Ультразвуковые биореакторы для ферментации

Ультразвук – эффективное средство стимуляции микроорганизмов посредством механических колебаний и кавитации. В сонобиореакторе / ультразвуковом ферментере обработка клеток и тканей ультразвуком становится в высокой степени управляемой, поскольку факторы окружающей среды можно точно определить. С помощью ультразвуковых биореакторов можно значительно повысить выход продуктов ферментации.

Ферментация

Эффективность ферментации зависит от условий процесса: питательные вещества, плотность среды, температура, содержание кислорода / газа и давление являются важными факторами, влияющими на активность микроорганизмов. Микроорганизмы, как и клетки млекопитающих, активно растут только при определённых условиях. Правильные условия в сочетании с ультразвуковой стимуляцией могут обеспечить максимальный выход продуктов ферментации.

Ультразвуковая стимуляция микроорганизмов

Ферментация – это метаболический процесс, преобразующий сахар в кислоты, газы или спирт. Она протекает у дрожжей и бактерий, а также в мышечных клетках при недостатке кислорода, как в случае молочнокислого брожения. Термин «ферментация» также используется в более широком смысле для обозначения массового выращивания микроорганизмов на питательной среде, часто с целью получения определённого химического продукта.
Процессы ферментации проводят в промышленном масштабе с использованием таких микроорганизмов, как бактерии и грибы. Продукты ферментации используются в пищевой промышленности и других отраслях промышленности. Такие химические вещества, как уксусная кислота, лимонная кислота и этанол, получают путём ферментации. На скорость ферментации влияют концентрация микроорганизмов, клеток, клеточных компонентов и ферментов, а также температура и pH. Для аэробной ферментации кислород также является ключевым фактором. Почти все ферменты, производимые в коммерческих целях, такие как липаза, инвертаза и сычужный фермент, получают путём ферментации с использованием генетически модифицированных микроорганизмов.

• Получение биомассы (жизнеспособного клеточного материала)
• Получение внеклеточных метаболитов (химических соединений)
• Получение внутриклеточных компонентов (ферментов и других белков)
• Преобразование субстрата (при котором преобразованный субстрат сам является продуктом)

Обработка ультразвуком до, во время и после ферментации

Обработка ультразвуком, то есть применение низкочастотных ультразвуковых волн, может использоваться до, во время и после ферментации различными способами и на разных стадиях процесса ферментации.

Ультразвуковая обработка перед ферментацией – повышение доступности биомассы

1. Улучшение массопереноса: Обработка ультразвуком в качестве предварительной обработки используется для усиления массопереноса и повышения доступности субстрата для микроорганизмов. Ультразвуковое перемешивание способствует переносу субстратов к микробным клеткам и отводу продуктов от них. Ультразвуковая интенсификация массопереноса может применяться как в качестве предварительной обработки, так и во время ферментации.
2. Разрушение клеток: Обработка ультразвуком может применяться для разрушения клеточных стенок и мембран, особенно в культурах микроорганизмов или дрожжей. Это помогает высвобождать внутриклеточные компоненты, такие как ферменты или метаболиты, что может повысить эффективность ферментации или облегчить последующие технологические процессы.
3. Экстракция внутриклеточных соединений: Обработка ультразвуком может способствовать экстракции внутриклеточных соединений из биологических материалов перед ферментацией. Это включает извлечение ферментов, белков, нуклеиновых кислот или других целевых соединений из клеток, тканей или растительных материалов для последующего использования в процессах ферментации.

Например, предварительная ультразвуковая обработка рисовой шелухи использовалась для усиления ферментативного гидролиза при получении ксилоолигосахаридов с помощью Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Благодаря обработке ультразвуком образование целлюлолитических и ксиланолитических ферментов из рисовой шелухи значительно усилилось. При обработке ультразвуком выход гемицеллюлозы увеличился в 1,4 раза, а время производства при 80ºC существенно сократилось с 24 h до 1,5 h – с дополнительным потенциалом оптимизации процесса. Обработанная ультразвуком биомасса гораздо легче преобразуется грибами, благодаря чему ферментативная активность дольше сохраняет стабильность, а активность CMCase, b-глюкозидазы и ксиланазы возрастает по сравнению с рисовой шелухой, не обработанной ультразвуком. Конечными продуктами ферментации были ксилотетраоза, ксилогексаоза и ксилоолигосахариды с более высокой молекулярной массой. Выход ксилогексаозы из обработанной ультразвуком рисовой шелухи был на 80% выше.

Ферментация с применением ультразвука – стимуляция микроорганизмов

• Перемешивание и гомогенизация: Обработка ультразвуком может использоваться как метод перемешивания во время ферментации. Применение ультразвуковых волн помогает создавать микропотоки и способствует однородности, обеспечивая равномерное распределение питательных веществ, газов и микроорганизмов внутри ферментационного сосуда.
• Усиление массопереноса: С улучшением перемешивания и гомогенизации связано повышение скорости массопереноса во время ферментации под действием ультразвука. Ультразвуковые колебания и кавитация создают локальную турбулентность и усиливают диффузию субстратов, газов и питательных веществ в ферментационную жидкость. Это может повысить общую эффективность и производительность процесса ферментации.
• Повышение жизнеспособности клеток и метаболической активности: Обработка ультразвуком может применяться к культурам микроорганизмов во время ферментации для повышения жизнеспособности клеток и метаболической активности. Мягкая обработка ультразвуком может стимулировать определённые микроорганизмы, способствуя росту, образованию биомассы и синтезу требуемых метаболитов или продуктов ферментации.

Точно управляемая и воспроизводимая обработка ультразвуком помогает повысить производительность различных процессов ферментации без повреждения клеток. Интенсивность обработки ультразвуком можно точно адаптировать к конкретному виду клеток и его потребностям. Управляемая обработка ультразвуком положительно влияет на рост и метаболизм клеток и значительно улучшает превращения, катализируемые живыми клетками, например за счёт стимуляции бифидобактерий в молоке.
В некоторых процессах ферментации с участием грибов обработка ультразвуком успешно используется для изменения морфологии роста и реологии ферментационной жидкости без влияния на скорость роста и выход биомассы мицелиальных грибов.

Ультразвуковая обработка после ферментации

• Сбор и отделение клеток: Обработка ультразвуком может способствовать сбору и отделению клеток после ферментации. Она может помогать разрушать клеточные агрегаты, флокулянты или биоплёнки, облегчая высвобождение клеток из ферментационной жидкости. Это упрощает последующие технологические процессы, такие как выделение клеток или очистка продукта.
• Экстракция внутриклеточных продуктов: После ферментации обработка ультразвуком может использоваться для экстракции внутриклеточных продуктов, таких как ферменты, белки или вторичные метаболиты, из микробной или клеточной биомассы. Этот процесс экстракции помогает извлекать ценные соединения и повышает общий выход продуктов ферментации.
• Разрушение клеток в аналитических целях: Обработка ультразвуком может применяться для разрушения клеток или микробных образцов после ферментации, особенно в аналитических целях. Она способствует лизису клеток и высвобождению внутриклеточного содержимого, облегчая анализ клеточных компонентов или проведение последующих анализов.

Для получения внутриклеточных компонентов, таких как микробные ферменты (например, каталаза, амилаза, протеаза, пектиназа, глюкозоизомераза, целлюлаза, гемицеллюлаза, липаза, лактаза, стрептокиназа) и рекомбинантные белки (например, инсулин, вакцина против гепатита B, интерферон, гранулоцитарный колониестимулирующий фактор, стрептокиназа), после процесса ферментации клетки необходимо подвергнуть лизису / разрушению для высвобождения требуемых белков. Обработка ультразвуком облегчает экстракцию внутриклеточных и внеклеточных полисахаридно–белковых комплексов из вязкой мицелиальной ферментационной жидкости. Помимо выдающегося выхода и эффективности экстракции, обработка ультразвуком является хорошо зарекомендовавшим себя и надёжным методом лизиса клеток и экстракции внутриклеточного материала.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ультразвуковом лизисе и экстракции!

Ультразвуковые биореакторы для улучшения процессов ферментации

Hielscher Ultrasonics обладает многолетним опытом в области биопроцессов, стимулируемых ультразвуком, таких как стимуляция клеток, ферментация, разрушение клеток и экстракция. Мы предлагаем различные стандартные ультразвуковые реакторы разных размеров и геометрии для обработки ультразвуком в периодическом и проточном режимах. В качестве альтернативы мы предлагаем индивидуальные решения для интеграции в ваш существующий биореактор. Поскольку наши ультразвуковые процессоры очень универсальны и занимают лишь небольшое пространство, их установка на существующих биотехнологических предприятиях может быть выполнена без проблем.
Узнайте больше о типах, конструкциях и применении ультразвуковых реакторов здесь!
В таблице ниже приведены общие рекомендации по выбору устройств в зависимости от объёма обрабатываемой партии или расхода. Нажмите на тип устройства, чтобы получить дополнительную информацию о каждом устройстве.

Литература / ссылки

• 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.