Biosyntetyczna produkcja mleka ludzkiego Oligosacharydy

Biosynteza oligosacharydów mleka ludzkiego (HMO) poprzez fermentację lub reakcje enzymatyczne jest procesem złożonym, konsumującym i często mało wydajnym. Ultrasonizacja zwiększa transfer masy pomiędzy substratami a fabrykami komórek i stymuluje wzrost i metabolizm komórek. W ten sposób ultradźwięk intensyfikuje fermentację i procesy biochemiczne, co prowadzi do szybszej i bardziej wydajnej produkcji HMO.

Mleko ludzkie Oligosacharydy

Oligosacharydy mleka ludzkiego (HMO), znane również jako glikany mleka ludzkiego, są cząsteczkami cukru, które należą do grupy oligosacharydów. Znaczącymi przykładami HMO są 2'-fukosylaktozy (2′-FL), lakto-N-neotetraoza (LNnT), 3'-galaktozylo-laktozy (3′-GL), i difukosylaktozy (DFL).
Podczas gdy ludzkie mleko matki składa się z ponad 150 różnych struktur HMO, jedynie 2′-fukozylo-laktozy (2′-FL) i lakto-N-neotetraozy (LNnT) są obecnie produkowane na poziomie handlowym i stosowane jako dodatki odżywcze w preparatach dla niemowląt.
Oligosacharydy mleka ludzkiego (HMO) są znane z ich znaczenia w żywieniu dzieci. Ludzkie oligosacharydy mleka są unikalnym rodzajem składników odżywczych, które działają jako prebiotyki, antyadhezyjne środki przeciwdrobnoustrojowe i immunomodulatory w jelitach niemowląt i przyczyniają się znacząco do rozwoju mózgu. HMO znajdują się wyłącznie w ludzkim mleku matki; inne mleko ssaków (np. krowy, kozy, owce, wielbłądy itp.) nie mają tej specyficznej formy oligosacharydów.
Oligosacharydy mleka ludzkiego są trzecim najobfitszym składnikiem stałym w mleku ludzkim, który może być obecny w postaci rozpuszczonej lub zemulgowanej lub zawieszonej w wodzie. Laktoza i kwasy tłuszczowe są najobfitszą substancją stałą występującą w mleku ludzkim. HMO są obecne w stężeniu 0,35-0,88 uncji (9,9-24,9 g)/L. Znanych jest około 200 różnych strukturalnie oligosacharydów w mleku ludzkim. Dominującym oligosacharydem u 80% wszystkich kobiet jest 2′-fukosylaktozy, która jest obecna w ludzkim mleku matki w stężeniu około 2,5 g/l.
Ponieważ HMO nie są trawione, nie przyczyniają się kalorycznie do odżywiania. Jako niestrawne węglowodany funkcjonują jako prebiotyki i są selektywnie fermentowane przez pożądaną mikroflorę jelitową, w szczególności bifidobakterie.

Biosynteza mleka ludzkiego Oligosacharydy

Fabryki komórek i systemy enzymatyczne / chemo-enzymatyczne to aktualne technologie wykorzystywane do syntezy HMO. Dla produkcji HMO na skalę przemysłową, fermentacja fabryk komórek mikrobiologicznych, synteza biochemiczna i różne reakcje enzymatyczne są możliwymi sposobami produkcji biologicznej HMO. Ze względów ekonomicznych, biosynteza za pośrednictwem fabryk komórek drobnoustrojowych jest obecnie jedyną techniką stosowaną na poziomie produkcji przemysłowej HMO.

Fermentacja HMO przy użyciu fabryk komórek bakteryjnych

E.coli, Saccharomyces cerevisiae i Lactococcus lactis są powszechnie stosowanymi fabrykami komórek używanymi do bioprodukcji cząsteczek biologicznych, takich jak HMO. Fermentacja jest procesem biochemicznym wykorzystującym mikroorganizmy do przekształcenia substratu w docelowe cząsteczki biologiczne. Fabryki komórek mikrobiologicznych używają jako substratu cukrów prostych, które przekształcają w HMO. Ponieważ cukry proste (np. laktoza) są bogatym, tanim substratem, dzięki temu proces biosyntezy jest efektywny kosztowo.
Na wzrost i tempo biokonwersji wpływa głównie masowy transfer składników odżywczych (substratów) do mikroorganizmów. Szybkość transferu masy jest głównym czynnikiem wpływającym na syntezę produktu podczas fermentacji. Ultrasonizacja jest dobrze znana jako czynnik sprzyjający masowemu przenoszeniu składników pokarmowych.
Podczas fermentacji warunki w bioreaktorze muszą być stale monitorowane i regulowane, tak aby komórki mogły jak najszybciej rosnąć, a następnie produkować docelowe biomolekuły (np. oligosacharydy, takie jak HMO; insulina; białka rekombinowane). Teoretycznie tworzenie się produktu rozpoczyna się w momencie, gdy rozpoczyna się wzrost kultury komórkowej. Jednak szczególnie w komórkach genetycznie modyfikowanych, takich jak mikroorganizmy techniczne, indukowane jest ono zazwyczaj później przez dodanie do podłoża substancji chemicznej, która reguluje ekspresję docelowej biomolekuły. Bioreaktory ultradźwiękowe (sono-bioreaktor) mogą być precyzyjnie kontrolowane i pozwalają na specyficzną stymulację mikroorganizmów. W ten sposób uzyskuje się przyspieszoną biosyntezę i wyższą wydajność.
Ultrasonograficzna liza i ekstrakcja: Fermentacja złożonych HMO może być ograniczona przez niskie miana fermentacyjne i produkty pozostające wewnątrzkomórkowe. Lizę i ekstrakcję ultradźwiękową stosuje się w celu uwolnienia materiału wewnątrzkomórkowego przed procesem oczyszczania i procesem "down-stream".

Fermentacja wspierana ultradźwiękami

Szybkość wzrostu mikroorganizmów takich jak Escherichia coli, E.coli, Saccharomyces cerevisiae i Lactococcus lactis można przyspieszyć poprzez zwiększenie szybkości przenoszenia masy i przepuszczalności ścian komórkowych poprzez zastosowanie kontrolowanej ultrasonografii niskiej częstotliwości. Jako łagodna, nietermiczna technika przetwarzania, ultradźwięki działają czysto mechanicznie na bulion fermentacyjny.
Kawitacja akustyczna: Zasada działania sonikacji opiera się na kawitacji akustycznej. Sonda ultradźwiękowa (sonotroda) wprowadza do medium fale ultradźwiękowe o niskiej częstotliwości. Fale ultradźwiękowe przechodzą przez ciecz, tworząc naprzemienne cykle wysokiego ciśnienia (ściskanie) i niskiego ciśnienia (rozprężanie). W wyniku ściskania i rozciągania cieczy w naprzemiennych cyklach powstają drobne pęcherzyki próżniowe. Te małe pęcherzyki próżni rosną przez kilka cykli, aż osiągną rozmiar, przy którym nie będą w stanie absorbować dalszej energii. W momencie maksymalnego wzrostu pęcherzyk imploduje gwałtownie i wytwarza lokalnie ekstremalne warunki, znane jako zjawisko kawitacji. W kawitacyjnym "gorącym punkcie" można zaobserwować duże różnice ciśnień i temperatur oraz intensywne siły ścinające ze strumieniami cieczy o prędkości do 280 m/sek. Dzięki efektom kawitacyjnym uzyskuje się dokładne przenoszenie masy i sonoporację (perforację ścian komórkowych i błon komórkowych). Składniki odżywcze substratu są przenoszone do żywych komórek, dzięki czemu fabryki komórkowe są optymalnie odżywione, a wzrost i konwersja przyspieszone. Bioreaktory ultradźwiękowe to prosta, ale bardzo skuteczna strategia przetwarzania biomasy w procesie biosyntezy w jednym cyklu.
Dokładnie kontrolowana, łagodna syrenacja jest dobrze znana z intensyfikacji procesów fermentacyjnych.
Sonikacja poprawia "wydajność wielu bioprocesów z udziałem żywych komórek poprzez zwiększenie absorpcji substratów, zwiększenie produkcji lub wzrostu poprzez zwiększenie porowatości komórek i potencjalnie lepsze uwalnianie składników komórek". (Naveena i in. 2015)
Przeczytaj więcej o fermentacji wspomaganej ultradźwiękami!

Naveena i in. (2015) stwierdziła, że intensyfikacja ultradźwiękowa oferuje szereg korzyści podczas bioprzetwarzania, w tym niskie koszty operacyjne w porównaniu z innymi opcjami intensyfikacji, prostotę obsługi i niewielkie zapotrzebowanie na energię.

Wysokowydajne Ultradźwiękowe Reaktory Fermentacyjne o wysokiej wydajności

Procesy fermentacji dotyczą żywych mikroorganizmów, takich jak bakterie lub drożdże, które funkcjonują jako fabryki komórek. Podczas gdy ultradźwięki są stosowane w celu promowania masowego transferu i zwiększenia wzrostu i konwersji mikroorganizmów, istotne jest, aby dokładnie kontrolować intensywność ultradźwięków, aby uniknąć zniszczenia fabryk komórek.
Hielscher Ultrasonics specjalizuje się w projektowaniu, produkcji i dystrybucji wysokowydajnych ultrasonografów, które mogą być precyzyjnie kontrolowane i monitorowane w celu zapewnienia najwyższej wydajności fermentacji.

Kontrola procesu jest nie tylko niezbędna dla uzyskania wysokiej wydajności i najwyższej jakości, ale także umożliwia powtarzanie i odtwarzanie wyników. Zwłaszcza jeśli chodzi o stymulację fabryk komórek, specyficzna dla komórek adaptacja parametrów sonikacji jest niezbędna do osiągnięcia wysokiej wydajności i zapobiegania degradacji komórek. Dlatego też wszystkie cyfrowe modele ultrasonografów firmy Hielscher są wyposażone w inteligentne oprogramowanie, które umożliwia regulację, monitorowanie i korektę parametrów sonacji. Parametry procesu ultradźwiękowego, takie jak amplituda, temperatura, ciśnienie, czas trwania syreny, cykle pracy i pobór energii, są niezbędne do promowania produkcji HMO poprzez fermentację.
Inteligentne oprogramowanie ultrasonografów firmy Hielscher automatycznie zapisuje wszystkie ważne parametry procesu na zintegrowanej karcie SD. Automatyczna rejestracja danych procesu ultradźwiękowego jest podstawą standaryzacji procesu i powtarzalności / powtarzalności, które są wymagane w ramach Dobrych Praktyk Wytwarzania (GMP).

Rektory ultradźwiękowe do fermentacji

Firma Hielscher oferuje sondy ultradźwiękowe o różnej wielkości, długości i geometrii, które mogą być stosowane zarówno do zabiegów wsadowych, jak i ciągłych. Reaktory ultradźwiękowe, znane również jako sono-bioreaktory, są dostępne dla każdej objętości pokrywającej bioprocesory ultradźwiękowe, od małych próbek laboratoryjnych do poziomu produkcji pilotażowej i w pełni komercyjnej.
Powszechnie wiadomo, że umiejscowienie sonotrody ultradźwiękowej w naczyniu reakcyjnym wpływa na rozmieszczenie kawitacji i mikrostrumieniowania w medium. Sonotroda i reaktor ultradźwiękowy powinny być dobierane w zależności od objętości roboczej bulionu komórkowego. Podczas gdy sonikowanie może być wykonywane zarówno w trybie wsadowym, jak i ciągłym, dla dużych objętości produkcyjnych zaleca się stosowanie instalacji o ciągłym przepływie. Przechodząc przez kuwetę przepływową ultradźwiękową, wszystkie medium kuwetowe poddawane jest dokładnie takiej samej ekspozycji na sonizację, co zapewnia najbardziej efektywną obróbkę. Szeroka gama sond ultradźwiękowych i reaktorów przepływowych firmy Hielscher Ultrasonics pozwala na zamontowanie idealnej instalacji do biobróbki ultradźwiękowej.

Hielscher Ultrasonics – Od laboratorium do pilota do produkcji

Hielscher Ultrasonics obejmuje pełne spektrum urządzeń ultradźwiękowych, oferując kompaktowe ręczne homogenizatory ultradźwiękowe do przygotowywania próbek do systemów stacjonarnych i pilotażowych, a także wydajne przemysłowe urządzenia ultradźwiękowe, które z łatwością przetwarzają ładunki samochodów ciężarowych na godzinę. Ultrasonografy firmy Hielscher są wszechstronne i elastyczne w zakresie możliwości instalacji i montażu, dzięki czemu można je łatwo zintegrować z wszelkiego rodzaju reaktorami wsadowymi, wsadami zasilającymi lub układami z ciągłym przepływem.
Różne akcesoria, jak również części dostosowane do indywidualnych potrzeb klienta pozwalają na idealne dostosowanie ustawień ultradźwiękowych do wymagań procesu.
Zbudowane z myślą o pracy w trybie 24/7 przy pełnym obciążeniu i dużym obciążeniu w wymagających warunkach, ultradźwiękowe procesory Hielscher są niezawodne i wymagają jedynie niewielkiej konserwacji.
Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators: