Ultrazvočni bioreaktorji za fermentacijo

Ultrazvok je učinkovito sredstvo za stimulacijo mikroorganizmov z mehanskimi vibracijami in kavitacijo. V sonobioreaktorju / ultrazvočnem fermentorju je mogoče ultrazvočno obdelavo celic in tkiv zelo natančno nadzorovati, saj je mogoče okoljske dejavnike natančno določiti. Z ultrazvočnimi bioreaktorji je mogoče znatno povečati izplen fermentacije.

Fermentacija

Učinkovitost fermentacije je odvisna od procesnih pogojev: hranila, gostota gojišča, temperatura, vsebnost kisika / plina in tlak so pomembni dejavniki, ki vplivajo na aktivnost mikroorganizmov. Mikroorganizmi in celice sesalcev uspevajo le v določenih pogojih. Ustrezni pogoji v kombinaciji z ultrazvočno stimulacijo lahko povečajo izplen fermentacije do največje možne vrednosti.

Ultrazvočna stimulacija mikroorganizmov

Fermentacija je presnovni proces, pri katerem se sladkor pretvarja v kisline, pline ali alkohol. Poteka v kvasovkah in bakterijah ter tudi v mišičnih celicah s pomanjkanjem kisika, kot pri mlečnokislinski fermentaciji. Izraz fermentacija se v širšem pomenu uporablja tudi za rast mikroorganizmov v velikih količinah na gojišču, pogosto z namenom proizvodnje določenega kemičnega izdelka.
Fermentacijski procesi se izvajajo v industrijskem merilu z uporabo mikroorganizmov, kot so bakterije in glive. Fermentirani izdelki se uporabljajo v živilski industriji in industriji na splošno. Kemikalije, kot so ocetna kislina, citronska kislina in etanol, se proizvajajo s fermentacijo. Na hitrost fermentacije vplivajo koncentracija mikroorganizmov, celic, celičnih sestavin in encimov ter temperatura in pH. Pri aerobni fermentaciji je ključni dejavnik tudi kisik. Skoraj vsi komercialno proizvedeni encimi, kot so lipaza, invertaza in sirišče, se izdelujejo s fermentacijo z gensko spremenjenimi mikroorganizmi.

• Proizvodnja biomase (živega celičnega materiala)
• Proizvodnja zunajceličnih metabolitov (kemičnih spojin)
• Proizvodnja znotrajceličnih sestavin (encimov in drugih beljakovin)
• Pretvorba substrata (pri kateri je pretvorjeni substrat sam izdelek)

Sonikacija pred fermentacijo, med njo in po njej

Sonikacijo, pri kateri se uporabljajo nizkofrekvenčni ultrazvočni valovi, je mogoče uporabljati pred fermentacijo, med njo in po njej na različne načine in v različnih fazah fermentacijskega procesa.

Ultrazvočna obdelava pred fermentacijo – izboljšanje razpoložljivosti biomase

1. Izboljšan prenos snovi: Sonikacija se uporablja kot predobdelava za spodbujanje prenosa snovi in povečanje razpoložljivosti substrata za mikroorganizme. Ultrazvočno mešanje spodbuja prenos substratov do mikrobnih celic in odvajanje produktov od njih. Ultrazvočno intenziviranje prenosa snovi je mogoče uporabiti kot predobdelavo in tudi med fermentacijo.
2. Razgradnja celic: Sonikacijo je mogoče uporabiti za razgradnjo celičnih sten in membran, zlasti v mikrobnih kulturah ali kulturah kvasovk. To pomaga sprostiti znotrajcelične sestavine, kot so encimi ali metaboliti, kar lahko izboljša uspešnost fermentacije ali olajša nadaljnje procese.
3. Ekstrakcija znotrajceličnih spojin: Sonikacija lahko pomaga pri ekstrakciji znotrajceličnih spojin iz bioloških materialov pred fermentacijo. To vključuje ekstrakcijo encimov, beljakovin, nukleinskih kislin ali drugih ciljnih spojin iz celic, tkiv ali rastlinskih materialov za poznejšo uporabo v fermentacijskih procesih.

Ultrazvočna predobdelava riževih luščin je bila na primer uporabljena za izboljšanje encimske hidrolize za proizvodnjo ksilooligosaharidov z Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). S sonikacijo se je znatno povečala proizvodnja celulolitičnih in ksilanolitičnih encimov iz riževih luščin. Pri sonikaciji se je izkoristek hemiceluloze povečal na 1,4-kratno vrednost, čas proizvodnje pa se je močno skrajšal s 24 h na 1,5 h pri 80ºC – z dodatnimi možnostmi optimizacije procesa. Glive veliko lažje pretvarjajo sonikirano biomaso, zato se podaljša stabilnost encimske aktivnosti, aktivnost CMCase, b-glukozidaze in ksilanaze pa se poveča v primerjavi z nesonikiranimi riževimi luščinami. Končni fermentacijski produkti so bili ksilotetraoza, ksiloheksaoza in ksilooligosaharidi z višjo molekulsko maso. Izplen ksiloheksaoze iz sonikiranih riževih luščin je bil za 80% večji.

Fermentacija s pomočjo ultrazvoka – stimulacija mikroorganizmov

• Mešanje in homogenizacija: Sonikacijo je mogoče uporabljati kot tehniko mešanja med fermentacijo. Uporaba ultrazvočnih valov pomaga ustvarjati mikrotokove in spodbuja homogenost, s čimer zagotavlja enakomerno porazdelitev hranil, plinov in mikroorganizmov v fermentacijski posodi.
• Izboljšanje prenosa snovi: Z izboljšanim mešanjem in homogenizacijo so povezane tudi z ultrazvokom povečane hitrosti prenosa snovi med fermentacijo. Ultrazvočno nihanje in kavitacija ustvarjata lokalno turbulenco ter povečujeta difuzijo substratov, plinov in hranil v fermentacijsko brozgo. To lahko izboljša splošno učinkovitost in produktivnost fermentacijskega procesa.
• Izboljšanje viabilnosti celic in presnovne aktivnosti: Sonikacijo je mogoče uporabiti pri mikrobnih kulturah med fermentacijo za izboljšanje viabilnosti celic in presnovne aktivnosti. Blaga sonikacija lahko stimulira določene mikroorganizme ter spodbuja rast, proizvodnjo biomase in sintezo želenih metabolitov ali fermentacijskih produktov.

Natančno nadzorovana in ponovljiva sonikacija pomaga izboljšati produktivnost različnih fermentacijskih procesov brez poškodb celic. Intenzivnost sonikacije je mogoče natančno prilagoditi posamezni vrsti celic in njenim zahtevam. Nadzorovana sonikacija pozitivno vpliva na rast in presnovo celic ter znatno izboljša pretvorbe, ki jih katalizirajo žive celice, na primer s stimulacijo bifidobakterij v mleku.
Pri nekaterih fermentacijskih procesih, ki jih izvajajo glive, se sonikacija uspešno uporablja za spreminjanje morfologije rasti in reologije brozge, ne da bi vplivala na hitrost rasti in izplen nitastih gliv.

Ultrazvočna obdelava po fermentaciji

• Zbiranje in ločevanje celic: Sonikacija lahko pomaga pri zbiranju in ločevanju celic po fermentaciji. Pomaga lahko pri razgradnji celičnih agregatov, flokulantov ali biofilmov ter tako olajša sproščanje celic iz fermentacijske brozge. To poenostavi nadaljnje procese, kot sta pridobivanje celic ali čiščenje izdelka.
• Ekstrakcija znotrajceličnih produktov: Po fermentaciji je mogoče sonikacijo uporabiti za ekstrakcijo znotrajceličnih produktov, kot so encimi, beljakovine ali sekundarni metaboliti, iz mikrobne ali celične biomase. Ta postopek ekstrakcije pomaga pridobiti dragocene spojine in izboljša skupni izplen fermentacijskega procesa.
• Razgradnja celic za analitične namene: Sonikacijo je mogoče uporabiti za razgradnjo celic ali mikrobnih vzorcev po fermentaciji, zlasti za analitične namene. Pomaga pri lizi celic in sproščanju znotrajcelične vsebine ter tako olajša analizo celičnih sestavin ali izvajanje nadaljnjih analiz.

Za proizvodnjo znotrajceličnih sestavin, kot so mikrobni encimi (npr. katalaza, amilaza, proteaza, pektinaza, glukozna izomeraza, celulaza, hemicelulaza, lipaza, laktaza, streptokinaza) in rekombinantne beljakovine (npr. inzulin, cepivo proti hepatitisu B, interferon, granulocitne kolonije stimulirajoči faktor, streptokinaza), je treba celice po fermentacijskem procesu lizirati / razgraditi, da se sprostijo želene beljakovine. Sonikacija olajša ekstrakcijo znotrajceličnih in zunajceličnih polisaharidno–beljakovinskih kompleksov iz viskozne micelijske fermentacijske brozge. Poleg izjemnega izkoristka in učinkovitosti ekstrakcije je sonikacija uveljavljena in zanesljiva metoda za lizo celic in ekstrakcijo znotrajcelične snovi.
Kliknite tukaj in preberite več o ultrazvočni lizi in ekstrakciji!

Ultrazvočni bioreaktorji za izboljšane fermentacijske procese

Hielscher Ultrasonics ima dolgoletne izkušnje z ultrazvočno stimuliranimi bioprocesi, kot so stimulacija celic, fermentacija, razgradnja celic in ekstrakcija. Ponujamo različne standardne ultrazvočne reaktorje različnih velikosti in geometrij za sonikacijo v šaržnem in pretočnem načinu. Ponujamo tudi prilagojene rešitve za vgradnjo v vaš obstoječi bioreaktor. Ker so naši ultrazvočni procesorji zelo vsestranski in potrebujejo le malo prostora, jih je mogoče brez težav naknadno vgraditi v obstoječe biotehnološke obrate.
Tukaj preberite več o vrstah, zasnovah in uporabi ultrazvočnih reaktorjev!
Spodnja tabela prikazuje splošna priporočila za izbiro naprav glede na prostornino šarže ali pretok pri obdelavi. Kliknite vrsto naprave za več informacij o posamezni napravi.

Literatura/Viri

• 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.