Bioreaktory ultradźwiękowe do fermentacji

Ultradźwięki są skutecznym sposobem stymulowania mikroorganizmów za pomocą drgań mechanicznych i kawitacji. W sonobioreaktorze / fermentorze ultradźwiękowym obróbkę ultradźwiękową komórek i tkanek można kontrolować z dużą precyzją, ponieważ czynniki środowiskowe można dokładnie określić. Dzięki bioreaktorom ultradźwiękowym można znacznie zwiększyć wydajność fermentacji.

Fermentacja

Efektywność fermentacji zależy od warunków procesu: składniki odżywcze, gęstość podłoża, temperatura, zawartość tlenu / gazu oraz ciśnienie to ważne czynniki wpływające na aktywność mikroorganizmów. Mikroorganizmy, podobnie jak komórki ssaków, rozwijają się tylko w określonych warunkach. Odpowiednie warunki w połączeniu ze stymulacją ultradźwiękową mogą zmaksymalizować wydajność fermentacji.

Ultradźwiękowa stymulacja mikroorganizmów

Fermentacja to proces metaboliczny, w którym cukier jest przekształcany w kwasy, gazy lub alkohol. Zachodzi u drożdży i bakterii, a także w komórkach mięśniowych przy niedoborze tlenu, jak w przypadku fermentacji mlekowej. Termin fermentacja jest również używany w szerszym znaczeniu do określenia masowego namnażania mikroorganizmów na podłożu hodowlanym, często w celu wytworzenia określonego produktu chemicznego.
Procesy fermentacji prowadzi się na skalę przemysłową, wykorzystując mikroorganizmy, takie jak bakterie i grzyby. Produkty fermentacji są stosowane w przemyśle spożywczym i innych gałęziach przemysłu. Substancje chemiczne, takie jak kwas octowy, kwas cytrynowy i etanol, są wytwarzane w drodze fermentacji. Na szybkość fermentacji wpływają stężenia mikroorganizmów, komórek, składników komórkowych i enzymów, a także temperatura i pH. W przypadku fermentacji tlenowej również tlen jest kluczowym czynnikiem. Niemal wszystkie enzymy produkowane komercyjnie, takie jak lipaza, inwertaza i podpuszczka, są wytwarzane w drodze fermentacji z wykorzystaniem genetycznie zmodyfikowanych mikroorganizmów.

• Produkcja biomasy (żywego materiału komórkowego)
• Produkcja metabolitów zewnątrzkomórkowych (związków chemicznych)
• Produkcja składników wewnątrzkomórkowych (enzymów i innych białek)
• Przekształcanie substratu (w którym przekształcony substrat sam stanowi produkt)

Sonikacja przed fermentacją, w jej trakcie i po jej zakończeniu

Sonikacja, czyli zastosowanie fal ultradźwiękowych o niskiej częstotliwości, może być wykorzystywana przed fermentacją, w jej trakcie i po jej zakończeniu na różne sposoby i na różnych etapach procesu fermentacji.

Obróbka ultradźwiękowa przed fermentacją – poprawa dostępności biomasy

1. Poprawa transportu masy: Sonikacja jako obróbka wstępna jest stosowana w celu usprawnienia transportu masy i zwiększenia dostępności substratu dla mikroorganizmów. Mieszanie ultradźwiękowe usprawnia transport masy substratów do komórek mikroorganizmów oraz produktów z tych komórek. Ultradźwiękowa intensyfikacja transportu masy może być stosowana zarówno jako obróbka wstępna, jak i podczas fermentacji.
2. Rozbijanie komórek: Sonikacja może być stosowana do rozbijania ścian i błon komórkowych, szczególnie w hodowlach mikroorganizmów lub drożdży. Pomaga to uwolnić składniki wewnątrzkomórkowe, takie jak enzymy lub metabolity, co może poprawić wydajność fermentacji lub ułatwić dalsze etapy procesu.
3. Ekstrakcja związków wewnątrzkomórkowych: Sonikacja może wspomagać ekstrakcję 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 wstępną obróbkę ultradźwiękową łusek ryżu zastosowano w celu usprawnienia hydrolizy enzymatycznej do produkcji ksylooligosacharydów przez Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Dzięki sonikacji znacznie zwiększono produkcję enzymów celulolitycznych i ksylanolitycznych z łusek ryżu. Pod wpływem sonikacji uzysk hemicelulozy wzrósł do 1,4-krotności wartości początkowej, a czas produkcji znacznie skrócono z 24 h do 1,5 h w temperaturze 80ºC – z dalszym potencjałem optymalizacji procesu. Biomasa poddana sonikacji jest znacznie łatwiejsza do przekształcenia przez grzyby, dzięki czemu stabilność aktywności enzymatycznej utrzymuje się dłużej, a aktywność CMCase, b-glukozydazy i ksylanazy jest większa niż w przypadku łusek ryżu niepoddanych sonikacji. Końcowymi produktami fermentacji były ksylotetraoza, ksyloheksaoza i ksylooligosacharydy o większej masie cząsteczkowej. Uzysk ksyloheksaozy z łusek ryżu poddanych sonikacji był o 80% wyższy.

Fermentacja wspomagana ultradźwiękami – stymulacja mikroorganizmów

• Mieszanie i homogenizacja: Sonikacja może być stosowana jako technika mieszania podczas fermentacji. Zastosowanie fal ultradźwiękowych pomaga wytworzyć mikroprzepływy i sprzyja jednorodności, zapewniając równomierne rozmieszczenie składników odżywczych, gazów i mikroorganizmów w zbiorniku fermentacyjnym.
• Intensyfikacja transportu masy: Z poprawą mieszania i homogenizacji wiąże się zwiększenie szybkości transportu masy podczas fermentacji dzięki ultradźwiękom. Drgania ultradźwiękowe i kawitacja wywołują lokalne turbulencje i zwiększają dyfuzję substratów, gazów i składników odżywczych do brzeczki fermentacyjnej. Może to poprawić ogólną efektywność i produktywność procesu fermentacji.
• Poprawa żywotności komórek i aktywności metabolicznej: Sonikację można stosować w hodowlach mikroorganizmów podczas fermentacji w celu poprawy żywotności komórek i aktywności metabolicznej. Łagodna sonikacja może stymulować niektóre mikroorganizmy, sprzyjając wzrostowi, produkcji biomasy oraz syntezie pożądanych metabolitów lub produktów fermentacji.

Sonikacja, którą można precyzyjnie kontrolować i powtarzać, pomaga zwiększyć produktywność różnych procesów fermentacji bez uszkadzania komórek. Intensywność sonikacji można dokładnie dostosować do konkretnego gatunku komórek i jego wymagań. Kontrolowana sonikacja korzystnie wpływa na wzrost i metabolizm komórek oraz znacznie usprawnia przemiany katalizowane przez żywe komórki, np. poprzez stymulowanie bifidobakterii w mleku.
W niektórych procesach fermentacji prowadzonych z udziałem grzybów sonikacja jest z powodzeniem stosowana do modyfikacji morfologii wzrostu i reologii brzeczki bez wpływu na szybkość wzrostu i uzysk grzybów strzępkowych.

Obróbka ultradźwiękowa po fermentacji

• Zbieranie i separacja komórek: Sonikacja może wspomagać zbieranie i separację komórek po fermentacji. Może pomagać w rozbijaniu agregatów komórkowych, flokulantów lub biofilmów, ułatwiając uwalnianie komórek z brzeczki fermentacyjnej. Upraszcza to kolejne etapy procesu, 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 mikroorganizmów lub biomasy komórkowej. Ten proces ekstrakcji pomaga odzyskać cenne związki i zwiększa ogólną wydajność procesu fermentacji.
• Rozbijanie komórek do celów analitycznych: Sonikacja może być stosowana do rozbijania komórek lub próbek mikroorganizmów po fermentacji, szczególnie do celów analitycznych. Wspomaga lizę komórek i uwalnianie ich zawartości wewnątrzkomórkowej, ułatwiając analizę składników komórkowych lub wykonywanie oznaczeń na dalszych etapach.

W celu produkcji składników wewnątrzkomórkowych, takich jak enzymy mikroorganizmów (np. katalaza, amylaza, proteaza, pektynaza, izomeraza glukozowa, celulaza, hemicelulaza, lipaza, laktaza, streptokinaza) i białka rekombinowane (np. insulina, szczepionka przeciw wirusowemu zapaleniu wątroby typu B, interferon, czynnik stymulujący tworzenie kolonii granulocytów, streptokinaza), komórki muszą zostać poddane lizie / rozbite po procesie fermentacji, aby uwolnić pożądane białka. Sonikacja ułatwia ekstrakcję wewnątrzkomórkowych i zewnątrzkomórkowych kompleksów polisacharydowo–białkowych z lepkiej brzeczki fermentacyjnej zawierającej grzybnię. Oprócz wyjątkowego uzysku i efektywności ekstrakcji sonikacja jest sprawdzoną i niezawodną metodą lizy komórek oraz ekstrakcji materiału wewnątrzkomórkowego.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o ultradźwiękowej lizie i ekstrakcji!

Bioreaktory ultradźwiękowe usprawniające procesy fermentacji

Hielscher Ultrasonics ma wieloletnie doświadczenie w bioprocesach stymulowanych ultradźwiękami, takich jak stymulacja komórek, fermentacja, rozbijanie komórek i ekstrakcja. Oferujemy różne standardowe reaktory ultradźwiękowe o różnych rozmiarach i geometriach do sonikacji w trybie okresowym i przepływowym. Alternatywnie oferujemy rozwiązania dostosowane do indywidualnych potrzeb, przeznaczone do integracji z istniejącym bioreaktorem. Ponieważ nasze procesory ultradźwiękowe są bardzo wszechstronne i wymagają jedynie niewielkiej przestrzeni, można je bez problemów instalować w istniejących instalacjach biotechnologicznych.
Tutaj dowiesz się więcej o typach, konstrukcjach i zastosowaniach reaktorów ultradźwiękowych!
Poniższa tabela przedstawia ogólne zalecenia dotyczące doboru urządzeń w zależności od objętości partii lub natężenia przepływu przetwarzanego materiału. Kliknij typ urządzenia, aby uzyskać więcej informacji o danym urządzeniu.

Literatura/Źródła

• 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.