Bioreactoare cu ultrasunete pentru fermentare

Ultrasonics este 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 extrem de controlabil, deoarece factorii de mediu pot fi determinați exact. Cu bioreactoare cu ultrasunete, producția de fermentație poate fi îmbunătățită semnificativ.

fermentare

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.

Stimularea cu ultrasunete a microorganismelor

Fermentarea este un proces metabolic care transformă zahărul în acizi, gaze sau alcool. Apare în drojdii și bacterii, precum și în celulele musculare înfometate de oxigen, ca în cazul fermentației acidului lactic. Fermentația este, de asemenea, utilizată mai larg pentru a se referi la creșterea în vrac a microorganismelor pe un mediu de creștere, adesea cu scopul de a produce un produs chimic specific.
Procesul de fermentare se realizează la scară industrială folosind microorganisme precum bacterii și ciuperci pentru fermentație. Produsele fermentate sunt utilizate în industria alimentară și în general. Produsele chimice, cum ar fi acidul acetic, acidul citric și etanolul sunt produse prin fermentație. Rata de fermentare este influențată de concentrația microorganismelor, celulelor, componentelor celulare și enzimelor, precum și de temperatură și pH. Pentru fermentația aerobă, oxigenul este și el un factor cheie. Aproape toate enzimele produse comercial, cum ar fi lipaza, invertaza și cheagul, sunt obținute prin fermentare cu microbi modificați genetic.

• Producerea biomasei (material celular viabil)
• Producerea metaboliților extracelulari (compuși chimici)
• Producerea componentelor intracelulare (enzime și alte proteine)
• Transformarea substratului (în care substratul transformat este el însuși produsul)

Sonicare înainte, în timpul și după fermentare

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 disponibilității biomasei

1. Transfer de masă îmbunătățit: Sonicare ca pre-tratament este folosit pentru a promova transferul de masă și de a face substratul mai disponibil pentru microbi. Amestecarea cu ultrasunete promovează transferul de masă a substraturilor la, și produse departe de, celulele microbiene. Intensificarea cu ultrasunete a transferului de masă poate fi aplicată ca pre-tratare, 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 potențial suplimentar de optimizare a proceselor. Biomasa sonicată este mult mai ușor convertibilă pentru ciuperci, astfel încât stabilitatea activității enzimatice este extinsă și activitatea CMCase, b-glucozidază, și xilanază este crescută în comparație cu coca de orez non-sonicated. Produsele fermentative finale au fost xilotetraoza, xilohexaoza și xilooligozaharidele cu greutate moleculară mai mare. Randamentul xilohexaozei din coca de orez sonicat a fost cu 80% mai mare.

Fermentație ultrasonically asistată – Stimularea microbilor

• 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.

Sonicare precis controlabilă și repetabilă ajută la îmbunătățirea productivității diferitelor procese de fermentare fără a deteriora celulele. Intensitatea sonicare poate fi adaptat exact la speciile de celule specifice și cerințele sale. Prin sonicare controlată, creșterea celulară și metabolismul este influențată pozitiv, iar conversiile catalizate de celulele vii sunt îmbunătățite semnificativ, de exemplu, stimularea Bifidobacteriilor în lapte.
Pentru unele procese de fermentare conduse de ciuperci, sonicare este utilizat cu succes pentru a modifica morfologia de creștere și reologia bulionului, fără a afecta rata de creștere și randamentul ciupercilor filamentoase.

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 componentelor intracelulare, cum ar fi enzimele microbiene (de exemplu, catalaza, amilaza, proteaza, pectinaza, izomeraza glucozei, celulaza, hemicelulaza, lipaza, lactaza, streptokinaza) și proteinele recombinante (de exemplu, insulina, vaccinul împotriva hepatitei B, interferonul, factorul de stimulare a coloniilor de granulocite, streptokinaza), celulele trebuie să fie lizate / perturbate după procesul de fermentație pentru a elibera proteinele dorite. Prin sonicare, extracția complexelor polizaharide-proteine intracelulare și extracelulare din bulionul de fermentație micelial vâscos este facilitată. Pe lângă randamentul său remarcabil de extracție și eficiență, sonicare este bine stabilit și fiabil pentru liza celulară și extracția materiei intracelulare.
Click aici pentru a citi mor despre liza cu ultrasunete 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 recomandările generale ale dispozitivului în funcție de volumul lotului sau de debitul care urmează să fie procesat. Faceți clic pe tipul dispozitivului pentru a obține mai multe informații despre fiecare dispozitiv.

Literatură/Referințe