Ultrasonics este un mijloc eficient de a stimula microorganismele prin vibrații mecanice și cavitație. Într-un sonobioreactor / fermentator cu ultrasunete, tratamentul cu ultrasunete al celulelor și țesutului devine extrem de controlabil, deoarece factorii de mediu pot fi determinați exact. Cu bioreactoare cu ultrasunete, producția de fermentație poate fi îmbunătățită în mod semnificativ.

Fermentaţie

Eficiența fermentației depinde de condițiile procesului: nutrienții, densitatea mediului, temperatura, conținutul de oxigen / gaz și presiunea sunt factori importanți care influențează activitatea microbiană. Microorganismele, precum și celulele mamiferelor prosperă numai în anumite condiții. Condițiile potrivite combinate cu stimularea cu ultrasunete pot maximiza randamentul fermentației.

Cu ultrasunete Stimularea Microorganisme

Fermentarea este un proces metabolic, care transformă zahărul în acizi, gaze sau alcool. Aceasta apare la drojdii și bacterii, și, de asemenea, in celulele musculare înfometat de oxigen, la fel ca în cazul fermentării acidului lactic. Fermentarea este de asemenea folosit în sens mai larg pentru a se referi la creșterea în vrac a microorganismelor pe un mediu de creștere, de multe ori cu scopul de a produce un produs chimic specific.
proces Fermentația se efectuează la scară industrială folosind microorganisme precum bacterii și fungi pentru fermentare. Produsele fermentate sunt utilizate în industria alimentară și industria generală. Produse chimice, cum ar fi acidul acetic, acidul citric și etanolul sunt produse prin fermentație. Rata de fermentație este influențată de concentrația de microorganisme, celule, componente celulare și enzime precum și de temperatura și pH-ul. Pentru fermentarea aerobă, oxigenul este un factor cheie prea. Aproape toate enzimele produse comercial, cum ar fi lipaza, invertazice și cheagului, sunt realizate prin fermentare cu microbi modificate genetic.
 
În general, fermentațiile pot fi împărțite în patru tipuri/etape de proces:

• Producerea de biomasă (material celular viabil)
• Producerea metaboliților extracelulari (compuși chimici)
• Producerea de componente intracelulare (enzime și alte proteine)
• Transformarea substratului (în care substratul transformat este ea însăși produsul)

Sonicare Înainte, în timpul și după Fermentarea

Sonicare, aplicarea undelor cu ultrasunete de joasă frecvență, poate fi utilizată înainte, în timpul și după fermentare în diferite moduri și în diferite etape ale procesului de fermentație.

Tratamentul cu ultrasunete pre-fermentare – Îmbunătățirea biomasei Disponibilitate

1. Transfer de masă îmbunătățit: Sonicare ca pre-tratament este folosit pentru a promova transferul de masă și de a face substratul mai disponibile pentru microbi. Amestecarea cu ultrasunete promovează transferul în masă al substraturilor către celulele microbiene și produsele care se îndepărtează de acestea. Intensificarea cu ultrasunete a transferului de masă poate fi aplicată ca pre-tratament, precum și în timpul fermentației.
2. Întreruperea celulelor: Sonicare poate fi folosit pentru a perturba pereții celulari și membranele, în special în culturile microbiene sau drojdie. Acest lucru ajută la eliberarea componentelor intracelulare, cum ar fi enzimele sau metaboliții, care pot îmbunătăți performanța fermentației sau pot facilita procesele din aval.
3. Extracția compușilor intracelulari: Sonicare poate ajuta la extracția compușilor intracelulari din materiale biologice înainte de fermentare. Aceasta include extragerea enzimelor, proteinelor, acizilor nucleici sau a altor compuși țintă din celule, țesuturi sau materiale vegetale pentru utilizare ulterioară în procesele de fermentație.

De exemplu, pretratarea cu ultrasunete a coca de orez a fost utilizat pentru a spori hidroliza enzimatică pentru producția de xilooligozaharide de către Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Prin sonicare, producția de enzime celulolitice și xilanolitice din coca de orez a fost îmbunătățită semnificativ. Randamentul hemicelulozei a fost crescut la 1,4 ori sub sonicare și timpul de producție a fost mult scurtat de la 24 h la 1,5 h la 80 ° C – cu un potențial suplimentar de optimizare a procesului. Biomasa sonicată este mult mai ușor convertibil pentru ciuperci, astfel încât stabilitatea activității enzimei se extinde și activitatea CMCase, b-glucozidaza, și xilanază este crescută în comparație cu coca non-sonicată orez. Produsele finale au fost fermentative xylotetraose, xylohexaose și xylooligosaccharides greutate moleculară mai mare. Randamentul xylohexaose din coca de orez sonicată a fost de 80% mai mare.

Fermentație ultrasonically asistată – Stimularea Microbii

• Amestecare și omogenizare: Sonicare poate fi folosit ca o tehnică de amestecare în timpul fermentației. Aplicarea undelor cu ultrasunete ajută la crearea microstreamingului și promovează omogenitatea, asigurând distribuția uniformă a nutrienților, gazelor și microorganismelor în vasul de fermentație.
• Îmbunătățirea transferului de masă: Legate de îmbunătățirea amestecării și omogenizării sunt ratele de transfer de masă îmbunătățite ultrasonically în timpul fermentației. Oscilația cu ultrasunete și cavitația creează turbulențe localizate și sporesc difuzia substraturilor, gazelor și nutrienților în bulionul de fermentație. Acest lucru poate îmbunătăți eficiența și productivitatea generală a procesului de fermentație.
• Îmbunătățirea viabilității celulare și a activității metabolice: Sonicare poate fi aplicat culturilor microbiene în timpul fermentației pentru a spori viabilitatea celulelor și activitatea metabolică. Sonicare ușoară poate stimula anumite microorganisme, promovarea creșterii, producția de biomasă, și sinteza metaboliților dorite sau produse de fermentație.

Tocmai sonicare controlabile și repetabile ajută la îmbunătățirea productivității diferitelor procese de fermentație fără deteriorarea celulelor. Intensitatea sonicare poate fi adaptat exact la speciile de celule specifice și cerințele sale. Prin sonicare controlate, creșterea celulară și metabolismul este influențată pozitiv și conversiile catalizată de celule vii este îmbunătățit în mod semnificativ, de ex stimularea Bifidobacteria în lapte.
Pentru unele procese de fermentație bazate fungice, sonicarea este folosit cu succes pentru a modifica morfologia creșterii și reologia bulion fără a afecta rata de creștere și randamentul de fungi filamentoși.

Tratamentul post-fermentare cu ultrasunete

• Recoltarea și separarea celulelor: Sonicare poate ajuta la recoltarea celulelor și separarea după fermentație. Poate ajuta la ruperea agregatelor celulare, a floculanților sau a biofilmelor, facilitând eliberarea celulelor din bulionul de fermentație. Acest lucru simplifică procesele ulterioare din aval, cum ar fi recuperarea celulelor sau purificarea produsului.
• Extracția produselor intracelulare: După fermentare, sonicare poate fi utilizat pentru a extrage produse intracelulare, cum ar fi enzime, proteine, sau metaboliți secundari, din biomasa microbiană sau celulară. Acest proces de extracție ajută la recuperarea compușilor valoroși și îmbunătățește randamentul general al procesului de fermentație.
• Dezintegrarea celulară în scopuri analitice: Sonicare poate fi aplicat pentru a perturba celulele sau probele microbiene după fermentare, în special în scopuri analitice. Ajută la liza celulară și eliberarea conținutului intracelular, facilitând analiza componentelor celulare sau efectuând teste în aval.

Pentru producerea de componente intracelulare, cum ar fi enzimele microbiene (de exemplu, catalaza, amilaza, proteaza, pectinază, glucozoizomerază, celulaza, hemicelulaza, lipază, lactază, streptokinază) și proteine ​​recombinante (de exemplu, insulină, vaccin hepatitic B, interferon, granulocite de stimulare a coloniilor factor, streptokinaza), celulele trebuie să fie lizate / perturbat după procesul de fermentație pentru a elibera proteinele dorite. Prin sonicare, extracția complexelor polizaharid-proteină intracelulare și extracelulare din vâscoasă bulionul de fermentație mycelial este facilitată. Pe lângă randamentul de extracție remarcabilă și eficiență, sonicarea este bine stabilită și de încredere pentru liza celulelor și extracția materiei intracelulare.
Click aici pentru a citi despre liza cu ultrasunete Mor și extracție!

Bioreactoare cu ultrasunete pentru procese de fermentare îmbunătățite

Hielscher Ultrasonics este mult timp cu experiență cu ultrasonically stimulat bio-procese, ar fi stimularea celulelor, fermentație, perturbarea celulelor și extracție. Oferim diverse reactoare standard cu ultrasunete de diferite dimensiuni și geometrii pentru sonicare în modul lot și flux-through. Alternativ, oferim soluții personalizate pentru integrarea în bioreactorul existent. Deoarece procesoarele noastre cu ultrasunete sunt foarte versatile și necesită doar spațiu mic, retehnologizarea în instalațiile biotehnologice existente poate fi realizată fără probleme.
Citiți mai multe despre tipurile de reactoare cu ultrasunete, modele și aplicații aici!
Tabelul de mai jos, indică recomandări generale ale dispozitivului în funcție de volumul lotului sau debitul de prelucrat. Faceți clic pe tipul de dispozitiv pentru a obține mai multe informații despre fiecare dispozitiv.

Literatura / Referințe