Ultrassônico é um meio eficaz para estimular microrganismos por vibrações mecânicas e cavitação. Em um fermentador sonobioreator /ultrassônico, o tratamento ultrassônico das células e tecidos torna-se altamente controlável, uma vez que os fatores ambientais podem ser exatamente determinados. Com bioreatores ultrassônicos, a produção de fermentação pode ser significativamente melhorada.

Fermentação

A eficiência da fermentação depende das condições do processo: Nutrientes, densidade do meio, temperatura, teor de oxigênio/gás e pressão são fatores importantes que influenciam a atividade microbiana. Micro-organismos, bem como células de mamíferos prosperam apenas sob certas condições. As condições certas combinadas com estimulação ultra-sônica podem maximizar o rendimento da fermentação.

Ultrasonic Estimulação de Microrganismos

A fermentação é um processo metabólico que converte o açúcar de ácidos, gases, ou álcool. Ela ocorre em leveduras e bactérias, e também em células musculares privao de oxigio, tal como no caso da fermentação do ácido láctico. A fermentação é também utilizado mais amplamente para se referir ao crescimento grandes quantidades de microrganismos sobre um meio de crescimento, muitas vezes, com o objectivo de produzir um produto químico específico.
processo de fermentação são realizadas em escala industrial utilizando microrganismos, tais como bactérias e fungos para a fermentação. produtos fermentados são utilizados na indústria de alimentos e geral. Produtos químicos, tais como ácido acético, ácido cítrico, etanol e são produzidos por fermentação. A taxa de fermentação é influenciada pela concentração de microorganismos, células, componentes celulares, e enzimas, bem como a temperatura e pH. Por fermentação aeróbia, o oxigênio é um fator-chave também. enzimas quase todos produzidos comercialmente, tais como a lipase, invertase e coalho, são feitas por fermentação com micróbios geneticamente modificados.
 
Em geral, as fermentações podem ser divididas em quatro tipos/etapas de processo:

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

Sonicação antes, durante e após a fermentação

A sonicação, a aplicação de ondas de ultrassom de baixa frequência, pode ser usada antes, durante e após a fermentação de várias maneiras e em diferentes etapas do processo fermentativo.

Tratamento de pré-fermentação ultra-sônica – Melhoria da Biomassa Disponibilidade

1. Transferência de massa melhorada: A sônica como pré-tratamento é usada para promover a transferência de massa e tornar o substrato mais disponível para os micróbios. A mistura ultrassônica promove a transferência em massa de substratos e produtos longe das células microbianas. A intensificação ultrassônica da transferência de massa pode ser aplicada como pré-tratamento, bem como durante a fermentação.
2. Interrupção da célula: A sonicação pode ser empregada para interromper paredes celulares e membranas, particularmente em culturas microbianas ou de leveduras. Isso ajuda a liberar componentes intracelulares, como enzimas ou metabólitos, 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. Isso inclui a extração de enzimas, proteínas, ácidos nucléicos ou outros compostos alvo de células, tecidos ou materiais vegetais para uso subsequente em processos de fermentação.

Por exemplo, o pré-tratamento ultra-sônico da casca de arroz foi usado para aumentar a hidrólise enzimática para a produção de xilooligossacarídeos 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 bastante reduzido de 24 h para 1,5 h a 80ºC – com mais potencial de otimização de processos. A biomassa sonicada é muito mais fácil convertível para os fungos de modo que a estabilidade da actividade da enzima é estendido e a actividade de CMCase, b-glucosidase e a xilanase é aumentada em comparação com o casco não sonicada arroz. Os produtos finais de fermentação foram xylotetraose, xylohexaose, xilo-oligossacáridos e de peso molecular superior. O rendimento xylohexaose a partir da casca de arroz sonicada foi 80% mais elevada.

Fermentação Assistida por Ultrassom – Estimulação de micróbios

• Mistura e Homogeneização: A sonicação pode ser usada como uma técnica de mistura durante a fermentação. A aplicação de ondas de ultrassom ajuda a criar microfluxos e promove homogeneidade, garantindo uma distribuição uniforme de nutrientes, gases e microrganismos dentro do vaso de fermentação.
• Aprimoramento da Transferência de Massa: Relacionadas à melhor mistura e homogeneização estão as taxas de transferência de massa ultrassonicamente melhoradas durante a fermentação. Oscilação ultra-sônica e cavitação criam turbulência localizada e aumentam a difusão de substratos, gases e nutrientes no caldo de fermentação. Isso pode melhorar a eficiência geral e a produtividade do processo de fermentação.
• Melhorando a viabilidade celular e 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 metabólitos desejados ou produtos de fermentação.

Precisamente sonicação controlável e reproduzível ajuda a melhorar a produtividade dos vários processos de fermentação, sem danificar as células. A intensidade de ultra-sons pode ser exactamente adaptadas às espécies de células específicas e os seus requisitos. Por sonicação controlada, o crescimento celular e o metabolismo é influenciado positivamente e as conversões catalisadas por células vivas é significativamente melhorada, por exemplo estimulando a Bifidobacteria no leite.
Para alguns processos de fermentação conduzido-fúngicos, de ultra-sons é usada com sucesso para modificar a morfologia de crescimento e de reologia de caldo sem afectar a taxa de crescimento e produção de fungos filamentosos.

Tratamento Pós-Fermentação Ultra-Sônico

• Colheita e Separação de Células: A sonicação pode auxiliar na colheita e separação celular após a fermentação. Pode auxiliar na quebra de agregados celulares, floculantes ou biofilmes, facilitando a liberação de células do caldo de fermentação. Isso simplifica os processos subsequentes a jusante, como recuperação de células ou purificação de produtos.
• Extração de Produtos Intracelulares: Após a fermentação, a sonicação pode ser usada para extrair produtos intracelulares, como enzimas, proteínas ou metabólitos secundários, da biomassa microbiana ou celular. Este processo de extração ajuda a recuperar compostos valiosos e melhora o rendimento geral do processo de fermentação.
• Desintegração celular para fins analíticos: A sonicação pode ser aplicada para interromper células ou amostras microbianas após a fermentação, particularmente para fins analíticos. Auxilia na lise celular e na liberação de conteúdo intracelular, facilitando a análise de componentes celulares ou realizando ensaios a jusante.

Para a produção de componentes intracelulares, tais como enzimas microbianas (por exemplo, catalase, amilase, protease, pectinase, isomerase de glicose, celulase, hemicelulase, lipase, lactase, estreptoquinase) e proteínas recombinantes (por exemplo, insulina, vacina contra hepatite B, interferão, estimulação de colônias de granulócitos factor, estreptoquinase), as células devem ser lisadas / interrompidas após o processo de fermentação para libertar as proteínas desejadas. Por sonicação, é facilitada a extração dos complexos de polissacarídeo intracelular e extracelular do complexo viscoso de fermentação micelial. Além do seu excelente rendimento e eficiência de extração, a sonicação é bem estabelecida e confiável para a lise celular e a extração de matéria intracelular.
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Biorreatores ultra-sônicos para processos de fermentação aprimorados

Hielscher Ultrasonics é de longa data experiente com bio-processos ultra-estimulados ultra-sonicamente, tais como estimulação celular, fermentação, ruptura celular e extração. Oferecemos vários reatores ultrassônicos padrão de diferentes tamanhos e geometrias para sonicação em modo de fluxo e batelada. Alternativamente, oferecemos soluções personalizadas para a integração em seu biorreator existente. Uma vez que nossos processadores ultrassônicos são muito versáteis e exigem apenas um pequeno espaço, o retrofitting em plantas biotecnológicas existentes pode ser realizado sem problemas.
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Literatura / Referências