Biorreatores ultrassônicos para fermentação

O ultrassom é um meio eficaz de estimular microrganismos por vibrações mecânicas e cavitação. Em um sonobiorreator / fermentador ultrassônico, o tratamento ultrassônico de células e tecidos torna-se altamente controlável, pois os fatores ambientais podem ser determinados com precisão. Com biorreatores ultrassônicos, a produção de fermentação pode ser significativamente aumentada.

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. Os microrganismos, bem como as células de mamíferos, prosperam apenas sob certas condições. As condições certas combinadas com a estimulação ultrassônica podem maximizar o rendimento da fermentação.

Estimulação Ultrassônica de Microrganismos

A fermentação é um processo metabólico que converte açúcar em ácidos, gases ou álcool. Ocorre em leveduras e bactérias, e também em células musculares carentes de oxigênio, como no caso da fermentação do ácido lático. A fermentação também é usada de forma mais ampla para se referir ao crescimento em massa de microrganismos em um meio de crescimento, geralmente com o objetivo de produzir um produto químico específico.
O processo de fermentação é realizado em escala industrial usando microrganismos como bactérias e fungos para a fermentação. Os produtos fermentados são usados na indústria alimentícia e em geral. Produtos químicos, como ácido acético, ácido cítrico e 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 pH. Para a fermentação aeróbica, o oxigênio também é um fator chave. Quase todas as enzimas produzidas comercialmente, como lipase, invertase e coalho, são produzidas por fermentação com micróbios geneticamente modificados.

• Produção de biomassa (material celular viável)
• Produção de metabólitos extracelulares (compostos químicos)
• Produção de componentes intracelulares (enzimas e outras proteínas)
• Transformação de 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 ultrassom de baixa frequência, pode ser usada antes, durante e após a fermentação de várias maneiras e em diferentes estágios do processo de fermentação.

Tratamento ultrassônico de pré-fermentação – Melhoria da disponibilidade de biomassa

1. Transferência de massa aprimorada: A sonicação 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 de massa de substratos e produtos para longe das células microbianas. A intensificação ultrassônica da transferência de massa pode ser aplicada como pré-tratamento, bem como durante a fermentação.
2. Ruptura celular: A sonicação pode ser empregada para romper as paredes e membranas celulares, 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 auxiliar 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 ultrassônico 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 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 maior potencial de otimização de processos. A biomassa sonicada é muito mais facilmente conversível para os fungos, de modo que a estabilidade da atividade enzimática é estendida e a atividade da CMCase, b-glicosidase e xilanase é aumentada em comparação com a casca de arroz não sonicada. Os produtos fermentativos finais foram xilotetraose, xilohexaose e xilooligossacarídeos de maior peso molecular. O rendimento de xilohexaose da casca de arroz sonicado foi 80% maior.

Fermentação assistida por ultrassom – Estimulação de micróbios

• Mistura e homogeneização: A sonicação pode ser usada como técnica de mistura durante a fermentação. A aplicação de ondas de ultrassom ajuda a criar microstreaming e promove a homogeneidade, garantindo uma distribuição uniforme de nutrientes, gases e microrganismos dentro do recipiente de fermentação.
• Aprimoramento da transferência de massa: Relacionadas à mistura e homogeneização aprimoradas estão as taxas de transferência de massa ultrassonicamente aprimoradas durante a fermentação. A oscilação ultrassônica e a 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 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 metabólitos 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 adaptada exatamente às espécies celulares específicas e suas necessidades. Por sonicação controlada, o crescimento e o metabolismo celular são influenciados positivamente e as conversões catalisadas por células vivas são significativamente melhoradas, por exemplo, estimulando Bifidobactérias no leite.
Para alguns processos de fermentação fúngicos, a sonicação é usada com sucesso para modificar a morfologia do crescimento e a reologia do caldo sem afetar a taxa de crescimento e o rendimento de fungos filamentosos.

Tratamento pós-fermentativo ultrassônico

• Colheita e separação de células: A sonicação pode auxiliar na colheita e separação de células após a fermentação. Pode ajudar a quebrar 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 romper células ou amostras microbianas após a fermentação, principalmente 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, como enzimas microbianas (por exemplo, catalase, amilase, protease, pectinase, glicose isomerase, celulase, hemicelulase, lipase, lactase, estreptoquinase) e proteínas recombinantes (por exemplo, insulina, vacina contra hepatite B, interferon, fator estimulador de colônias de granulócitos, estreptoquinase), as células devem ser lisadas / interrompidas após o processo de fermentação para liberar as proteínas desejadas. Por sonicação, a extração dos complexos polissacarídeo-proteína intracelular e extracelular do caldo de fermentação micelial viscoso é facilitada. Além de 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 ultrassônicos para processos de fermentação aprimorados

A Hielscher Ultrasonics tem uma longa experiência com bioprocessos estimulados por ultrassom, como estimulação celular, fermentação, ruptura celular e extração. Oferecemos vários reatores ultrassônicos padrão de diferentes tamanhos e geometrias para sonicação em batelada e modo de fluxo. Como alternativa, oferecemos soluções personalizadas para a integração em seu biorreator existente. Como nossos processadores ultrassônicos são muito versáteis e requerem apenas um pequeno espaço, o retrofit em plantas biotecnológicas existentes pode ser realizado sem problemas.
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Literatura/Referências