Bioreaktory ultradźwiękowe do fermentacji

Ultradźwięki są skutecznym środkiem do stymulowania mikroorganizmów za pomocą drgań mechanicznych i kawitacji. W sonobioreaktorze / fermentorze ultradźwiękowym ultradźwiękowa obróbka komórek i tkanek staje się wysoce kontrolowana, ponieważ czynniki środowiskowe można dokładnie określić. Dzięki bioreaktorom ultradźwiękowym 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.

Ultradźwiękowa stymulacja mikroorganizmów

Fermentacja to proces metaboliczny, który przekształca cukier w kwasy, gazy lub alkohol. Zachodzi w drożdżach i bakteriach, a także w pozbawionych tlenu komórkach mięśniowych, jak w przypadku fermentacji kwasu mlekowego. Fermentacja jest również szerzej stosowana w odniesieniu do masowego wzrostu mikroorganizmów na pożywce, często w celu wytworzenia określonego produktu chemicznego.
Proces fermentacji jest przeprowadzany na skalę przemysłową przy użyciu mikroorganizmów, takich jak bakterie i grzyby. Sfermentowane produkty są wykorzystywane w przemyśle spożywczym i ogólnym. Substancje chemiczne, takie jak kwas octowy, kwas cytrynowy i etanol, są wytwarzane w procesie fermentacji. Na szybkość fermentacji wpływa stężenie mikroorganizmów, komórek, składników komórkowych i enzymów, a także temperatura i pH. W przypadku fermentacji tlenowej kluczowym czynnikiem jest również tlen. Prawie wszystkie komercyjnie produkowane enzymy, takie jak lipaza, inwertaza i podpuszczka, są wytwarzane w procesie fermentacji przy użyciu genetycznie zmodyfikowanych drobnoustrojów.

• Produkcja biomasy (żywego materiału komórkowego)
• Produkcja metabolitów pozakomórkowych (związków chemicznych)
• Produkcja składników wewnątrzkomórkowych (enzymów i innych białek)
• Przekształcenie substratu (w którym przekształcony substrat sam jest produktem)

Sonikacja przed, w trakcie 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 dostępności biomasy

1. Ulepszony transfer masy: Sonikacja jako obróbka wstępna jest stosowana w celu promowania transferu masy i zwiększenia dostępności substratu dla drobnoustrojów. Mieszanie ultradźwiękowe wspomaga przenoszenie masy substratów do komórek drobnoustrojów i produktów z dala od nich. Ultradźwiękowa intensyfikacja transferu masy może być stosowana jako obróbka wstępna, jak również podczas fermentacji.
2. Zakłócenie działania komórek: 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 dalszym potencjałem optymalizacji procesu. Sonikowana biomasa jest znacznie łatwiejsza do konwersji dla grzybów, dzięki czemu stabilność aktywności enzymatycznej jest przedłużona, a aktywność CMCase, b-glukozydazy i ksylanazy jest zwiększona w porównaniu do niesonikowanej łuski ryżowej. Końcowymi produktami fermentacji były ksylotetraoza, ksyloheksaoza i ksylooligosacharydy o wyższej masie cząsteczkowej. Wydajność ksyloheksaozy z sonikowanej łuski ryżowej była o 80% wyższa.

Fermentacja wspomagana ultradźwiękami – Stymulacja drobnoustrojów

• 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 powtarzalna sonikacja pomaga poprawić wydajność różnych procesów fermentacji bez uszkadzania komórek. Intensywność sonikacji może być dokładnie dostosowana do konkretnego gatunku komórek i jego wymagań. Kontrolowana sonikacja ma pozytywny wpływ na wzrost i metabolizm komórek, a konwersje katalizowane przez żywe komórki ulegają znacznej poprawie, np. stymulując Bifidobacteria w mleku.
W przypadku niektórych procesów fermentacji napędzanych przez grzyby, sonikacja jest z powodzeniem stosowana do modyfikowania morfologii wzrostu i reologii bulionu bez wpływu na tempo wzrostu i wydajność grzybów strzępkowych.

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 produkcji składników wewnątrzkomórkowych, takich jak enzymy mikrobiologiczne (np. katalaza, amylaza, proteaza, pektynaza, izomeraza glukozy, celulaza, hemicelulaza, lipaza, laktaza, streptokinaza) i rekombinowane białka (np. insulina, szczepionka przeciwko wirusowemu zapaleniu wątroby typu B, interferon, czynnik stymulujący tworzenie kolonii granulocytów, streptokinaza).insulina, szczepionka przeciwko wirusowemu zapaleniu wątroby typu B, interferon, czynnik stymulujący tworzenie kolonii granulocytów, streptokinaza), komórki muszą zostać poddane lizie / rozbiciu po procesie fermentacji w celu uwolnienia pożądanych białek. Dzięki sonikacji ułatwiona jest ekstrakcja wewnątrzkomórkowych i zewnątrzkomórkowych kompleksów polisacharydowo-białkowych z lepkiego bulionu fermentacyjnego grzybni. Oprócz wyjątkowej wydajności i skuteczności ekstrakcji, sonikacja jest dobrze ugruntowana i niezawodna w lizie komórek i ekstrakcji materii wewnątrzkomórkowej.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o ultradźwiękowej lizie i ekstrakcji!

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