Bioreactoare cu ultrasunete pentru fermentație

Ultrasunetele reprezintă un mijloc eficient de stimulare a microorganismelor prin vibrații mecanice și cavitație. Într-un sonobioreactor / fermentator cu ultrasunete, tratamentul cu ultrasunete al celulelor și țesuturilor devine foarte bine controlabil, deoarece factorii de mediu pot fi determinați exact. Cu ajutorul bioreactoarelor cu ultrasunete, producția obținută prin fermentație poate fi îmbunătățită semnificativ.

Fermentația

Eficiența fermentației depinde de condițiile de proces: nutrienții, densitatea mediului, temperatura, conținutul de oxigen / gaze și presiunea sunt factori importanți care influențează activitatea microbiană. Microorganismele, precum și celulele de mamifere, se dezvoltă doar în anumite condiții. Condițiile potrivite, combinate cu stimularea cu ultrasunete, pot maximiza randamentul fermentației.

Stimularea cu ultrasunete a microorganismelor

Fermentația este un proces metabolic care transformă zahărul în acizi, gaze sau alcool. Ea are loc în drojdii și bacterii, dar și în celulele musculare lipsite de oxigen, ca în cazul fermentației lactice. Termenul de fermentație este folosit și într-un sens mai larg pentru a desemna creșterea în masă a microorganismelor pe un mediu de cultură, adesea cu scopul de a obține un anumit produs chimic.
Procesele de fermentație se desfășoară la scară industrială folosind pentru fermentație microorganisme precum bacteriile și fungii. Produsele fermentate sunt utilizate în industria alimentară și în industria generală. Substanțe chimice precum acidul acetic, acidul citric și etanolul sunt produse prin fermentație. Viteza de fermentație este influențată de concentrația de microorganisme, celule, componente celulare și enzime, precum și de temperatură și pH. Pentru fermentația aerobă, oxigenul este de asemenea un factor-cheie. Aproape toate enzimele produse comercial, precum lipaza, invertaza și cheagul, sunt obținute prin fermentație cu microbi modificați genetic.

În general, fermentațiile pot fi împărțite în patru tipuri/etape de proces:

• Producția de biomasă (material celular viabil)
• Producția de metaboliți extracelulari (compuși chimici)
• Producția de componente intracelulare (enzime și alte proteine)
• Transformarea substratului (în care substratul transformat este el însuși produsul)

Sonicarea înainte, în timpul și după fermentație

Sonicarea, adică aplicarea undelor ultrasonice de joasă frecvență, poate fi utilizată înainte, în timpul și după fermentație, în diverse moduri și în diferite etape ale procesului de fermentație.

Pretratarea cu ultrasunete înainte de fermentație – îmbunătățirea disponibilității biomasei

1. Transfer de masă îmbunătățit: Sonicarea ca pretratament este utilizată pentru a favoriza transferul de masă și pentru a face substratul mai accesibil microbilor. Amestecarea cu ultrasunete favorizează transferul de masă al substraturilor către celulele microbiene și al produselor dinspre acestea. Intensificarea transferului de masă cu ultrasunete poate fi aplicată atât ca pretratament, cât și în timpul fermentației.
2. Dezintegrarea celulelor: Sonicarea poate fi utilizată pentru a dezintegra pereții și membranele celulare, în special în culturile microbiene sau de drojdii. Aceasta contribuie la eliberarea componentelor intracelulare, cum ar fi enzimele sau metaboliții, ceea ce poate îmbunătăți performanța fermentației sau poate facilita procesele din aval.
3. Extracția compușilor intracelulari: Sonicarea poate ajuta la extracția compușilor intracelulari din materiale biologice înainte de fermentație. Aceasta include extracția enzimelor, proteinelor, acizilor nucleici sau a altor compuși-țintă din celule, țesuturi sau materiale vegetale, pentru utilizarea ulterioară în procesele de fermentație.

De exemplu, pretratarea cu ultrasunete a cojilor de orez a fost utilizată pentru a îmbunătăți hidroliza enzimatică în vederea producției de xilooligozaharide de către Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Prin sonicare, producția de enzime celulolitice și xilanolitice din cojile de orez a crescut semnificativ. Randamentul de hemiceluloză a crescut de 1,4 ori sub sonicare, iar timpul de producție a fost redus considerabil de la 24 h la 1,5 h la 80ºC – cu potențial suplimentar de optimizare a procesului. Biomasa sonicată poate fi convertită mult mai ușor de către fungi, astfel încât stabilitatea activității enzimatice este prelungită, iar activitatea CMCazei, b-glucozidazei și xilanazei este crescută în comparație cu cojile de orez nesonicate. Produsele finale ale fermentației au fost xilotetraoza, xilohexaoza și xilooligozaharide cu masă moleculară mai mare. Randamentul de xilohexaoză din cojile de orez sonicate a fost cu 80% mai mare.

Fermentația asistată de ultrasunete – stimularea microbilor

• Amestecare și omogenizare: Sonicarea poate fi utilizată ca tehnică de amestecare în timpul fermentației. Aplicarea undelor ultrasonice contribuie la generarea de microcurenți și favorizează omogenitatea, asigurând distribuția uniformă a nutrienților, gazelor și microorganismelor în vasul de fermentație.
• Îmbunătățirea transferului de masă: Legate de amestecarea și omogenizarea îmbunătățite sunt vitezele de transfer de masă îmbunătățite cu ultrasunete în timpul fermentației. Oscilațiile ultrasonice și cavitația creează turbulențe localizate și intensifică difuzia substraturilor, gazelor și nutrienților în mediul de fermentație. Acest lucru poate îmbunătăți eficiența și productivitatea generală a procesului de fermentație.
• Îmbunătățirea viabilității celulare și a activității metabolice: Sonicarea poate fi aplicată culturilor microbiene în timpul fermentației pentru a crește viabilitatea celulară și activitatea metabolică. O sonicare blândă poate stimula anumite microorganisme, favorizând creșterea, producția de biomasă și sinteza metaboliților sau a produselor de fermentație dorite.

Sonicarea precis controlabilă și reproductibilă contribuie la îmbunătățirea productivității diverselor procese de fermentație fără a deteriora celulele. Intensitatea sonicării poate fi adaptată exact speciei celulare specifice și cerințelor acesteia. Prin sonicare controlată, creșterea și metabolismul celular sunt influențate pozitiv, iar conversiile catalizate de celulele vii sunt îmbunătățite semnificativ, de exemplu prin stimularea bifidobacteriilor în lapte.
Pentru unele procese de fermentație bazate pe fungi, sonicarea este utilizată cu succes pentru a modifica morfologia de creștere și reologia mediului de fermentație fără a afecta rata de creștere și randamentul fungilor filamentoși.

Tratamentul cu ultrasunete după fermentație

• Recoltarea și separarea celulelor: Sonicarea poate contribui la recoltarea și separarea celulelor după fermentație. Ea poate ajuta la desfacerea agregatelor celulare, a floculanților sau a biofilmelor, facilitând eliberarea celulelor din mediul de fermentație. Acest lucru simplifică procesele ulterioare din aval, cum ar fi recuperarea celulelor sau purificarea produsului.
• Extracția produselor intracelulare: După fermentație, sonicarea poate fi utilizată pentru extracția produselor intracelulare, cum ar fi enzimele, proteinele sau metaboliții secundari, din biomasa microbiană sau celulară. Acest proces de extracție ajută la recuperarea compușilor valoroși și îmbunătățește randamentul general al procesului de fermentație.
• Dezintegrarea celulelor în scopuri analitice: Sonicarea poate fi aplicată pentru dezintegrarea celulelor sau a probelor microbiene după fermentație, în special în scopuri analitice. Ea ajută la liza celulară și la eliberarea conținutului intracelular, facilitând analiza componentelor celulare sau efectuarea testelor din aval.

Pentru producția de componente intracelulare, cum ar fi enzimele microbiene (de ex. catalaza, amilaza, proteaza, pectinaza, glucoz-izomeraza, celulaza, hemicelulaza, lipaza, lactaza, streptokinaza) și proteinele recombinante (de ex. insulina, vaccinul împotriva hepatitei B, interferonul, factorul de stimulare a coloniilor granulocitare, streptokinaza), celulele trebuie lizate / dezintegrate după procesul de fermentație pentru a elibera proteinele dorite. Prin sonicare este facilitată extracția complexelor polizaharidă–proteină intracelulare și extracelulare din mediul de fermentație micelian vâscos. Pe lângă randamentul și eficiența de extracție remarcabile, sonicarea este o metodă bine stabilită și fiabilă pentru liza celulară și extracția materiei intracelulare.
Faceți clic aici pentru a citi mai multe despre liza și extracția cu ultrasunete!

Bioreactoare cu ultrasunete pentru procese de fermentație îmbunătățite

Hielscher Ultrasonics are o experiență îndelungată în bioprocesele stimulate cu ultrasunete, cum ar fi stimularea celulară, fermentația, dezintegrarea celulelor și extracția. Oferim diverse reactoare cu ultrasunete standard, de diferite dimensiuni și geometrii, pentru sonicare în regim discontinuu și în flux continuu. Alternativ, oferim soluții personalizate pentru integrarea în bioreactorul dumneavoastră existent. Deoarece procesoarele noastre cu ultrasunete sunt foarte versatile și necesită doar puțin spațiu, montarea ulterioară în instalațiile biotehnologice existente poate fi realizată fără probleme.
Citiți aici mai multe despre tipurile, designul și aplicațiile reactoarelor cu ultrasunete!
Tabelul de mai jos indică recomandări generale privind aparatele, în funcție de volumul lotului sau de debitul de procesat. Faceți clic pe tipul de aparat pentru a obține mai multe informații despre fiecare aparat.

Literatură/Referințe

• N. Sainz Herrán, J. L. Casas López, J. A. Sánchez Pérez, Y. Chisti (2010): Influence of ultrasound amplitude and duty cycle on fungal morphology and broth rheology of Aspergillus terreus. World J Microbiol Biotechnol 2010, 26: 1409–1418.
• 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>
• C. F. Liu, W. B. Zhou (2010): Stimulating Bio-yogurt Fermentation by High Intensity Ultrasound Processing.