Biosinteza oligosaharidov (HMO) s fermentacijo ali encimskimi reakcijami je kompleksen, porabljiv in pogosto nizko donosen proces. Ultrasonication povečuje masni prenos med substrata in celic tovarn ans stimulira rast celic in metabolizem. S tem ultrazvočno razbijanje stopnjuje fermentacijo in biokemije, kar ima za posledico pospešeno in učinkovitejšo proizvodnjo HMO.

Oligosaharidi za človeško mleko

Oligosaharidi človeškega mleka (HMO), znani tudi kot glikani iz humanega mleka, so molekule sladkorja, ki so del skupine oligosaharidov. Med pomembnimi primeri hmos sta 2'-fukosillaktose (2′-FL), lakto-N-neotetraoze (LNnT), 3'-galaktozillaktoze (3′-GL) in difukozillaktose (DFL).
Medtem ko je človeško materino mleko se kompenzira več kot različnih 150 HMO struktur, le 2'-fucosillactose (2'-FL) in lakto-N-neotetraoze (LNnT) se trenutno proizvajajo na komercialni ravni in se uporabljajo kot prehranske dodatke v začetni formuli za dojenčke.
Humani mlečni oligosaharidi (HMO) so znani po svojem pomenu v prehrani dojenčkov. Oligosaharidi človeškega mleka so edinstvena vrsta hranil, ki delujejo kot prebiotiki, protilepilna protimikrobna zdravila in imunomodulatorji v črevesju dojenčka in bistveno prispevajo k razvoju možganov. HMO so izključno najdemo v materinem mleku ljudi; drugo mleko sesalcev (npr. krava, koza, ovce, kamele itd.) nima te posebne oblike oligosaharidov.
Oligosaharidi človeškega mleka so tretja najbolj obilna trdna sestavina v materinem mleku, ki je lahko prisotna v raztopljeni ali emulgirani ali suspendirani obliki v vodi. Laktoza in maščobne kisline so najbolj obilne trdne snovi, ki jih najdemo v materinem mleku. HMO so prisotni v koncentraciji 0, 35–0, 88 unč (9, 9–24, 9 g)/ L. Znano je približno 200 strukturno različnih oligosaharidov materinega mleka. Prevladujoči oligosaharid pri 80 % vseh žensk je 2′-fukosillaktoze, ki je prisotna v materinem mleku pri človeku v koncentraciji približno 2, 5 g/ l.
Ker se hmos ne prebavi, ne calorically prispevajo k prehrani. Ker so neprebavljivi ogljikovi hidrati, delujejo kot prebiotiki in so selektivno fermentirani z zaželeno mikrofloro črevesja, zlasti bifidobakterije.

Biosinteza humanega mleka Oligosaharidov

Celične tovarne in encimski / kemo-encimski sistemi so sedanje tehnologije, ki se uporabljajo za sintezo HMO. Za proizvodnjo HMO v industrijskem obsegu so fermentacija mikrobnih tovarn celic, biohiološka sinteza in različne encimske reakcije izvedljivi načini bioproizvodnje HMO. Zaradi ekonomskih razlogov je biosteza prek tovarn mikrobnih celic trenutno edina tehnika, ki se uporablja na ravni industrijske proizvodnje HMO.

Fermentacija HMO z mikrobiološkimi celicami

E.coli, Saccharomyces cerevisiae in Lactococcus lactis se pogosto uporabljajo celične tovarne, ki se uporabljajo za biološko proizvodnjo bioloških molekul, kot so HMO. Fermentacija je biokemični proces z uporabo mikroorganizmov za pretvorbo substrata v ciljne biološke molekule. Mikrobne tovarne celic uporabljajo preproste sladkorje kot substrat, ki jih pretvorijo v HMO. Ker so enostavni sladkorji (npr. laktoza) obilna, poceni podlaga, je postopek biozekteze stroškovno učinkovit.
Na stopnjo rasti in biokonverzije vpliva predvsem masni prenos hranil (substrata) v mikroorganizme. Hitrost prenosa mase je glavni dejavnik, ki vpliva na sintezo izdelka med fermentacijo. Ultrasonication je dobro znano, da spodbujajo prenos mase.
Med fermentacijo je treba pogoje v bioreaktorju stalno spremljati in regulirati, tako da lahko celice rastejo v najkrajšem možnem času, da nato proizvedejo ciljne biomolekule (npr. oligosaharide, kot so HMO; insulin; rekombinantne beljakovine). Teoretično se nastajanje izdelka začne takoj, ko začne celična kultura rasti. Vendar pa se zlasti v gensko spremenjenih celicah, kot so inženirski mikroorganizmi, običajno sproži pozneje z dodajanjem kemične snovi substratu, ki povečuje izražanje ciljnega biomolekula. Ultrazvočni bioreactors (sono-bioreactor) je mogoče natančno nadzorovati in omogočajo posebno stimulacijo mikrobov. Posledica tega je pospešena biosinteza in višji donosi.
Ultrazvočna liza in ekstrakcija: Fermentacija kompleksnih HMOs je lahko omejena z nizko fermentacijo titri in izdelki, ki ostanejo znotrajcelični. Ultrazvočna liza in ekstrakcija se uporablja za sproščanje znotrajceličnega materiala pred čiščenjem in navzdol-stream procesov.

Ultrazvočno spodbujati fermentacijo

Hitrost rasti mikrobov, kot so Escherichia coli, inženirstva E.coli, Saccharomyces cerevisiae in Lactococcus lactis se lahko pospeši s povečanjem stopnje prenosa mase in celične stene prežijo z uporabo nadzorovanih nizkofrekvenčnih ultrasonication. Kot blaga, ne-toplotna tehnika obdelave, ultrasonication uporablja izključno mehanske sile v fermentacijsko juho.
Akustična kavitacija: Delovno načelo sonikacije temelji na akustični kavitatvi. Ultrazvočna sonda (sonotrode) pari nizko frekvenčni ultrazvočni valovi v medij. Ultrazvočni valovi potujejo skozi tekočino in ustvarjajo izmenično visokotlačne (kompresijo) / nizkotlačne (redke) cikle. S stiskanjem in raztezanjem tekočine v izmeničnih ciklih nastanejo minutni vakumski mehurčki. Ti majhni vakumski mehurčki rastejo v več ciklih, dokler ne dosežejo velikosti, kjer ne morejo absorbirati nobene nadaljnje energije. Na tej točki največje rasti se vakumski mehurček nasilno implodirajo in ustvarjajo lokalno ekstremne razmere, znane kot pojav kavitacije. V kavitacialnem "vročem mestu" je mogoče opaziti visokotlačne in temperaturne razlikovanje ter intenzivne omejevalne sile s tekočimi mletci do 280m/sek. S temi kavitacijskih učinki se doseže temeljit prenos mase in sonoporacija (perforacija celičnih sten in celičnih membran). Hranila substrata plavajo v in v žive cele celice, tako da so celice tovarne optimalno negovati in rast, kot tudi stopnje pretvorbe so pospešene. Ultrazvočni bioreaktorji so preprosta, a zelo učinkovita strategija za obdelavo biomase v enolončnicah v procesu biozinteze.
Natančno kontrolirana, blaga ultrazvočna razbijanje je dobro znano, da okrepi fermentacijske procese.
Ultrazvočno razbijanje izboljšuje "produktivnost številnih bioprocesov, ki vključujejo žive celice z izboljšanjem privzema substrata, večjo proizvodnjo ali rastjo s povečanjem celične poroznosti in potencialno okrepljenim sproščanjem celičnih komponent." (Naveena et al. 2015)
Preberite več o ultrazvočno podprto fermentacijo!

Naveena et al. (2015) je ugotovila, da ultrazvočna intenzifikacija ponuja več prednosti med bioprocesiranjem, vključno z nizkimi stroški poslovanja v primerjavi z drugimi možnostmi zdravljenja, enostavnostjo delovanja in skromnimi zahtevami glede moči.

Visoko zmogljivi ultrazvočni fermentacijski reaktorji

Fermentacijski procesi vključujejo žive mikroorganizme, kot so bakterije ali kvasovke, ki delujejo kot celične tovarne. Medtem ko se ultrazvočno razbijanje uporablja za spodbujanje prenosa mase in povečanje rasti mikroorganizma in stopnje pretvorbe, je ključnega pomena za nadzor ultrazvočne intenzivnosti ravno zato, da bi se izognili uničenju celičnih tovarn.
Hielscher Ultrasonics je specialist za oblikovanje, proizvodnjo in distribucijo visoko zmogljivih ultrasonicators, ki jih je mogoče natančno nadzorovati in spremljati, da se zagotovi vrhunsko fermentacijo donosov.

Nadzor procesa ni bistven le za visoke donose in vrhunsko kakovost, ampak omogoča ponavljanje in razmnoževanje rezultatov. Še posebej, ko ist pride do stimulacije celic tovarn, celic specifične prilagoditev parametrov ultrazvočno razbijanje je bistvenega pomena za doseganje visokih donosov in za preprečevanje razgradnje celic. Zato so vsi digitalni modeli Hielscher ultrasonicators opremljeni z inteligentno programsko opremo, ki vam omogoča, da prilagodite, spremljate in revidirate parametre ultrazvočnega razbijanje. Ultrazvočni procesni parametri, kot so amplituda, temperatura, tlak, trajanje ultrazvočnega razbijanja, delovni cikli in vnos energije, so bistveni za spodbujanje proizvodnje HMO s fermentacijo.
Pametna programska oprema Hielscher ultrasonicators beleži samodejno vse pomembne procesne parametre na integrirani SD-kartici. Samodejno snemanje podatkov procesa ultrazvočnega razbijanja so temelj za standardizacijo procesa in ponovljivost / ponovljivost, ki so potrebne za dobre proizvodne prakse (GMP).

Ultrazvočni rektorji za fermentacijo

Hielscher ponuja ultrazvočne sonde različnih velikosti, dolžine in geometrij, ki se lahko uporabljajo za serije, kot tudi neprekinjeno pretočno zdravljenje. Ultrazvočni reaktorji, znani tudi kot sono-bioreactors, so na voljo za vsako prostornino, ki zajema ultrazvočno bioprocesosing iz majhnih laboratorijskih vzorcev za pilot in popolnoma komercialno raven proizvodnje.
Znano je, da lokacija ultrazvočnega sonotrode v reakcijski posodi vpliva na porazdelitev kavitacije in mikro-streaming v mediju. Sonotrode in ultrazvočni reaktor je treba izbrati v skladu s prostornino obdelave celične juhe. Medtem ko se ultrazvočno razbijanje lahko izvaja v seriji in v neprekinjenem načinu, je za velike proizvodne količine priporočljiva uporaba naprave s stalnim pretokom. Skozi ultrazvočno pretočno celico, vse celice medij dobi popolnoma enako izpostavljenost ultrazvočno razbijanje zagotavlja najbolj učinkovito zdravljenje. Hielscher Ultrasonics široko paleto ultrazvočne sonde in reaktorji pretočne celice omogoča sestavljanje idealno ultrazvočno nastavitev bioprocessing.

Hielscher Ultrazvočna – Od laboratorija do pilota do proizvodnje

Hielscher Ultrasonics zajema celoten spekter ultrazvočne opreme, ki ponuja kompaktne ročne ultrazvočne homogenizatorje za pripravo vzorcev na klopi-top in pilotnih sistemov, kot tudi močne industrijske ultrazvočne enote, ki lahko proces truckloads na uro. Biti vsestranski in prilagodljiv pri montaži in montaži možnosti, Hielscher ultrasonicators lahko enostavno vključiti v vse vrste serij reaktorjev, krmijo serije ali stalno pretočno nastavitev.
Različni dodatki, kot tudi prilagojene dele omogočajo idealno prilagoditev vašega ultrazvočnega nastavitev na vaše zahteve procesa.
Zgrajena za 24 / 7 delovanje pri polni obremenitvi in težkih v zahtevnih pogojih, Hielscher ultrazvočni procesorji so zanesljivi in zahtevajo le nizko vzdrževanje.
V spodnji tabeli vam daje podatek o približni zmogljivosti obdelave naših ultrasonicators: