then produce the targeted biomolecules (e.g. oligosaccharides such as HMOs; insulin; recombinant proteins). Theoretically, the product formation starts as soon as the cell culture begins to grow. However especially in genetically modified cells such as engineered microorganisms it is usually induced later by adding a chemical substance to the substrate, which upregulates the expression of the targeted biomolecule. Ultrasonic bioreactors (sono-bioreactor) can be precisely controlled and allow for the specific stimulation of microbes. This results in an accelerated biosynthesis and higher yields.
Ultrasonic lysis and extraction: Fermentation of complex HMOs might be limited by low fermentation titers and products remaining intracellular. Ultrasonic lysis and extraction is used to release intracellular material before purification and down-stream processes.

Ultrasonisk forfremmet gjæring

The growth rate of microbes such as Escherichia coli, engineered E.coli, Saccharomyces cerevisiae and Lactococcus lactis can be accelerated by increasing the mass transfer rate and cell wall permeability by applying controlled low-frequency ultrasonication. As a mild, non-thermal processing technique, ultrasonication applies purely mechanical forces into the fermentation broth.
Acoustic Cavitation: The working principle of sonication is based on acoustic cavitation. The ultrasonic probe (sonotrode) couples low-frequency ultrasound d 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 “hot-spot”, 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.
En nøyaktig kontrollert, mild sonikering er velkjent for å intensivere gjæringsprosesser.
Sonikering forbedrer "produktiviteten til mange bioprosesser som involverer levende celler via forbedring av substratopptak, forbedret produksjon eller vekst ved å øke cellepoesiteten og potensielt forbedret frigjøring av cellekomponenter." (Naveena et al. 2015)
Read more about ultrasonically-assisted fermentation!
Fordeler med ultrasonisk intensivert gjæring

  • øket utbytte
  • Akselerert gjæring
  • Cellespesifikk stimulering
  • Forbedret substratopptak
  • Økt celle porøsitet
  • enkel å betjene
  • sikker
  • Enkel ettermontering
  • lineær oppskalering
  • Batch eller iniine behandling
  • rask ROI

Naveena et al. (2015) fant at ultralydintensivering gir flere fordeler under bioprosessering, inkludert lave driftskostnader sammenlignet med andre forbedrende behandlingsalternativer, enkelhet i drift og beskjedne kraftbehov.

Agitated ultrasonic tank (sono-bioreactor) for batch processing

Tank med 8kW ultrasonicators og agitator

Ultralydfermenteringsreaktorer med høy ytelse

Fermenteringsprosesser involverer levende mikroorganismer som bakterier eller gjær, som fungerer som cellefabrikker. Mens sonikering brukes til å fremme masseoverføring og øke mikroorganismens vekst og konverteringsfrekvens, er det avgjørende å kontrollere ultralydintensiteten nettopp for å unngå ødeleggelse av cellefabrikkene.
Hielscher Ultrasonics er spesialist i å designe, produsere og distribuere ultralydmaskiner med høy ytelse, som kan kontrolleres og overvåkes nøyaktig for å sikre overlegen gjæringsutbytte.
Nøyaktig kontroll over ultralydprosessparametrene av Hielscher Ultrasonics' intelligent programvareProsesskontroll er ikke bare avgjørende for høy avkastning og overlegen kvalitet, men gjør det mulig å gjenta og reprodusere resultater. Spesielt når ist kommer til stimulering av cellefabrikker, er den cellespesifikke tilpasningen av sonikeringsparametrene avgjørende for å oppnå høye utbytter og for å forhindre cellenedbrytning. Derfor er alle digitale modeller av Hielscher ultrasonicators utstyrt med intelligent programvare, som lar deg justere, overvåke og revidere sonikeringsparametere. Ultralyd prosessparametere som amplitude, temperatur, trykk, sonikeringsvarighet, driftssykluser og energiinngang er avgjørende for å fremme HMO-produksjon via gjæring.
Den smarte programvaren til Hielscher ultrasonicators registrerer automatisk alle viktige prosessparametere på det integrerte SD-kortet. Den automatiske dataregistreringen av sonikeringsprosessen er grunnlaget for prosessstandardisering og reproduserbarhet / repeterbarhet, som kreves for Good Manufacturing Practices (GMP).

Hielscher Ultrasonics Cascatrode

cascatrodeTm i en ultralyd strømningscelle reaktor

Ultralydrektorer for gjæring

Hielscher Ultrasonics CascatrodeHielscher offers ultrasonic probes of various size, length and geometries, which can be used for batch as well as continuous flow-through treatments. Ultrasonic reactors, also known as sono-bioreactors, are available for any volume covering the ultrasonic bioprocessing from small lab samples to pilot and fully-commercial production level.
Det er velkjent at plasseringen av ultralydsonotroden i reaksjonsbeholderen påvirker fordelingen av kavitasjon og mikrostreaming i mediet. Sonotrode og ultralydreaktor bør velges i henhold til behandlingsvolumet av cellebuljongen. Mens sonikering kan utføres i batch så vel som i kontinuerlig modus, anbefales bruk av kontinuerlig strømningsinstallasjon for høye produksjonsvolumer. Passerer gjennom en ultralydstrømningscelle, får alt cellemedium nøyaktig samme eksponering for sonikering som sikrer den mest effektive behandlingen. Hielscher Ultrasonics bredt spekter av ultralydsonder og strømningscellereaktorer gjør det mulig å montere det ideelle ultralydbioprosesseringsoppsettet.

Hielscher Ultrasonics – Fra lab til pilot til produksjon

Hielscher Ultrasonics dekker hele spekteret av ultralydutstyr som tilbyr kompakte håndholdte ultralydhomogenisatorer for prøveforberedelse til benk-top- og pilotsystemer, samt kraftige industrielle ultralydsenheter som enkelt behandler lastebillaster per time. Hielscher ultrasonicators er allsidig og fleksibel i installasjons- og monteringsalternativer, og kan enkelt integreres i alle typer batchreaktorer, fed-batcher eller kontinuerlige gjennomstrømningsoppsett.
Ulike tilbehør samt tilpassede deler gir mulighet for ideell tilpasning av ultralydoppsettet til dine prosesskrav.
Bygget for 24/7 drift under full belastning og heavy duty under krevende forhold, Hielscher ultralyd prosessorer er pålitelige og krever bare lite vedlikehold.
Tabellen under gir deg en indikasjon på den omtrentlige prosesseringskapasiteten til våre ultralydapparater:

Batchvolum Strømningshastighet Anbefalte enheter
1 til 500 ml 10 til 200 ml / min UP100H
10 til 2000 ml 20 til 400 ml / min Uf200 ः t, UP400St
0.1 til 20L 0.2 til 4l / min UIP2000hdT
10 til 100 liter 2 til 10 l / min UIP4000hdT
na 10 til 100 l / min UIP16000
na større klynge av UIP16000

Kontakt oss! / Spør oss!

Be om mer informasjon

Vennligst bruk skjemaet nedenfor for å be om ytterligere informasjon om ultralydprosessorer, applikasjoner og pris. Vi vil gjerne diskutere prosessen med deg og å tilby deg et ultralydsystem som oppfyller dine krav!









Vær oppmerksom på at Personvernregler.


Hielscher Ultrasonics produserer ultralyd homogenisatorer med høy ytelse for dispersjon, emulgering og celle utvinning.

Høyeffekts ultralyd homogenisatorer fra Lab til Pilot og Industriell skala.

Litteratur / Referanser



Fakta Verdt å vite

Biosynthesis using Cell Factories

A microbial cell factory is a method of bioengineering, which utilizes microbial cells as a production facility. By genetically engineering microbes, the DNA of microorganisms such as bacteria, yeasts, fungi, mammalian cells, or algae is modified turning microbes into cell factories. Cell factories are used to convert substrates into valuable biological molecules, which are used e.g. in food, pharma, chemistry and fuel production. Different strategies of cell factory-based biosynthesis aim at the production of native metabolites, expression of heterologous biosynthetic pathways, or protein expression.
Cell factories can be used to either synthesize native metabolites, to express heterologous biosynthetic pathways, or to express proteins.

Biosynthesis of native metabolites

Native metabolites are defined as biological molecules, which the cells used as cell factory produce naturally. Cell factories produce these biological molecules either intracellularly or a secreted substance. The latter is preferred since it facilitates the separation and purification of the targeted compounds. Examples for native metabolites are amino and nucleic acids, antibiotics, vitamins, enzymes, bioactive compounds, and proteins produced from anabolic pathways of cell.

Heterologus Biosynthetic Pathways

When trying to produce an interesting compound, one of the most important decisions is the choice of production in the native host, and optimize this host, or transfer of the pathway to another well-known host. If the original host can be adapted to an industrial fermentation process, and there are no health-related risks in doing so (e.g., production of toxic by-products), this can be a preferred strategy (as was the case e.g., for penicillin). However, in many modern cases, the potential of using an industrially preferred cell factory and related platform processes out-weighs the difficulty of transferring the pathway.

Protein Expression

The expression of proteins can be achieved via homologous and heterologous ways. In homologous expression, a gene that is naturally present in an organism is over-expressed. Through this over-expression, a higher yield of a certain biological molecule can be produced. For heterologous expression, a specific gene is transferred into a host cell in that the gene is not present naturally. Using cell engineering and recombinant DNA technology, the gene is inserted into the host’s DNA so that the host cell produces (large) amounts of a protein that it would not produce naturally. Protein expression is done in a variety of hosts from bacteria, e.g. E. coli and Bacillis subtilis, yeasts, e.g., Klyuveromyces lactis, Pichia pastoris, S. cerevisiae, filamentous fungi, e.g. as A. niger, and cells derived from multicellular organisms such as mammals and insects. Innummerous proteins are of great commercial interest, including from bulk enzymes, complex bio-pharmaceuticals, diagnostics and research reagents. (cf. A.M. Davy et al. 2017)