Ultradźwięki są skutecznym środkiem stymulowania mikroorganizmów poprzez wibracje mechaniczne i kawitację. W sonobioreaktorze / fermentatorze ultradźwiękowym obróbka ultradźwiękowa komórek i tkanek staje się wysoce kontrolowana, ponieważ czynniki środowiskowe mogą być dokładnie określone. W przypadku bioreaktorów ultradźwiękowych można znacznie zwiększyć wydajność fermentacji.

fermentacji

Wydajność fermentacji zależy od warunków procesu: Składniki odżywcze, gęstość pożywki, temperatura, zawartość tlenu / gazu i ciśnienie są ważnymi czynnikami wpływającymi na aktywność drobnoustrojów. Mikroorganizmy, a także komórki ssaków rozwijają się tylko w określonych warunkach. Odpowiednie warunki w połączeniu ze stymulacją ultradźwiękową mogą zmaksymalizować wydajność fermentacji.

Ultradźwiękowy Stymulacja Mikroorganizmów

Fermentacja jest procesem metabolicznym przekształca cukier kwasów, gazów lub alkoholu. Występuje u drożdży i bakterii, jak również w komórkach mięśniowych z niedoborem tlenu, podobnie jak w przypadku fermentacji kwasu mlekowego. Fermentacja jest również stosowany szerzej odnieść się do wzrostu luzem mikroorganizmów na pożywce wzrostowej, często z celem wytwarzania określonego produktu chemicznego.
Proces fermentacji prowadzi się na skalę przemysłową, za pomocą mikroorganizmów, takich jak bakterie i grzyby do fermentacji. Fermentowane produkty są stosowane w przemyśle spożywczym i przemyśle ogólnym. Substancji chemicznych, takich jak kwas octowy, kwas cytrynowy i etanolu wytwarzany przez fermentację. Szybkość fermentacji zależy od stężenia mikroorganizmów, komórek, składników komórkowych i enzymy, jak również temperatury i pH. Do fermentacji tlenowej, tlen jest kluczowym czynnikiem zbyt. Prawie wszystkie produkowany enzymy, takie jak lipazy, inwertazy i podpuszczki, wytwarza się przez fermentację drobnoustrojów zmodyfikowanych genetycznie.
 
Ogólnie rzecz biorąc, fermentację można podzielić na cztery typy/etapy procesu:

• Produkcja biomasy (wykazujących materiał komórkowy)
• Wytwarzanie pozakomórkowych metabolitów (związki chemiczne)
• Wytwarzanie składników wewnątrzkomórkowych (enzymy i inne białka)
• Przekształcenie substratu (w którym przekształca substrat jest sam produkt)

Ultradźwiękami przed, podczas i po fermentacji

Sonikacja, zastosowanie fal ultradźwiękowych o niskiej częstotliwości, może być stosowana przed, w trakcie i po fermentacji na różne sposoby i na różnych etapach procesu fermentacji.

Wstępna fermentacja ultradźwiękowa – Poprawa biomasy Dostępność

1. Ulepszony transfer masy: Sonikacja jako obróbka wstępna jest stosowana do wspomagania przenoszenia masy i zwiększania dostępności podłoża dla mikroorganizmów. Mieszanie ultradźwiękowe wspomaga masowe przenoszenie substratów na komórki drobnoustrojów i produktów z dala od nich. Ultradźwiękowa intensyfikacja transferu masy może być stosowana jako obróbka wstępna, jak również podczas fermentacji.
2. Zakłócenia w pracy komórki: Sonikacja może być stosowana do rozbijania ścian komórkowych i błon, szczególnie w kulturach drobnoustrojów lub drożdży. Pomaga to uwolnić składniki wewnątrzkomórkowe, takie jak enzymy lub metabolity, które mogą poprawić wydajność fermentacji lub ułatwić dalsze procesy.
3. Ekstrakcja związków wewnątrzkomórkowych: Sonikacja może pomóc w ekstrakcji związków wewnątrzkomórkowych z materiałów biologicznych przed fermentacją. Obejmuje to ekstrakcję enzymów, białek, kwasów nukleinowych lub innych związków docelowych z komórek, tkanek lub materiałów roślinnych do późniejszego wykorzystania w procesach fermentacji.

Na przykład, ultradźwiękowa obróbka wstępna łuski ryżowej została wykorzystana do zwiększenia hydrolizy enzymatycznej do produkcji ksylooligosacharydów przez Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Dzięki sonikacji produkcja enzymów celulolitycznych i ksylanolitycznych z łuski ryżowej została znacznie zwiększona. Wydajność hemicelulozy została zwiększona do 1,4 razy pod wpływem sonikacji, a czas produkcji został znacznie skrócony z 24 godzin do 1,5 godziny w temperaturze 80ºC. – z dalszego potencjału optymalizacji procesów. Sonikat biomasa jest znacznie łatwiejsze zamienny dla grzybów, tak, że stabilność aktywności enzymu jest wydłużony, a aktywność CMCase B-glukozydazy, a ksylanazy jest zwiększona w porównaniu do nie-sonikowano łusek ryżowych. Produkty końcowe fermentacyjne są xylotetraose, xylohexaose, ksylooligosacharydy i wyższej masie cząsteczkowej. Xylohexaose wydajnością z dźwiękami ryżu kadłub 80% wyższa.

Fermentacja wspomagana ultradźwiękami – Stymulacja mikrobów

• Mieszanie i homogenizacja: Sonikacja może być stosowana jako technika mieszania podczas fermentacji. Zastosowanie fal ultradźwiękowych pomaga tworzyć mikrostrumienie i promuje jednorodność, zapewniając równomierny rozkład składników odżywczych, gazów i mikroorganizmów w naczyniu fermentacyjnym.
• Wzmocnienie transferu masy: Związane z ulepszonym mieszaniem i homogenizacją są ultradźwiękowo ulepszone szybkości transferu masy podczas fermentacji. Oscylacje ultradźwiękowe i kawitacja tworzą miejscowe turbulencje i zwiększają dyfuzję substratów, gazów i składników odżywczych do bulionu fermentacyjnego. Może to poprawić ogólną wydajność i produktywność procesu fermentacji.
• Poprawa żywotności komórek i aktywności metabolicznej: Sonikacja może być stosowana do hodowli drobnoustrojów podczas fermentacji w celu zwiększenia żywotności komórek i aktywności metabolicznej. Łagodna sonikacja może stymulować niektóre mikroorganizmy, promując wzrost, produkcję biomasy i syntezę pożądanych metabolitów lub produktów fermentacji.

Precyzyjnie kontrolowana i powtarzalne działanie ultradźwiękami pomaga zwiększyć wydajność wielu procesów fermentacyjnych bez uszkodzenia komórek. Intensywność sonikacyjne może być dokładnie dostosowany do specyficznych gatunków komórek i jego wymagań. Przez kontrolowane ultradźwiękami, wzrost komórek i pozytywny wpływ na metabolizm i konwersje katalizowane przez komórki żywe są znacznie lepsze, na przykład stymulowanie bifidobakterii w mleku.
W niektórych procesach fermentacyjnych grzybowych opartych sonikację z powodzeniem wykorzystywane do modyfikowania wzrostu i morfologię bulionu reologii bez wpływu na wzrost i wydajność grzybów nitkowatych.

Ultradźwiękowa obróbka po fermentacji

• Zbieranie i separacja komórek: Sonikacja może pomóc w zbieraniu i oddzielaniu komórek po fermentacji. Może pomóc w rozbijaniu agregatów komórek, flokulantów lub biofilmów, ułatwiając uwalnianie komórek z bulionu fermentacyjnego. Upraszcza to późniejsze procesy, takie jak odzyskiwanie komórek lub oczyszczanie produktu.
• Ekstrakcja produktów wewnątrzkomórkowych: Po fermentacji sonikacja może być stosowana do ekstrakcji produktów wewnątrzkomórkowych, takich jak enzymy, białka lub metabolity wtórne, z biomasy drobnoustrojów lub komórek. Ten proces ekstrakcji pomaga odzyskać cenne związki i poprawia ogólną wydajność procesu fermentacji.
• Dezintegracja komórek do celów analitycznych: Sonikacja może być stosowana do rozbijania komórek lub próbek drobnoustrojów po fermentacji, szczególnie do celów analitycznych. Pomaga w lizie komórek i uwalnianiu zawartości wewnątrzkomórkowej, ułatwiając analizę składników komórkowych lub wykonywanie dalszych testów.

Do wytwarzania wewnątrzkomórkowych składników, takich jak enzymy bakteryjne (np katalaza, amylaza, proteaza, pektynaza, izomeraza glukozy, celulazę, hemicelulazę, lipazę, laktazy, streptokinaza) i rekombinowanych białek (na przykład insulina, szczepionki zapalenia wątroby typu B, interferon, stymulujący kolonie granulocytów czynnik, streptokinaza), gdy komórki muszą zostać poddane lizie / zakłócony po procesie fermentacji w celu uwolnienia żądanego białka. Ultradźwiękami, ekstrakcji wewnątrzkomórkowych i zewnątrzkomórkowych kompleksu polisacharyd-białko z lepkiego grzybni brzeczki fermentacyjnej jest ułatwione. Oprócz jej doskonałą wydajność ekstrakcji i wydajności sonikację są dobrze znane i niezawodne do lizy komórek i ekstrakcji wewnątrzkomórkowego materii.
Kliknij tutaj, aby przeczytać o mor lizy i ekstrakcji ultradźwiękowej!

Bioreaktory ultradźwiękowe do ulepszonych procesów fermentacji

Hielscher Ultrasonics ma wieloletnie doświadczenie w bioprocesach stymulowanych ultradźwiękami, takich jak stymulacja komórek, fermentacja, rozrywanie komórek i ekstrakcja. Oferujemy różne standardowe reaktory ultradźwiękowe o różnych rozmiarach i geometriach do sonikacji w trybie wsadowym i przepływowym. Alternatywnie oferujemy niestandardowe rozwiązania do integracji z istniejącym bioreaktorem. Ponieważ nasze procesory ultradźwiękowe są bardzo wszechstronne i wymagają tylko niewielkiej przestrzeni, modernizacja istniejących instalacji biotechnologicznych może być realizowana bez problemów.
Przeczytaj więcej o typach, konstrukcjach i zastosowaniach reaktorów ultradźwiękowych tutaj!
Tabela poniżej wskazuje ogólne zalecenia urządzeń zalżnie od wielkości partii albo natężeniu przepływu do przetworzenia. Kliknij typ urządzenia, aby uzyskać więcej informacji na temat tego urządzenia.

Literatura / Referencje