Biosinteza oligozaharidelor din lapte uman (HMO) prin fermentare sau reacții enzimatice este un proces complex, consumator și adesea cu randament scăzut. Sonicare crește transferul de masă între substrat și fabrici de celule ans stimulează creșterea celulelor și metabolismul. Astfel, sonicare intensifică procesele de fermentare și biochimice, rezultând o producție accelerată și mai eficientă de HMO- uri.

Oligozaharide din lapte uman

Oligozaharidele din laptele uman (HMO), cunoscute și sub numele de glicani de lapte uman, sunt molecule de zahăr, care fac parte din grupul oligozaharidelor. Exemple proeminente de HMO includ 2'-fucosyllactoză (2′-FL), lacto-N-neotetraoză (LNnT), 3'-galactosillactoză (3′-GL) și difucosyllactoză (DFL).
În timp ce laptele matern uman estecompus de mai mult de diferite 150 structuri HMO, numai 2′-fucosyllactoză (2′-FL) și lacto-N-neotetraoză (LNnT) sunt produse în prezent la nivel comercial și utilizate ca aditivi nutriționali în formula pentru sugari.
Oligozaharidele din laptele uman (HMO) sunt cunoscute pentru semnificația lor în alimentația copilului. Oligozaharidele din laptele uman sunt un tip unic de nutrienți, care acționează ca prebiotice, antimicrobiene antiadezive și imunomodulatoare în intestinul bebelușului și contribuie substanțial la dezvoltarea creierului. HMO se găsesc exclusiv în laptele matern uman; alte tipuri de lapte de mamifere (de exemplu, vacă, capră, oaie, cămilă etc.) nu au aceste forme specifice de oligozaharide.
Oligozaharidele din laptele uman sunt a treia componentă solidă cea mai abundentă din laptele uman, care poate fi prezentă fie sub formă dizolvată, fie emulsificată sau suspendată în apă. Lactoză și acizi grași sunt solide cele mai abundente găsite în laptele uman. HMO sunt prezente într-o concentrație de 0,35–0,88 uncii (9,9–24,9 g)/ L. Aproximativ 200 de oligozaharide de lapte uman diferite din punct de vedere structural sunt cunoscute. Oligozaharida dominantă la 80% din toate femeile este de 2′-fucosillactoză, care este prezentă în laptele matern uman la o concentrație de aproximativ 2,5 g/ L.
Deoarece HMO-urile nu sunt digerate, ele nu contribuie caloric la nutriție. Fiind carbohidrați indigestibili, aceștia funcționează ca prebiotice și sunt fermentați selectiv de microflora intestinală dorită, în special bifidobacteria.

Biosinteza oligozaharidelor din lapte uman

Fabricile de celule și sistemele enzimatice / chemo-enzimatice sunt tehnologiile actuale utilizate pentru sinteza HMO- urilor. Pentru producția de HMO la scară industrială, fermentarea fabricilor de celule microbiene, sinteza biochimică și diferitele reacții enzimatice sunt modalități fezabile de bioproducție HMO. Din motive economice, biosintetia prin fabricile de celule microbiene este în prezent singura tehnică utilizată la nivelul producției industriale de HMO.

Fermentarea HMO folosind fabrici de celule microbiene

E.coli, Saccharomyces cerevisiae și Lactococcus lactis sunt fabrici de celule utilizate în mod obișnuit pentru bioproducția de molecule biologice, ar fi HMO. Fermentarea este un proces biochimic folosind microorganisme pentru a converti un substrat în molecule biologice vizate. Fabricile de celule microbiene folosesc zaharuri simple ca substrat, pe care le transformă în HMO-uri. Deoarece zaharurile simple (de exemplu, lactoză) sunt un substrat abundent, ieftin, acest lucru păstrează procesul de biosinteza rentabil.
Rata de creștere și bioconversie sunt influențate în principal de transferul în masă al nutrienților (substratului) către microorganisme. Rata de transfer de masă este un factor principal care afectează sinteza produsului în timpul fermentației. Sonicare este bine cunoscut pentru a promova transferul în masă.
În timpul fermentației, condițiile din bioreactor trebuie monitorizate și reglate în mod constant, astfel încât celulele să poată crește cât mai repede posibil pentru a produce apoi biomoleculele vizate (de exemplu oligozaharide, ar fi HMO; insulină; proteine recombinante). Teoretic, formarea produsului începe de îndată ce cultura celulară începe să crească. Cu toate acestea, în special în celulele modificate genetic, ar fi microorganismele modificate, acesta este de obicei indus mai târziu prin adăugarea unei substanțe chimice la substrat, care upregulează expresia biomoleculei vizate. Bioreactoarele cu ultrasunete (sono-bioreactor) pot fi controlate cu precizie și permit stimularea specifică a microbilor. Acest lucru duce la o biosinteză accelerată și randamente mai mari.
Liză cu ultrasunete și extracție: Fermentarea HMO-uri complexe ar putea fi limitată de titruri de fermentație scăzută și produse rămase intracelulare. Liză cu ultrasunete și extracție este utilizat pentru a elibera material intracelular înainte de purificare și procesele down-stream.

Ultrasonically promovat fermentare

Rata de creștere a microbilor, ar fi Escherichia coli, inginerie E.coli, Saccharomyces cerevisiae și Lactococcus lactis poate fi accelerată prin creșterea ratei de transfer de masă și permeabilitatea peretelui celular prin aplicarea controlate de joasă frecvență ultrasonication. Ca o ușoară, non-termică tehnica de prelucrare, ultrasonication se aplică forțe pur mecanice în bulion de fermentație.
Cavitație acustică: Principiul de lucru al sonicare se bazează pe cavitație acustică. Sonda cu ultrasunete (sonotrode) cupluri de joasă frecvență ultrasunete d unde în mediu. Undele cu ultrasunete de călătorie prin lichid crearea alternativ de înaltă presiune (compresie) / joasă presiune (rarefaction) cicluri. Prin comprimarea și întinderea lichidului în cicluri alternative, apar bule de vid minute. Aceste bule mici de vid cresc pe mai multe cicluri până când ajung la o dimensiune în cazul în care acestea nu pot absorbi orice energie în continuare. În acest punct de creștere maximă, bula de vid implodește violent și generează condiții extreme la nivel local, cunoscut sub numele de fenomen de cavitație. În "punctul fierbinte" cavitațional, pot fi observate diferențe de presiune și temperatură ridicate și forțe intense de forfecare cu jeturi lichide de până la 280m/sec. Prin aceste efecte cavitaționale, se realizează transferul în masă aprofundată și sonorația (perforarea pereților celulari și a membranelor celulare). Nutrienții substratului sunt plutiți în și în celulele întregi vii, astfel încât fabricile de celule sunt hrănite optim și creșterea, precum și ratele de conversie sunt accelerate. Bioreactoarele cu ultrasunete sunt o strategie simplă, dar extrem de eficientă pentru a procesa biomasa într-un proces de biosinteză într-o singură oală.
O sonicare precis controlată, ușoară este bine-cunoscut pentru a intensifica procesele de fermentare.
Sonicare îmbunătățește "productivitatea de multe bioprocese care implică celule vii prin îmbunătățirea absorbția substratului, creșterea îmbunătățită sau de creștere prin creșterea porozitatea celulelor, și eliberarea potențial îmbunătățită a componentelor celulare." (Naveena et al. 2015)
Citiți mai multe despre fermentația ultrasonică asistată!

Naveena et al. (2015) a constatat că intensificarea cu ultrasunete oferă mai multe avantaje în timpul bioprocesării, inclusiv costuri de operare scăzute în comparație cu alte opțiuni de tratament de îmbunătățire, simplitatea funcționării și cerințele de putere modeste.

Reactoare de fermentație cu ultrasunete de înaltă performanță

Procesele de fermentare implică microorganisme vii, ar fi bacteriile sau drojdie, care funcționează ca fabrici de celule. În timp ce sonicare este aplicat pentru a promova transferul în masă și de a crește creșterea microorganismului și rata de conversie, este esențial să se controleze intensitatea ultrasonică tocmai pentru a evita distrugerea fabricilor de celule.
Hielscher Ultrasonics este specialist în proiectarea, fabricarea și distribuirea ultrasonicators de înaltă performanță, care pot fi controlate cu precizie și monitorizate pentru a asigura randamente superioare de fermentare.
Controlul proceselor nu este esențial doar pentru randamente ridicate și calitate superioară, dar permite repetarea și reproducerea rezultatelor. Mai ales atunci când vine vorba de stimularea fabricilor de celule, adaptarea specifică celulelor a parametrilor sonicare este esențială pentru a obține randamente ridicate și pentru a preveni degradarea celulelor. Prin urmare, toate modelele digitale de ultrasonicators Hielscher sunt echipate cu software inteligent, care vă permite să se adapteze, monitoriza, și revizui parametrii sonicare. Parametrii de proces cu ultrasunete, ar fi amplitudinea, temperatura, presiunea, durata sonicare, cicluri de sarcină, și de intrare de energie sunt esențiale pentru a promova producția de HMO prin fermentare.
Software-ul inteligent al ultrasonicators Hielscher înregistrează automat toți parametrii importanți ai procesului de pe cardul SD integrat. Înregistrarea automată a datelor procesului de sonicare reprezintă fundamentul pentru standardizarea proceselor și reproductibilitatea /repetabilitatea, care sunt necesare pentru bunele practici de fabricație (GMP).

Rectori cu ultrasunete pentru fermentare

Hielscher oferă sonde cu ultrasunete de diferite dimensiuni, lungime și geometrii, care pot fi utilizate pentru lot, precum și tratamente continue de curgere. Reactoare cu ultrasunete, de asemenea, cunoscut sub numele de sono-bioreactoare, sunt disponibile pentru orice volum care acoperă bioprocesarea cu ultrasunete de la probe de laborator mici la nivel de producție pilot și complet comercial.
Este bine cunoscut faptul că localizarea sonotrodei cu ultrasunete în vasul de reacție influențează distribuția cavitației și micro-streaming-ului în mediu. Sonotrode și reactor cu ultrasunete ar trebui să fie alese în conformitate cu volumul de prelucrare a bulionului de celule. În timp ce sonicare poate fi efectuată în lot, precum și în modul continuu, pentru volume mari de producție se recomandă utilizarea unei instalații cu flux continuu. Trecând printr-o celulă de flux cu ultrasunete, toate mediu celular devine exact aceeași expunere la sonicare asigurând tratamentul cel mai eficient. Hielscher Ultrasonics gamă largă de sonde cu ultrasunete și reactoare cu celule de flux permite să asambleze configurarea ideală de bioprocesare cu ultrasunete.

Hielscher Ultrasonics – De la laborator la pilot la producție

Hielscher Ultrasonics acoperă întregul spectru de echipamente cu ultrasunete care oferă omogenizatoare cu ultrasunete de mână compacte pentru pregătirea probei la banc-top și sisteme pilot, precum și unități puternice cu ultrasunete industriale care procesează cu ușurință camioane pe oră. Fiind versatil și flexibil în opțiunile de instalare și montare, ultrasonicators Hielscher pot fi ușor integrate în toate tipurile de reactoare lot, fed-loturi sau continuu flux-prin configurații.
Diverse accesorii, precum și piese personalizate permit adaptarea ideală a configurației cu ultrasunete la cerințele procesului.
Construit pentru funcționare 24/7 în sarcină completă și grele în condiții solicitante, procesoarele cu ultrasunete Hielscher sunt fiabile și necesită doar întreținere scăzută.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității de procesare aproximativă a ultrasonicators noastre: