Bioreactores ultra-sónicos para fermentação

Os ultra-sons são um meio eficaz de estimular os microrganismos através de vibrações mecânicas e cavitação. Em um sonobioreactor / fermentador ultra-sônico, o tratamento ultra-sônico de células e tecidos torna-se altamente controlável, uma vez que os fatores ambientais podem ser exatamente determinados. Com biorreactores de ultra-sons, a saída de fermentação pode ser significativamente melhorada.

Fermentação

A eficiência da fermentação depende das condições do processo: Os nutrientes, a densidade do meio, a temperatura, o teor de oxigénio/gás e a pressão são factores importantes que influenciam a atividade microbiana. Microorganismos, bem como células de mamíferos prosperar apenas sob certas condições. As condições certas combinadas com a estimulação ultra-sónica podem maximizar o rendimento da fermentação.

Estimulação ultra-sónica de microorganismos

A fermentação é um processo metabólico que converte o açúcar em ácidos, gases ou álcool. Ocorre em leveduras e bactérias, bem como em células musculares carentes de oxigénio, como no caso da fermentação do ácido lático. A fermentação também é utilizada de forma mais ampla para se referir ao crescimento em massa de microrganismos num meio de crescimento, frequentemente com o objetivo de produzir um produto químico específico.
O processo de fermentação é efectuado à escala industrial utilizando microrganismos como bactérias e fungos para a fermentação. Os produtos fermentados são utilizados na indústria alimentar e na indústria em geral. Os produtos químicos, como o ácido acético, o ácido cítrico e o etanol, são produzidos por fermentação. A taxa de fermentação é influenciada pela concentração de microrganismos, células, componentes celulares e enzimas, bem como pela temperatura e pelo pH. Para a fermentação aeróbica, o oxigénio é também um fator chave. Quase todas as enzimas produzidas comercialmente, como a lipase, a invertase e o coalho, são fabricadas por fermentação com micróbios geneticamente modificados.

• Produção de biomassa (material celular viável)
• Produção de metabolitos extracelulares (compostos químicos)
• Produção de componentes intracelulares (enzimas e outras proteínas)
• Transformação do substrato (em que o substrato transformado é ele próprio o produto)

Sonicação antes, durante e após a fermentação

A sonicação, a aplicação de ondas de ultra-sons de baixa frequência, pode ser utilizada antes, durante e após a fermentação de várias formas e em diferentes fases do processo de fermentação.

Tratamento de pré-fermentação por ultra-sons – Melhoria da disponibilidade de biomassa

1. Transferência de massa melhorada: A sonicação como pré-tratamento é utilizada para promover a transferência de massa e tornar o substrato mais disponível para os micróbios. A mistura ultra-sónica promove a transferência de massa de substratos para as células microbianas e de produtos para fora delas. A intensificação ultra-sónica da transferência de massa pode ser aplicada como pré-tratamento, bem como durante a fermentação.
2. Perturbação celular: A sonicação pode ser utilizada para romper as paredes e membranas celulares, particularmente em culturas microbianas ou de leveduras. Isto ajuda a libertar componentes intracelulares, tais como enzimas ou metabolitos, que podem melhorar o desempenho da fermentação ou facilitar os processos a jusante.
3. Extração de compostos intracelulares: A sonicação pode ajudar na extração de compostos intracelulares de materiais biológicos antes da fermentação. Isto inclui a extração de enzimas, proteínas, ácidos nucleicos ou outros compostos alvo de células, tecidos ou materiais vegetais para utilização subsequente em processos de fermentação.

Por exemplo, o pré-tratamento ultrassónico da casca de arroz foi utilizado para melhorar a hidrólise enzimática para a produção de xilooligossacáridos por Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Por sonicação, a produção de enzimas celulolíticas e xilanolíticas a partir da casca de arroz foi significativamente aumentada. O rendimento de hemicelulose foi aumentado para 1,4 vezes sob sonicação e o tempo de produção foi grandemente reduzido de 24 h para 1,5 h a 80ºC – com maior potencial de otimização do processo. A biomassa sonicada é muito mais facilmente convertível para os fungos, pelo que a estabilidade da atividade enzimática é prolongada e a atividade da CMCase, b-glucosidase e xilanase é aumentada em comparação com a casca de arroz não sonicada. Os produtos fermentativos finais foram xilotetraose, xilohexaose e xilooligossacáridos de maior peso molecular. O rendimento de xilohexaose da casca de arroz sonicada foi 80% superior.

Fermentação assistida por ultra-sons – Estimulação dos micróbios

• Mistura e homogeneização: A sonicação pode ser utilizada como uma técnica de mistura durante a fermentação. A aplicação de ondas de ultra-sons ajuda a criar microfluxos e promove a homogeneidade, assegurando uma distribuição uniforme de nutrientes, gases e microrganismos no interior do recipiente de fermentação.
• Melhoria da transferência de massa: Relacionadas com a melhoria da mistura e homogeneização estão as taxas de transferência de massa melhoradas por ultra-sons durante a fermentação. A oscilação ultra-sónica e a cavitação criam turbulência localizada e aumentam a difusão de substratos, gases e nutrientes no caldo de fermentação. Isto pode melhorar a eficiência global e a produtividade do processo de fermentação.
• Melhorar a viabilidade celular e a atividade metabólica: A sonicação pode ser aplicada a culturas microbianas durante a fermentação para aumentar a viabilidade celular e a atividade metabólica. A sonicação suave pode estimular certos microrganismos, promovendo o crescimento, a produção de biomassa e a síntese de metabolitos ou produtos de fermentação desejados.

A sonicação precisamente controlável e repetível ajuda a melhorar a produtividade de vários processos de fermentação sem danificar as células. A intensidade da sonicação pode ser exatamente adaptada às espécies celulares específicas e aos seus requisitos. Através da sonicação controlada, o crescimento e o metabolismo das células são influenciados positivamente e as conversões catalisadas pelas células vivas são significativamente melhoradas, por exemplo, estimulando as Bifidobactérias no leite.
Em alguns processos de fermentação de fungos, a sonicação é utilizada com sucesso para modificar a morfologia do crescimento e a reologia do caldo sem afetar a taxa de crescimento e o rendimento dos fungos filamentosos.

Tratamento pós-fermentativo por ultra-sons

• Colheita e separação de células: A sonicação pode ajudar na colheita e separação de células após a fermentação. Pode ajudar a quebrar agregados celulares, floculantes ou biofilmes, facilitando a libertação de células do caldo de fermentação. Isto simplifica os processos subsequentes a jusante, como a recuperação de células ou a purificação de produtos.
• Extração de produtos intracelulares: Após a fermentação, a sonicação pode ser utilizada para extrair produtos intracelulares, tais como enzimas, proteínas ou metabolitos secundários, da biomassa microbiana ou celular. Este processo de extração ajuda a recuperar compostos valiosos e melhora o rendimento global do processo de fermentação.
• Desintegração celular para fins analíticos: A sonicação pode ser aplicada para romper células ou amostras microbianas após a fermentação, particularmente para fins analíticos. Ajuda na lise celular e na libertação de conteúdos intracelulares, facilitando a análise de componentes celulares ou a realização de ensaios a jusante.

Para a produção de componentes intracelulares, tais como enzimas microbianas (por exemplo, catalase, amilase, protease, pectinase, glucose isomerase, celulase, hemicelulase, lipase, lactase, estreptoquinase) e proteínas recombinantes (por exemplo, insulina, vacina contra a hepatite B, interferão, fator estimulador de colónias de granulócitos, estreptoquinase).por exemplo, insulina, vacina contra a hepatite B, interferão, fator estimulador de colónias de granulócitos, estreptoquinase), as células têm de ser lisadas/rompidas após o processo de fermentação para libertar as proteínas desejadas. Através da sonicação, é facilitada a extração dos complexos polissacárido-proteína intracelulares e extracelulares do caldo de fermentação micelial viscoso. Para além do seu excelente rendimento e eficiência de extração, a sonicação está bem estabelecida e é fiável para a lise celular e a extração de matéria intracelular.
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Bioreactores ultra-sónicos para processos de fermentação melhorados

Hielscher Ultrasonics é de longa data experiente com ultra-sons estimulados bio-processos, tais como a estimulação de células, fermentação, rompimento de células e extração. Nós oferecemos vários reatores ultra-sônicos padrão de diferentes tamanhos e geometrias para sonicação em lote e modo de fluxo. Alternativamente, oferecemos soluções personalizadas para a integração em seu biorreator existente. Uma vez que os nossos processadores de ultra-sons são muito versáteis e requerem apenas um pequeno espaço, a adaptação em plantas biotecnológicas existentes pode ser realizada sem problemas.
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Literatura/Referências