Ультразвуковые биореакторы для брожения

Ультразвук является эффективным средством стимуляции микроорганизмов путем механических вибраций и кавитации. В сонобиореакторе / ультразвуковом ферментере ультразвуковая обработка клеток и тканей становится высококонтролируемой, поскольку факторы окружающей среды могут быть точно определены. С помощью ультразвуковых биореакторов производительность ферментации может быть значительно увеличена.

брожение

Эффективность ферментации зависит от условий процесса: питательные вещества, плотность среды, температура, содержание кислорода/газа и давление являются важными факторами, влияющими на микробную активность. Микроорганизмы, как и клетки млекопитающих, процветают только при определенных условиях. Правильные условия в сочетании с ультразвуковой стимуляцией могут максимизировать выход ферментации.

Ультразвуковая стимуляция микроорганизмов

Ферментация — это метаболический процесс, в результате которого сахар превращается в кислоты, газы или алкоголь. Он встречается в дрожжах и бактериях, а также в мышечных клетках, испытывающих кислородное голодание, как в случае молочнокислого брожения. Ферментация также используется в более широком смысле для обозначения массового роста микроорганизмов на питательной среде, часто с целью получения конкретного химического продукта.
Процесс ферментации осуществляется в промышленных масштабах с использованием для ферментации микроорганизмов, таких как бактерии и грибы. Ферментированные продукты используются в пищевой и общей промышленности. Химические вещества, такие как уксусная кислота, лимонная кислота и этанол, образуются путем ферментации. На скорость ферментации влияет концентрация микроорганизмов, клеток, клеточных компонентов и ферментов, а также температура и pH. Для аэробной ферментации кислород также является ключевым фактором. Почти все коммерчески производимые ферменты, такие как липаза, инвертаза и сычужный фермент, производятся путем ферментации с генетически модифицированными микробами.

• Производство биомассы (жизнеспособного клеточного материала)
• Производство внеклеточных метаболитов (химических соединений)
• Производство внутриклеточных компонентов (ферментов и других белков)
• Трансформация подложки (при которой преобразованная подложка сама является продуктом)

Ультразвуковая обработка до, во время и после ферментации

Ультразвуковая обработка, применение низкочастотных ультразвуковых волн, может использоваться до, во время и после ферментации различными способами и на разных этапах процесса брожения.

Ультразвуковая предварительная ферментационная обработка – Повышение доступности биомассы

1. Улучшенный массообмен: Ультразвуковая обработка в качестве предварительной обработки используется для стимулирования массопереноса и повышения доступности субстрата для микробов. Ультразвуковое перемешивание способствует массопереносу субстратов к микробным клеткам и продуктам из них. Ультразвуковая интенсификация массопереноса может применяться как при предварительной обработке, так и во время брожения.
2. Разрушение клеток: Ультразвуковая обработка может быть использована для разрушения клеточных стенок и мембран, особенно в микробных или дрожжевых культурах. Это помогает высвобождать внутриклеточные компоненты, такие как ферменты или метаболиты, которые могут улучшить производительность ферментации или облегчить последующие процессы.
3. Экстракция внутриклеточных соединений: Ультразвуковая обработка может помочь в экстракции внутриклеточных соединений из биологических материалов перед ферментацией. Это включает в себя экстракцию ферментов, белков, нуклеиновых кислот или других целевых соединений из клеток, тканей или растительного сырья для последующего использования в процессах ферментации.

Например, ультразвуковая предварительная обработка рисовой шелухи была использована для усиления ферментативного гидролиза для производства ксилоолигосахаридов Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). С помощью ультразвуковой обработки значительно увеличивалось производство целлюлолитических и ксиланолитических ферментов из рисовой шелухи. Выход гемицеллюлозы был увеличен в 1,4 раза при ультразвуковой обработке, а время производства значительно сократилось с 24 до 1,5 ч при 80ºC – с дальнейшим потенциалом оптимизации процессов. Биомасса, обработанная ультразвуком, гораздо легче конвертируется для грибов, так что стабильность активности фермента продлевается, а активность CMCase, b-глюкозидазы и ксиланазы увеличивается по сравнению с необработанной ультразвуком рисовой шелухой. Конечными продуктами брожения были ксилотетраоза, ксилогексаоза и ксилооолигосахариды с более высокой молекулярной массой. Выход ксилогексаоза из ультразвуковой рисовой шелухи был на 80% выше.

Ферментация с помощью ультразвука – Стимуляция микробов

• Смешивание и гомогенизация: Ультразвуковая обработка может быть использована в качестве метода смешивания во время брожения. Применение ультразвуковых волн помогает создать микропотоки и способствует гомогенности, обеспечивая равномерное распределение питательных веществ, газов и микроорганизмов внутри ферментационного сосуда.
• Улучшение массообмена: С улучшением смешивания и гомогенизации связана улучшенная скорость массопереноса во время ферментации с помощью ультразвука. Ультразвуковые колебания и кавитация создают локализованную турбулентность и усиливают диффузию субстратов, газов и питательных веществ в ферментационный бульон. Это может повысить общую эффективность и производительность процесса ферментации.
• Улучшение жизнеспособности клеток и метаболической активности: Ультразвуковая обработка может применяться к микробным культурам во время ферментации для повышения жизнеспособности клеток и метаболической активности. Мягкая ультразвук может стимулировать определенные микроорганизмы, способствуя росту, производству биомассы и синтезу желаемых метаболитов или продуктов ферментации.

Точно контролируемая и повторяемая ультразвук помогает повысить производительность различных процессов брожения без повреждения клеток. Интенсивность ультразвука может быть точно адаптирована к конкретному виду клеток и их требованиям. Контролируемая ультразвуковая обработка положительно влияет на рост клеток и метаболизм, а также значительно улучшаются конверсии, катализируемые живыми клетками, например, стимулирование бифидобактерий в молоке.
Для некоторых процессов ферментации, вызванных грибами, ультразвук успешно используется для изменения морфологии роста и реологии бульона, не влияя на скорость роста и выход нитчатых грибов.

Ультразвуковая обработка после брожения

• Сбор и разделение клеток: Ультразвуковая обработка может помочь в сборе и разделении клеток после ферментации. Он может помочь в разрушении клеточных агрегатов, флокулянтов или биопленок, способствуя высвобождению клеток из ферментационного бульона. Это упрощает последующие процессы, такие как восстановление клеток или очистка продукта.
• Экстракция внутриклеточных продуктов: После ферментации ультразвук можно использовать для извлечения внутриклеточных продуктов, таких как ферменты, белки или вторичные метаболиты, из микробной или клеточной биомассы. Этот процесс экстракции помогает восстановить ценные соединения и улучшает общий выход в процессе ферментации.
• Распад клеток в аналитических целях: Ультразвуковая обработка может применяться для разрушения клеток или образцов микроорганизмов после ферментации, особенно в аналитических целях. Он способствует лизису клеток и высвобождению внутриклеточного содержимого, облегчая анализ клеточных компонентов или выполнение последующих анализов.

Для производства 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 В, интерферон, гранулоцитарный колониестимулирующий фактор, стрептокиназа), клетки должны быть лизированы/разрушены после процесса ферментации для высвобождения желаемых белков. С помощью ультразвуковой обработки облегчается экстракция внутриклеточных и внеклеточных полисахаридно-белковых комплексов из вязкого мицелиального ферментационного бульона. Помимо выдающейся производительности и эффективности экстракции, ультразвук хорошо зарекомендовал себя и надежен для лизиса клеток и извлечения внутриклеточного вещества.
Нажмите здесь, чтобы прочитать больше о ультразвуковом лизисе и экстракции!

Ультразвуковые биореакторы для улучшения процессов ферментации

Компания Hielscher Ultrasonics имеет многолетний опыт работы с ультразвуково стимулированными биопроцессами, такими как стимуляция клеток, ферментация, разрушение клеток и экстракция. Мы предлагаем различные стандартные ультразвуковые реакторы разных размеров и геометрии для ультразвуковой обработки в периодическом и проточном режиме. В качестве альтернативы мы предлагаем индивидуальные решения для интеграции в ваш существующий биореактор. Поскольку наши ультразвуковые процессоры очень универсальны и занимают мало места, модернизация существующих биотехнологических установок может быть реализована без проблем.
Узнайте больше о типах, конструкциях и применении ультразвуковых реакторов здесь!
В таблице ниже приведены общие рекомендации по устройству в зависимости от объема партии или скорости потока, подлежащего обработке. Нажмите на тип устройства, чтобы получить дополнительную информацию о каждом устройстве.

Литература/Литература