Bioreaktorë me ultratinguj për fermentim

Ultratingujt janë një mjet efektiv për të stimuluar mikroorganizmat përmes dridhjeve mekanike dhe kavitacionit. Në një sonobioreaktor / fermentues me ultratinguj, trajtimi me ultratinguj i qelizave dhe indeve bëhet shumë i kontrollueshëm, pasi faktorët mjedisorë mund të përcaktohen me saktësi. Me bioreaktorët me ultratinguj, prodhimi nga fermentimi mund të rritet ndjeshëm.

Fermentimi

Efikasiteti i fermentimit varet nga kushtet e procesit: lëndët ushqyese, dendësia e mjedisit, temperatura, përmbajtja e oksigjenit / gazit dhe presioni janë faktorë të rëndësishëm që ndikojnë në aktivitetin mikrobik. Mikroorganizmat, ashtu si edhe qelizat e gjitarëve, zhvillohen mirë vetëm në kushte të caktuara. Kushtet e duhura, të kombinuara me stimulimin me ultratinguj, mund të maksimizojnë rendimentin e fermentimit.

Stimulimi i mikroorganizmave me ultratinguj

Fermentimi është një proces metabolik që shndërron sheqerin në acide, gaze ose alkool. Ai ndodh te majatë dhe bakteret, si edhe në qelizat muskulore me mungesë oksigjeni, si në rastin e fermentimit laktik. Termi fermentim përdoret gjithashtu në një kuptim më të gjerë për t’iu referuar rritjes në masë të mikroorganizmave në një mjedis kultivimi, shpesh me qëllimin për të prodhuar një produkt kimik specifik.
Proceset e fermentimit kryhen në shkallë industriale duke përdorur mikroorganizma si bakteret dhe kërpudhat për fermentim. Produktet e fermentuara përdoren në industrinë ushqimore dhe në industri në përgjithësi. Substanca kimike si acidi acetik, acidi citrik dhe etanoli prodhohen përmes fermentimit. Shpejtësia e fermentimit ndikohet nga përqendrimi i mikroorganizmave, qelizave, përbërësve qelizorë dhe enzimave, si edhe nga temperatura dhe pH-ja. Për fermentimin aerob, edhe oksigjeni është një faktor kyç. Pothuajse të gjitha enzimat e prodhuara komercialisht, si lipaza, invertaza dhe mullëza, prodhohen përmes fermentimit me mikrobe të modifikuara gjenetikisht.

• Prodhimi i biomasës (material qelizor i gjallë)
• Prodhimi i metabolitëve jashtëqelizorë (përbërje kimike)
• Prodhimi i përbërësve brendaqelizorë (enzima dhe proteina të tjera)
• Shndërrimi i substratit (ku substrati i shndërruar është vetë produkti)

Sonikimi para, gjatë dhe pas fermentimit

Sonikimi, zbatimi i valëve të ultratingujve me frekuencë të ulët, mund të përdoret para, gjatë dhe pas fermentimit në mënyra të ndryshme dhe në faza të ndryshme të procesit të fermentimit.

Trajtimi me ultratinguj para fermentimit – Përmirësimi i disponueshmërisë së biomasës

1. Transferim i përmirësuar i masës: Sonikimi si paratrajtim përdoret për të nxitur transferimin e masës dhe për ta bërë substratin më të disponueshëm për mikrobet. Përzierja me ultratinguj nxit transferimin e masës së substrateve drejt qelizave mikrobike dhe të produkteve larg tyre. Intensifikimi i transferimit të masës me ultratinguj mund të zbatohet si paratrajtim, si edhe gjatë fermentimit.
2. Shkatërrimi i qelizave: Sonikimi mund të përdoret për të çarë muret dhe membranat qelizore, veçanërisht në kulturat mikrobike ose të majave. Kjo ndihmon në çlirimin e përbërësve brendaqelizorë, si enzimat ose metabolitët, të cilët mund të përmirësojnë performancën e fermentimit ose të lehtësojnë proceset e mëtejshme.
3. Ekstraktimi i përbërjeve brendaqelizore: Sonikimi mund të ndihmojë në ekstraktimin e përbërjeve brendaqelizore nga materialet biologjike para fermentimit. Kjo përfshin ekstraktimin e enzimave, proteinave, acideve nukleike ose përbërjeve të tjera të synuara nga qelizat, indet ose materialet bimore për përdorim të mëvonshëm në proceset e fermentimit.

Për shembull, paratrajtimi me ultratinguj i lëvozhgës së orizit u përdor për të përmirësuar hidrolizën enzimatike për prodhimin e ksilooligosakarideve nga Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Nëpërmjet sonikimit, prodhimi i enzimave celulolitike dhe ksilanolitike nga lëvozhga e orizit u rrit ndjeshëm. Rendimenti i hemicelulozës u rrit në 1,4-fishin gjatë sonikimit dhe koha e prodhimit u shkurtua shumë nga 24 h në 1,5 h në 80ºC – me potencial të mëtejshëm për optimizimin e procesit. Biomasa e sonikuar shndërrohet shumë më lehtë nga kërpudhat, kështu që qëndrueshmëria e aktivitetit enzimatik zgjatet dhe aktiviteti i CMCase, b-glukozidazës dhe ksilanazës rritet në krahasim me lëvozhgën e orizit të pasonikur. Produktet përfundimtare të fermentimit ishin ksilotetraoza, ksilohekzaoza dhe ksilooligosakaridet me peshë molekulare më të lartë. Rendimenti i ksilohekzaozës nga lëvozhga e sonikuar e orizit ishte 80% më i lartë.

Fermentimi i asistuar me ultratinguj – Stimulimi i mikrobeve

• Përzierja dhe homogjenizimi: Sonikimi mund të përdoret si teknikë përzierjeje gjatë fermentimit. Zbatimi i valëve ultrasonike ndihmon në krijimin e mikrorrymave dhe nxit homogjenitetin, duke siguruar shpërndarjen e njëtrajtshme të lëndëve ushqyese, gazeve dhe mikroorganizmave brenda enës së fermentimit.
• Përmirësimi i transferimit të masës: Me përmirësimin e përzierjes dhe homogjenizimit lidhet edhe rritja e shpejtësive të transferimit të masës me anë të ultratingujve gjatë fermentimit. Lëkundjet ultrasonike dhe kavitacioni krijojnë turbulencë të lokalizuar dhe përmirësojnë difuzionin e substrateve, gazeve dhe lëndëve ushqyese në lëngun e fermentimit. Kjo mund të përmirësojë efikasitetin dhe produktivitetin e përgjithshëm të procesit të fermentimit.
• Përmirësimi i jetueshmërisë së qelizave dhe i aktivitetit metabolik: Sonikimi mund të zbatohet në kulturat mikrobike gjatë fermentimit për të përmirësuar jetueshmërinë e qelizave dhe aktivitetin metabolik. Sonikimi i butë mund të stimulojë mikroorganizma të caktuar, duke nxitur rritjen, prodhimin e biomasës dhe sintezën e metabolitëve të dëshiruar ose të produkteve të fermentimit.

Sonikimi që mund të kontrollohet me saktësi dhe të përsëritet ndihmon në përmirësimin e produktivitetit të proceseve të ndryshme të fermentimit pa dëmtuar qelizat. Intensiteti i sonikimit mund të përshtatet me saktësi sipas llojit specifik të qelizave dhe kërkesave të tij. Nëpërmjet sonikimit të kontrolluar, rritja dhe metabolizmi i qelizave ndikohen pozitivisht dhe shndërrimet e katalizuara nga qelizat e gjalla përmirësohen ndjeshëm, p.sh. duke stimuluar Bifidobacteria në qumësht.
Për disa procese fermentimi të kryera nga kërpudhat, sonikimi përdoret me sukses për të modifikuar morfologjinë e rritjes dhe reologjinë e lëngut të fermentimit pa ndikuar në shpejtësinë e rritjes dhe rendimentin e kërpudhave filamentoze.

Trajtimi me ultratinguj pas fermentimit

• Mbledhja dhe ndarja e qelizave: Sonikimi mund të ndihmojë në mbledhjen dhe ndarjen e qelizave pas fermentimit. Ai mund të ndihmojë në shpërbërjen e agregateve qelizore, flokulantëve ose biofilmave, duke lehtësuar çlirimin e qelizave nga lëngu i fermentimit. Kjo thjeshton proceset e mëtejshme, si rikuperimi i qelizave ose pastrimi i produktit.
• Ekstraktimi i produkteve brendaqelizore: Pas fermentimit, sonikimi mund të përdoret për të ekstraktuar produkte brendaqelizore, si enzima, proteina ose metabolitë dytësorë, nga biomasa mikrobike ose qelizore. Ky proces ekstraktimi ndihmon në rikuperimin e përbërjeve të vlefshme dhe përmirëson rendimentin e përgjithshëm të procesit të fermentimit.
• Shpërbërja e qelizave për qëllime analitike: Sonikimi mund të zbatohet për të shpërbërë qelizat ose mostrat mikrobike pas fermentimit, veçanërisht për qëllime analitike. Ai ndihmon në lizën e qelizave dhe çlirimin e përmbajtjes brendaqelizore, duke lehtësuar analizën e përbërësve qelizorë ose kryerjen e analizave të mëtejshme.

Për prodhimin e përbërësve brendaqelizorë, si enzimat mikrobike (p.sh. katalaza, amilaza, proteaza, pektinaza, izomeraza e glukozës, celulaza, hemicelulaza, lipaza, laktaza, streptokinaza) dhe proteinat rekombinante (p.sh. insulina, vaksina kundër hepatitit B, interferoni, faktori stimulues i kolonive të granulociteve, streptokinaza), qelizat duhet t’i nënshtrohen lizës / shpërbërjes pas procesit të fermentimit për të çliruar proteinat e dëshiruara. Trajtimi me ultratinguj lehtëson ekstraktimin e komplekseve brendaqelizore dhe jashtëqelizore polisakarid–proteinë nga lëngu viskoz i fermentimit micelial. Krahas rendimentit dhe efikasitetit të jashtëzakonshëm të ekstraktimit, trajtimi me ultratinguj është një metodë e konsoliduar dhe e besueshme për lizën qelizore dhe ekstraktimin e lëndës brendaqelizore.
Klikoni këtu për të lexuar më shumë rreth lizës dhe ekstraktimit me ultratinguj!

Bioreaktorë me ultratinguj për procese të përmirësuara fermentimi

Hielscher Ultrasonics ka përvojë shumëvjeçare në bioproceset e stimuluara me ultratinguj, si stimulimi qelizor, fermentimi, shpërbërja qelizore dhe ekstraktimi. Ne ofrojmë reaktorë të ndryshëm standardë me ultratinguj, me përmasa dhe gjeometri të ndryshme, për trajtim me ultratinguj në regjim me lote dhe me rrjedhje të vazhdueshme. Si alternativë, ofrojmë zgjidhje të përshtatura për integrim në bioreaktorin tuaj ekzistues. Meqenëse procesorët tanë me ultratinguj janë shumë të gjithanshëm dhe kërkojnë vetëm pak hapësirë, integrimi i tyre në impiantet ekzistuese bioteknologjike mund të realizohet pa probleme.
Lexoni këtu më shumë rreth llojeve, projektimeve dhe aplikimeve të reaktorëve me ultratinguj!
Tabela më poshtë jep rekomandime të përgjithshme për pajisjet në varësi të vëllimit të lotit ose prurjes që duhet të përpunohet. Klikoni mbi llojin e pajisjes për të marrë më shumë informacion për secilën pajisje.

Literatura/Referencat

• 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.