Biosyntéza oligosacharidov ľudského mlieka (HMO) fermentáciou alebo enzymatickými reakciami je komplexný, náročný a často nízkovýsporný proces. Ultrazvukom zvyšuje prenos hmoty medzi substrátom a bunkových tovární ans stimuluje rast buniek a metabolizmus. Tým ultrazvukom zintenzívňuje fermentačné a biochemické procesy, čo vedie k zrýchlenej a účinnejšej výrobe HMO.

Oligosacharidy ľudského mlieka

Oligosacharidy ľudského mlieka (HMO), tiež známe ako ľudské mliečne glycans, sú molekuly cukru, ktoré sú súčasťou skupiny oligosacharidov. Medzi významné príklady hmos patria 2"-fukozyllactose (2′-FL), lakto-N-neotetraózy (LNnT), 3'-galaktózovej etylfotoktózy (3′-GL) a difukozyllactose (DFL).
Zatiaľ čo ľudské materské mlieko sakomponuje viac ako rôzne štruktúry HMO 150, iba 2'-fukosyllactose (2'-FL) a lakto-N-neotetraózy (LNnT) sú v súčasnosti vyrábané na komerčnej úrovni a používané ako výživové doplnkové látky v dojčenskej výžive.
Oligosacharidy ľudského mlieka (HMOs) sú známe svojím významom pre detskú výživu. Oligosacharidy ľudského mlieka sú jedinečným typom živín, ktoré pôsobia ako prebiotiká, antilepiace antimikrobiálne látky a imunomodulátory v čreve dieťaťa a významne prispievajú k vývoju mozgu. HmOs sa nachádzajú výlučne v ľudskom materskom mlieku; iné mlieko cicavcov (napr. krava, koza, ovce, ťava atď.) nemajú tieto špecifické formy oligosacharidov.
Oligosacharidy ľudského mlieka sú treťou najhojnejšou pevnou zložkou v ľudskom mlieku, ktorá môže byť prítomná buď v rozpustenej alebo emulgovanej alebo suspendovanej forme vo vode. Laktóza a mastné kyseliny sú najhojnejšie pevné látky nájdené v ľudskom mlieku. HmOs sú prítomné v koncentrácii 0, 35-0, 88 uncí (9, 9- 24, 9 g)/ l. Približne 200 štrukturálne odlišných ľudských mliečnych oligosacharidov je známych. Dominantný oligosacharid u 80 % všetkých žien je 2′-fukozyllaktoóza, ktorá je prítomná v ľudskom materskom mlieku v koncentrácii približne 2, 5 g/ l.
Vzhľadom k tomu, HMO nie sú trávené, nemajú calorically prispievať k výžive. Ako nestráviteľné sacharidy fungujú ako prebiotiká a sú selektívne fermentované žiaducou črevnou mikroflórou, najmä bifidobaktériami.

Biosyntéza oligosacharidov ľudského mlieka

Bunkové továrne a enzymatické / chemo-enzymatické systémy sú súčasné technológie používané na syntézu HMO. Pre výrobu HMO v priemyselnom meradle je fermentácia mikrobiálnych bunkových tovární, biochemickej syntézy a rôznych enzymatických reakcií uskutočniteľnými spôsobmi biovýroby HMO. Z ekonomických dôvodov je biosutefúrná syntéza prostredníctvom mikrobiálnych bunkových tovární v súčasnosti jedinou technikou používanou na úrovni priemyselnej výroby HMO.

Kvasenie HMOs pomocou mikrobiálnych bunkových tovární

E.coli, Saccharomyces cerevisiae a Lactococcus lactis sú bežne používané bunkové továrne používané na výrobu biologických molekúl, ako sú HMO. Fermentácia je biochemický proces používajúci mikroorganizmy na konverziu substrátu na cielené biologické molekuly. Mikrobiálne bunkové továrne používajú jednoduché cukry ako substrát, ktoré premieňajú na HMO. Keďže jednoduché cukry (napr. laktóza) sú bohatým, lacným substrátom, udržuje to proces bio-syntézy nákladovo efektívny.
Rýchlosť rastu a biokonverzie je ovplyvnená najmä hromadním prenosom živín (substrátu) do mikroorganizmov. Rýchlosť prenosu hmoty je hlavným faktorom, ktorý ovplyvňuje syntézu produktu počas kvasenia. Ultrazvukom je dobre známe, že podporujú prenos hmoty.
Počas fermentácie sa podmienky v bioreaktore musia neustále monitorovať a regulovať tak, aby bunky mohli rásť čo najrýchlejšie, aby sa potom mohli vytvoriť cielené biomolekuly (napr. oligosacharidy, ako sú HMO; inzulín; rekombinantné proteíny). Teoreticky sa tvorba produktu začína hneď, ako bunková kultúra začne rásť. Avšak najmä v geneticky modifikovaných bunkách, ako sú umelé mikroorganizmy, sa zvyčajne indukuje neskôr pridaním chemickej látky do substrátu, čo upreguluje expresiu cieleného biomolekulu. Ultrazvukové bioreaktory (sono-bioreaktor) môžu byť presne kontrolované a umožňujú špecifickú stimuláciu mikróbov. Výsledkom je zrýchlená biosyntéza a vyššie výnosy.
Ultrazvuková lalóza a extrakcia: Fermentácia komplexných HMO môže byť obmedzená nízkymi fermentačnými titrami a produktmi, ktoré zostávajú intracelulárne. Ultrazvuková lyza a extrakcia sa používa na uvoľnenie intracelulárneho materiálu pred čistenie a down-stream procesov.

Ultrazvukom podporované kvasenie

Rýchlosť rastu mikróbov, ako je Escherichia coli, inžinierstva E.coli, Saccharomyces cerevisiae a Lactococcus lactis môže byť urýchlená zvýšením rýchlosti prenosu hmoty a priepustnosti bunkovej steny použitím kontrolovanej nízkofrekvenčnej ultrazvukom. Ako mierne, non-tepelné spracovanie techniky, ultrazvukom aplikuje čisto mechanické sily do fermentačného vývaru.
Akustická kavitácia: Pracovný princíp ultrazvukom je založený na akustickej kavitácii. Ultrazvuková sonda (sonotrode) páry nízkofrekvenčné ultrazvukové vlny do média. Ultrazvukové vlny prechádzajú kvapalinou a vytvárajú striedavé vysokotlakové (kompresné) / nízkotlakové (rarefaction) cykly. Stlačením a natiahnutím kvapaliny v striedavých cykloch vznikajú minútové vákuové bubliny. Tieto malé vákuové bubliny rastú počas niekoľkých cyklov, až kým nedosiahnu veľkosť, kde nemôžu absorbovať žiadnu ďalšiu energiu. V tomto bode maximálneho rastu vákuová bublina prudko imploduje a vytvára lokálne extrémne podmienky, známe ako fenomén kavitácie. V kavitačnom "horúcom mieste" je možné pozorovať vysokotlakové a teplotné diferenciály a intenzívne šmykové sily s kvapalnými tryskami do 280 m/s. Týmito kavitačnými účinkami sa dosahuje dôkladný prenos hmoty a sonoporácia (perforácia bunkových stien a bunkových membrán). Živiny substrátu sa plávajú do a do živých celých buniek, takže bunkové továrne sú optimálne výživné a rast, ako aj konverzné rýchlosti sa urýchľujú. Ultrazvukové bioreaktory sú jednoduchou, ale vysoko účinnou stratégiou na spracovanie biomasy v procese biosyntézy s jedným hrncom.
Presne kontrolovaná, mierna sonikácia je dobre známa tým, že zosilní fermentačné procesy.
Ultrazvukom zlepšuje "produktivitu mnohých bioprocesov zahŕňajúcich živé bunky prostredníctvom zvýšenia absorpcie substrátu, zvýšenej produkcie alebo rastu zvýšením pórovitosti buniek a potenciálne zvýšeným uvoľňovaním bunkových komponentov." (Naveena et al. 2015)
Prečítajte si viac o ultrazvukom asistovanej fermentácii!

Naveena et al. (2015) zistila, že ultrazvukové intenzifikácia ponúka niekoľko výhod počas bioprocesovania, vrátane nízkych prevádzkových nákladov v porovnaní s inými možnosťami zlepšenia liečby, jednoduchosť prevádzky a skromné požiadavky na napájanie.

Vysokovýkonné ultrazvukové fermentačné reaktory

Fermentačné procesy zahŕňajú živé mikroorganizmy, ako sú baktérie alebo kvasinky, ktoré fungujú ako bunkové továrne. Zatiaľ čo sonikácia sa používa na podporu prenosu hmoty a zvýšenie rastu mikroorganizmu a konverzného kurzu, je dôležité kontrolovať intenzitu ultrazvuku práve preto, aby sa zabránilo zničeniu bunkových tovární.
Hielscher Ultrazvukom je špecialista na navrhovanie, výrobu a distribúciu vysoko výkonné ultrazvukom, ktoré môžu byť presne kontrolované a monitorované, aby sa zabezpečilo vynikajúce výnosy fermentácie.

Riadenie procesov je nielen nevyhnutné pre vysoké výnosy a vynikajúcu kvalitu, ale umožňuje opakovať a reprodukovať výsledky. Zvlášť, keď ist príde na stimuláciu bunkových tovární, bunka-špecifické adaptácia parametrov ultrazvukom je nevyhnutné pre dosiahnutie vysokých výnosov a aby sa zabránilo degradácii buniek. Preto sú všetky digitálne modely Hielscher ultrasonicators vybavené inteligentným softvérom, ktorý vám umožní upraviť, monitorovať a revidovať parametre ultrazvukom. Ultrazvukové proces parametre, ako je amplitúda, teplota, tlak, trvanie ultrazvukom, duty cycles, a energetický vstup sú nevyhnutné na podporu HMO výroby prostredníctvom kvasenia.
Inteligentný softvér Hielscher ultrasonicators zaznamenáva automaticky všetky dôležité parametre procesu na integrovanej SD karty. Automatické zaznamenávanie údajov zo sonikácie proces sú základom pre procesnú štandardizáciu a reprodukovateľnosť / opakovateľnosť, ktoré sú potrebné pre správne výrobné postupy (GMP).

Ultrazvukové rektory pre kvasenie

Hielscher ponúka ultrazvukové sondy rôznych veľkostí, dĺžky a geometrie, ktoré môžu byť použité pre dávkové, rovnako ako kontinuálne prietok-through ošetrenie. Ultrazvukové reaktory, tiež známy ako sono-bioreaktory, sú k dispozícii pre akýkoľvek objem pokrývajúci ultrazvukové biospracovanie z malých laboratórnych vzoriek na pilotnú a plne komerčnú úroveň výroby.
Je dobre známe, že umiestnenie ultrazvukovej sonotródy v reakčnej nádobe ovplyvňuje distribúciu kavitácie a mikrosychu v médiu. Sonotróda a ultrazvukový reaktor by sa mali zvoliť v súlade so objemom spracovania bunkového vývaru. Zatiaľ čo ultrazvukom môže byť vykonaná v dávke, rovnako ako v nepretržitom režime, pre veľké objemy výroby sa odporúča použitie kontinuálneho prietoku inštalácie. Prechádza ultrazvukové prietokové bunky, všetky bunkové médium dostane presne rovnakú expozíciu ultrazvukom zabezpečenie najúčinnejšie liečby. Hielscher Ultrazvukom širokú škálu ultrazvukové sondy a tok bunky reaktory umožňuje zostaviť ideálne ultrazvukové nastavenie biosprocessing.

Hielscher Ultrazvuk – Od laboratória k pilotovi až po výrobu

Hielscher Ultrazvukom pokrýva celé spektrum ultrazvukové zariadenia ponúkajúce kompaktné ručné ultrazvukové homogenizátory na prípravu vzoriek na bench-top a pilotné systémy, ako aj výkonné priemyselné ultrazvukové jednotky, ktoré ľahko spracovávať truckloads za hodinu. Byť univerzálny a flexibilný v možnosti inštalácie a montáže, Hielscher ultrasonicators môžu byť ľahko integrované do všetkých druhov dávkových reaktorov, fed-šarže alebo kontinuálne prietok-through nastavenia.
Rôzne príslušenstvo, rovnako ako prispôsobené diely umožňujú ideálne prispôsobenie vášho ultrazvukového nastavenia podľa vašich požiadaviek procesu.
Hielscher ultrazvukové procesory sú stvorené pre prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v 7:00, 18:00, 100
Nasledujúca tabuľka vám uvádza približnú spracovateľskú kapacitu našich ultrazvukov: