Biorreatores ultrassónicos para fermentação

Os ultrassons são um meio eficaz de estimular microrganismos através de vibrações mecânicas e cavitação. Num sonobiorreator / fermentador ultrassónico, o tratamento ultrassónico de células e tecidos torna-se altamente controlável, uma vez que os fatores ambientais podem ser determinados com exatidão. Com biorreatores ultrassónicos, a produção obtida por fermentação pode ser significativamente aumentada.

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 fatores importantes que influenciam a atividade microbiana. Os microrganismos, assim como as células de mamíferos, só prosperam em determinadas condições. As condições adequadas, combinadas com a estimulação ultrassónica, podem maximizar o rendimento da fermentação.

Estimulação ultrassónica 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 privadas de oxigénio, como no caso da fermentação láctica. O termo fermentação também é utilizado num sentido mais amplo para designar o crescimento em massa de microrganismos num meio de cultura, frequentemente com o objetivo de produzir um produto químico específico.
Os processos de fermentação são realizados 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. Substâncias químicas, como o ácido acético, o ácido cítrico e o etanol, são produzidas por fermentação. A velocidade de fermentação é influenciada pela concentração de microrganismos, células, componentes celulares e enzimas, bem como pela temperatura e pelo pH. Na fermentação aeróbia, o oxigénio é também um fator fundamental. Quase todas as enzimas produzidas comercialmente, como a lipase, a invertase e o coalho, são obtidas por fermentação com microrganismos 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 próprio substrato transformado é o produto)

Sonicação antes, durante e após a fermentação

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

Tratamento ultrassónico antes da fermentação – melhoria da disponibilidade da biomassa

1. Melhoria da transferência de massa: A sonicação como pré-tratamento é utilizada para promover a transferência de massa e tornar o substrato mais disponível para os microrganismos. A mistura ultrassónica promove a transferência de massa dos substratos para as células microbianas e dos produtos para fora destas. A intensificação ultrassónica da transferência de massa pode ser aplicada como pré-tratamento e também durante a fermentação.
2. Rutura celular: A sonicação pode ser utilizada para romper paredes e membranas celulares, particularmente em culturas microbianas ou de leveduras. Isto ajuda a libertar componentes intracelulares, como enzimas ou metabolitos, que podem melhorar o desempenho da fermentação ou facilitar os processos subsequentes.
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 posterior 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). Através da sonicação, a produção de enzimas celulolíticas e xilanolíticas a partir da casca de arroz foi significativamente aumentada. Com a sonicação, o rendimento de hemicelulose aumentou para 1,4 vezes o valor inicial e o tempo de produção foi consideravelmente reduzido de 24 h para 1,5 h a 80ºC – com potencial adicional de otimização do processo. A biomassa sonicada é muito mais facilmente convertida pelos fungos, pelo que a estabilidade da atividade enzimática é prolongada e a atividade da CMCase, da b-glucosidase e da xilanase aumenta em comparação com a casca de arroz não sonicada. Os produtos finais da fermentação foram xilotetraose, xilohexaose e xilooligossacáridos de maior massa molecular. O rendimento de xilohexaose a partir da casca de arroz sonicada foi 80% superior.

Fermentação assistida por ultrassons – estimulação de microrganismos

• Mistura e homogeneização: A sonicação pode ser utilizada como técnica de mistura durante a fermentação. A aplicação de ondas ultrassónicas ajuda a criar microcorrentes e promove a homogeneidade, assegurando uma distribuição uniforme de nutrientes, gases e microrganismos no recipiente de fermentação.
• Intensificação da transferência de massa: A melhoria da mistura e da homogeneização está associada ao aumento das taxas de transferência de massa por ultrassons durante a fermentação. A oscilação ultrassónica e a cavitação criam turbulência localizada e intensificam a difusão de substratos, gases e nutrientes para o caldo de fermentação. Isto pode melhorar a eficiência e a produtividade globais do processo de fermentação.
• Melhoria da viabilidade celular e da atividade metabólica: A sonicação pode ser aplicada a culturas microbianas durante a fermentação para melhorar a viabilidade celular e a atividade metabólica. A sonicação suave pode estimular determinados microrganismos, promovendo o crescimento, a produção de biomassa e a síntese dos metabolitos ou produtos de fermentação pretendidos.

A sonicação controlável com precisão e repetível ajuda a melhorar a produtividade de vários processos de fermentação sem danificar as células. A intensidade da sonicação pode ser adaptada com exatidão à espécie celular específica e às suas necessidades. A sonicação controlada influencia positivamente o crescimento e o metabolismo celulares e melhora significativamente as conversões catalisadas por células vivas, por exemplo, estimulando as bifidobactérias no leite.
Em alguns processos de fermentação realizados por fungos, a sonicação é utilizada com sucesso para modificar a morfologia de crescimento e a reologia do caldo sem afetar a taxa de crescimento nem o rendimento dos fungos filamentosos.

Tratamento ultrassónico após a fermentação

• Recolha e separação de células: A sonicação pode ajudar na recolha e separação de células após a fermentação. Pode contribuir para a desagregação de agregados celulares, floculantes ou biofilmes, facilitando a libertação de células do caldo de fermentação. Isto simplifica os processos subsequentes, como a recuperação de células ou a purificação do produto.
• Extração de produtos intracelulares: Após a fermentação, a sonicação pode ser utilizada para extrair produtos intracelulares, 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 do conteúdo intracelular, facilitando a análise de componentes celulares ou a realização de ensaios subsequentes.

Para a produção de componentes intracelulares, como enzimas microbianas (por exemplo, catalase, amilase, protease, pectinase, isomerase da glucose, celulase, hemicelulase, lipase, lactase, estreptoquinase) e proteínas recombinantes (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 pretendidas. A sonicação facilita a extração dos complexos intracelulares e extracelulares de polissacáridos–proteínas do caldo viscoso de fermentação micelial. Além do seu excelente rendimento e eficiência de extração, a sonicação é uma técnica bem estabelecida e fiável para a lise celular e a extração de matéria intracelular.
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Biorreatores ultrassónicos para melhorar os processos de fermentação

A Hielscher Ultrasonics tem uma vasta experiência em bioprocessos estimulados por ultrassons, como a estimulação celular, a fermentação, a rutura celular e a extração. Oferecemos vários reatores ultrassónicos standard de diferentes dimensões e geometrias para sonicação em modo descontínuo e de fluxo contínuo. Em alternativa, oferecemos soluções personalizadas para integração no seu biorreator existente. Como os nossos processadores ultrassónicos são muito versáteis e requerem pouco espaço, a sua integração em instalações biotecnológicas existentes pode ser realizada sem problemas.
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Bibliografia/Referências

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• 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>
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