Ultrazvočni bioreaktorji za fermentacijo

Ultrazvok je učinkovito sredstvo za stimulacijo mikroorganizmov z mehanskimi vibracijami in kavitacijo. V sonobioreaktorju / ultrazvočnem fermentorju postane ultrazvočna obdelava celic in tkiv zelo nadzorovana, saj je mogoče natančno določiti okoljske dejavnike. Z ultrazvočnimi bioreaktorji se lahko fermentacijski izhod znatno poveča.

vrenje

Učinkovitost fermentacije je odvisna od procesnih pogojev: hranila, gostota medija, temperatura, vsebnost kisika / plina in tlak so pomembni dejavniki, ki vplivajo na mikrobno aktivnost. Mikroorganizmi in celice sesalcev uspevajo le pod določenimi pogoji. Pravi pogoji v kombinaciji z ultrazvočno stimulacijo lahko povečajo donos fermentacije.

Ultrazvočna stimulacija mikroorganizmov

Fermentacija je presnovni proces, ki pretvori sladkor v kisline, pline ali alkohol. Pojavlja se v kvasovkah in bakterijah, pa tudi v mišičnih celicah, ki so izčrpane s kisikom, kot v primeru fermentacije mlečne kisline. Fermentacija se uporablja tudi širše za povečanje množične rasti mikroorganizmov na rastnem mediju, pogosto s ciljem proizvodnje določenega kemičnega proizvoda.
Proces fermentacije se izvaja v industrijskem obsegu z uporabo mikroorganizmov, kot so bakterije in glive za fermentacijo. Fermentirani izdelki se uporabljajo v živilski in splošni industriji. Kemikalije, kot so ocetna kislina, citronska kislina in etanol, se proizvajajo s fermentacijo. Na hitrost fermentacije vplivajo koncentracija mikroorganizmov, celic, celičnih komponent in encimov ter temperatura in pH. Za aerobno fermentacijo je kisik tudi ključni dejavnik. Skoraj vsi komercialno proizvedeni encimi, kot so lipaza, invertaza in sirilo, so narejeni s fermentacijo z gensko spremenjenimi mikrobi.

• Proizvodnja biomase (živahnega celičnega materiala)
• Proizvodnja zunajceličnih metabolitov (kemičnih spojin)
• Proizvodnja znotrajceličnih komponent (encimov in drugih beljakovin)
• Transformacija substrata (pri čemer je transformirani substrat sam produkt)

Sonication pred, med in po fermentaciji

Sonikacija, uporaba nizkofrekvenčnih ultrazvočnih valov, se lahko uporablja pred, med in po fermentaciji na različne načine in na različnih stopnjah fermentacijskega procesa.

Ultrazvočna predfermentacijska obdelava – Izboljšanje razpoložljivosti biomase

1. Izboljšan prenos mase: Sonication kot predobdelava se uporablja za spodbujanje prenosa mase in povečanje dostopnosti substrata mikrobom. Ultrazvočno mešanje spodbuja prenos mas substratov v mikrobne celice in izdelke stran od njih. Ultrazvočno intenziviranje prenosa mase se lahko uporablja kot predobdelava in med fermentacijo.
2. Motnje celic: Sonication se lahko uporablja za motnje celičnih sten in membran, zlasti v mikrobnih ali kvasovkah. To pomaga pri sproščanju znotrajceličnih komponent, kot so encimi ali metaboliti, ki lahko izboljšajo učinkovitost fermentacije ali olajšajo nadaljnje procese.
3. Ekstrakcija znotrajceličnih spojin: Sonication 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 nadaljnjo uporabo v fermentacijskih procesih.

Na primer, ultrazvočna predobdelava riževega lupine je bila uporabljena za povečanje encimske hidrolize za proizvodnjo ksilooligosaharidov s strani Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Z ultrazvočnim razbijanjem se je znatno povečala proizvodnja celulolitičnih in ksilanolitičnih encimov iz riževe lupine. Donos hemiceluloze se je s ultrazvočnim razbijanjem povečal na 1,4-krat, čas proizvodnje pa se je močno skrajšal s 24 na 1,5 ure pri 80 ° C – z nadaljnjim potencialom optimizacije procesov. Sonicirana biomasa je veliko lažje konvertibilna za glive, tako da se poveča stabilnost encimske aktivnosti in poveča aktivnost CMCaze, b-glukozidaze in ksilanaze v primerjavi z nesonikirano riževo lupino. Končni fermentativni produkti so bili ksilotetraoza, ksiloheksaoza in ksilooligosaharidi z višjo molekulsko maso. Donos ksiloheksaoze iz sonikirane riževe lupine je bil 80% višji.

Ultrazvočno podprta fermentacija – Stimulacija mikrobov

• Mešanje in homogenizacija: Sonication se lahko uporablja kot tehnika mešanja med fermentacijo. Uporaba ultrazvočnih valov pomaga ustvariti mikrotok in spodbuja homogenost, kar zagotavlja enakomerno porazdelitev hranil, plinov in mikroorganizmov v fermentacijski posodi.
• Izboljšanje prenosa mase: Z izboljšanim mešanjem in homogenizacijo so povezane ultrazvočno izboljšane hitrosti prenosa mase med fermentacijo. Ultrazvočna nihanja in kavitacija ustvarjata lokalizirano turbulenco in povečujeta difuzijo substratov, plinov in hranil v fermentacijsko juho. To lahko izboljša splošno učinkovitost in produktivnost procesa fermentacije.
• Izboljšanje sposobnosti preživetja celic in presnovne aktivnosti: Sonication se lahko uporablja za mikrobne kulture med fermentacijo, da se poveča sposobnost preživetja celic in presnovna aktivnost. Blaga ultrazvočna razbijanje lahko stimulira nekatere mikroorganizme, spodbuja rast, proizvodnjo biomase in sintezo želenih metabolitov ali fermentacijskih produktov.

Natančno nadzorovana in ponovljiva ultrazvočna obdelava pomaga izboljšati produktivnost različnih fermentacijskih procesov brez poškodb celic. Intenzivnost ultrazvočne razbijanja se lahko natančno prilagodi specifični celični vrsti in njenim zahtevam. Z nadzorovano ultrazvočno razbijanjem pozitivno vpliva na rast in presnovo celic, bistveno pa se izboljšajo pretvorbe, ki jih katalizirajo žive celice, npr. Stimulacija bifidobakterij v mleku.
Za nekatere fermentacijske procese, ki jih poganjajo glivice, se ultrazvočna razbijanje uspešno uporablja za spreminjanje morfologije rasti in reologije bujona, ne da bi to vplivalo na hitrost rasti in donos nitastih gliv.

Ultrazvočna obdelava po fermentaciji

• Nabiranje in ločevanje celic: Sonication lahko pomaga pri nabiranju in ločevanju celic po fermentaciji. Lahko pomaga pri razbijanju celičnih agregatov, flokulantov ali biofilmov, kar olajša sproščanje celic iz fermentacijske juhe. To poenostavlja nadaljnje procese, kot je obnova celic ali čiščenje izdelka.
• Ekstrakcija znotrajceličnih izdelkov: Po fermentaciji se lahko ultrazvočna razbijanje uporablja za ekstrakcijo znotrajceličnih izdelkov, kot so encimi, beljakovine ali sekundarni metaboliti, iz mikrobne ali celične biomase. Ta postopek ekstrakcije pomaga obnoviti dragocene spojine in izboljša celoten donos fermentacijskega procesa.
• Razpad celic za analitične namene: Sonication se lahko uporablja za prekinitev celic ali mikrobnih vzorcev po fermentaciji, zlasti za analitične namene. Pomaga pri lizi celic in sproščanju znotrajcelične vsebine, olajša analizo celičnih komponent ali izvajanje testov v nadaljnjem toku.

Za proizvodnjo znotrajceličnih komponent, kot so mikrobni encimi (npr. katalaza, amilaza, proteaza, pektinaza, glukoza izomeraza, celulaza, hemicelulaza, lipaza, laktaza, streptokinaza) in rekombinantne beljakovine (npr. insulin, cepivo proti hepatitisu B, interferon, faktor, ki spodbuja kolonije granulocitov, streptokinaza), je treba celice po procesu fermentacije lizirati/razbiti, da se sprostijo želene beljakovine. Z ultrazvočno razbijanjem se olajša ekstrakcija znotrajceličnih in zunajceličnih polisaharidno-proteinskih kompleksov iz viskozne micelijske fermentacijske juhe. Poleg izjemnega donosa in učinkovitosti ekstrakcije je ultrazvočno razbijanje dobro uveljavljeno in zanesljivo za lizo celic in ekstrakcijo znotrajcelične snovi.
Kliknite tukaj, če želite prebrati 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, motnje celic in ekstrakcija. Ponujamo različne standardne ultrazvočne reaktorje različnih velikosti in geometrij za ultrazvočno razbijanje v paketnem in pretočnem načinu. Ponujamo tudi prilagojene rešitve za integracijo v vaš obstoječi bioreaktor. Ker so naši ultrazvočni procesorji zelo vsestranski in zahtevajo le majhen prostor, je naknadno opremljanje v obstoječe biotehnološke obrate mogoče brez težav realizirati.
Preberite več o vrstah ultrazvočnih reaktorjev, modelih in aplikacijah tukaj!
V spodnji tabeli so navedena splošna priporočila naprave, odvisno od prostornine serije ali pretoka, ki ga je treba obdelati. Kliknite na vrsto naprave, če želite pridobiti več informacij o posamezni napravi.

Literatura/Reference