Биосинтетичка производња олигосахарида људског млека

Биосинтеза олигосахарида у људском млеку (ХМО) путем ферментације или ензимских реакција је сложен, дуготрајан и често ниског приноса. Ултразвучна обрада повећава пренос масе између супстрата и фабрика ћелија и стимулише раст ћелија и метаболизам. На тај начин, соникација интензивира ферментацију и биохемијске процесе што резултира убрзаном и ефикаснијом производњом ХМО.

Олигосахариди људског млека

Олигосахариди хуманог млека (ХМО), такође познати као гликани хуманог млека, су молекули шећера, који су део групе олигосахарида. Истакнути примери ХМО укључују 2'-фукозилактозу (2′-ФЛ), лакто-Н-неотетраоза (ЛНнТ), 3'-галактозилактоза (3′-ГЛ) и дифукозилактозу (ДФЛ).
Док се људско мајчино млеко састоји од више од 150 различитих ХМО структура, само се 2′-фукозилактоза (2′-ФЛ) и лакто-Н-неотетраоза (ЛНнТ) тренутно производе на комерцијалном нивоу и користе као нутритивни адитиви у формулама за одојчад.
Олигосахариди људског млека (ХМО) су познати по свом значају у исхрани беба. Олигосахариди људског млека су јединствена врста хранљивих материја, који делују као пребиотици, анти-адхезивни антимикробни лекови и имуномодулатори у цревима новорођенчета и значајно доприносе развоју мозга. ХМО се налазе искључиво у људском млеку; друга млека сисара (нпр. кравље, козје, овчје, камиље итд.) немају ове специфичне облике олигосахарида.
Олигосахариди хуманог млека су трећа најзаступљенија чврста компонента у људском млеку, која може бити присутна у раствореном или емулгованом или суспендованом облику у води. Лактоза и масне киселине су најзаступљеније чврсте материје које се налазе у људском млеку. ХМО су присутни у концентрацији од 0,35–0,88 унци (9,9–24,9 г)/л. Познато је приближно 200 структурно различитих олигосахарида људског млека. Доминантни олигосахарид код 80% свих жена је 2′-фукозилактоза, која је присутна у људском млеку у концентрацији од приближно 2,5 г/Л.
Пошто се ХМО не варе, они калоријски не доприносе исхрани. Будући да су несварљиви угљени хидрати, функционишу као пребиотици и селективно су ферментисани жељеном микрофлором црева, посебно бифидобактеријама.

Биосинтеза олигосахарида људског млека

Фабрике ћелија и ензимски/хемо-ензимски системи су актуелне технологије које се користе за синтезу ХМО. За производњу ХМО у индустријским размерама, ферментација фабрика микробних ћелија, биохемијска синтеза и различите ензимске реакције су изводљиви начини биолошке производње ХМО. Из економских разлога, биосинтеза преко фабрика микробних ћелија је тренутно једина техника која се користи на нивоу индустријске производње ХМО.

Ферментација ХМО-а коришћењем фабрика микробних ћелија

Е.цоли, Саццхаромицес церевисиае и Лацтоцоццус лацтис су најчешће коришћене фабрике ћелија које се користе за био-производњу биолошких молекула као што су ХМО. Ферментација је биохемијски процес који користи микроорганизме за претварање супстрата у циљане биолошке молекуле. Фабрике микробних ћелија користе једноставне шећере као супстрат, које претварају у ХМО. Пошто су једноставни шећери (нпр. лактоза) богат, јефтин супстрат, ово одржава процес биосинтезе исплативим.
На раст и брзину биоконверзије углавном утиче пренос масе хранљивих материја (супстрата) до микроорганизама. Брзина преноса масе је главни фактор који утиче на синтезу производа током ферментације. Познато је да ултразвук промовише пренос масе.
Током ферментације, услови у биореактору се морају стално пратити и регулисати како би ћелије могле да расту што је брже могуће како би потом произвеле циљане биомолекуле (нпр. олигосахариде као што су ХМО; инсулин; рекомбинантни протеини). Теоретски, формирање производа почиње чим култура ћелија почне да расте. Међутим, посебно у генетски модификованим ћелијама, као што су пројектовани микроорганизми, обично се касније индукује додавањем хемијске супстанце супстрату, која појачава експресију циљаног биомолекула. Ултразвучни биореактори (соно-биореактор) могу се прецизно контролисати и омогућавају специфичну стимулацију микроба. Ово резултира убрзаном биосинтезом и већим приносима.
Ултразвучна лиза и екстракција: Ферментација комплексних ХМО може бити ограничена ниским титрима ферментације и производима који остају унутар ћелије. Ултразвучна лиза и екстракција се користе за ослобађање интрацелуларног материјала пре пречишћавања и низводних процеса.

Ултразвучно промовисана ферментација

Брзина раста микроба као што су Есцхерицхиа цоли, конструисана Е.цоли, Саццхаромицес церевисиае и Лацтоцоццус лацтис може се убрзати повећањем брзине преноса масе и пропустљивости ћелијског зида применом контролисане ултразвучне обраде ниске фреквенције. Као блага, нетермална техника обраде, ултразвук примењује чисто механичке силе на ферментациону супу.
Акустична кавитација: Принцип рада соникације заснован је на акустичној кавитацији. Ултразвучна сонда (сонотрода) спаја ултразвучне таласе ниске фреквенције у медијум. Ултразвучни таласи путују кроз течност стварајући наизменичне циклусе високог притиска (компресија) / ниског притиска (разређивања). Компресијом и истезањем течности у наизменичним циклусима настају ситни вакуумски мехурићи. Ови мали вакуумски мехурићи расту током неколико циклуса док не достигну величину у којој не могу да апсорбују даљу енергију. У овој тачки максималног раста, вакуумски мехур насилно имплодира и ствара локално екстремне услове, познате као феномен кавитације. У кавитационој „врућој тачки“, могу се уочити високе разлике притиска и температуре и интензивне силе смицања са млазовима течности до 280 м/сец. Овим кавитационим ефектима постиже се темељан пренос масе и сонопорација (перфорација ћелијских зидова и ћелијских мембрана). Хранљиве материје супстрата плутају до и у живе целе ћелије, тако да се ћелијске фабрике оптимално негују и убрзавају раст као и стопе конверзије. Ултразвучни биореактори су једноставна, али веома ефикасна стратегија за обраду биомасе у процесу биосинтезе у једном лонцу.
Добро је познато да прецизно контролисана, блага соникација интензивира процесе ферментације.
Соникација побољшава „продуктивност многих биопроцеса који укључују живе ћелије кроз побољшање узимања супстрата, појачану производњу или раст повећањем порозности ћелије и потенцијално појачаним ослобађањем ћелијских компоненти. (Навеена ет ал. 2015)
Прочитајте више о ултразвучној ферментацији!

Навеена и др. (2015) су открили да ултразвучно интензивирање нуди неколико предности током биопроцесирања, укључујући ниске оперативне трошкове у поређењу са другим опцијама за побољшање третмана, једноставност рада и скромне потребе за снагом.

Ултразвучни реактори за ферментацију високих перформанси

Процеси ферментације укључују живе микроорганизме као што су бактерије или квасац, који функционишу као фабрике ћелија. Док се ултразвучна обрада примењује за промовисање преноса масе и повећање раста и стопе конверзије микроорганизама, кључно је прецизно контролисати ултразвучни интензитет како би се избегло уништавање фабрика ћелија.
Хиелсцхер Ултрасоницс је специјалиста за пројектовање, производњу и дистрибуцију ултрасоникатора високих перформанси, који се могу прецизно контролисати и надгледати како би се осигурали врхунски приноси ферментације.

Контрола процеса није само неопходна за високе приносе и врхунски квалитет, већ омогућава понављање и репродукцију резултата. Нарочито када је реч о стимулацији фабрика ћелија, прилагођавање параметара соникације специфично за ћелију је од суштинског значаја за постизање високих приноса и спречавање деградације ћелија. Због тога су сви дигитални модели Хиелсцхер ултрасоницатора опремљени интелигентним софтвером, који вам омогућава да прилагодите, надгледате и ревидирате параметре соникације. Параметри ултразвучног процеса као што су амплитуда, температура, притисак, трајање соникације, циклуси рада и унос енергије су од суштинског значаја за промовисање производње ХМО путем ферментације.
Паметни софтвер Хиелсцхер ултрасоницатора аутоматски снима све важне параметре процеса на интегрисану СД картицу. Аутоматско снимање података процеса соникације је основа за стандардизацију процеса и репродуктивност / поновљивост, који су потребни за Добре производне праксе (ГМП).

Ултразвучни ректори за ферментацију

Хиелсцхер нуди ултразвучне сонде различите величине, дужине и геометрије, које се могу користити за серијске, као и континуиране проточне третмане. Ултразвучни реактори, такође познати као соно-биореактори, доступни су за било коју запремину која покрива ултразвучну биопроцесу од малих лабораторијских узорака до нивоа пилот и потпуно комерцијалне производње.
Добро је познато да локација ултразвучне сонотроде у реакционом суду утиче на дистрибуцију кавитације и микро-струјања унутар медијума. Сонотроде и ултразвучни реактор треба изабрати у складу са запремином обраде ћелијске бујоне. Док се соникација може изводити у серијама као иу континуираном режиму, за велике количине производње препоручује се употреба инсталације са континуираним протоком. Пролазећи кроз ултразвучну проточну ћелију, сви ћелијски медијуми добијају потпуно исту изложеност соникацији, обезбеђујући најефикаснији третман. Хиелсцхер Ултрасоницс широк спектар ултразвучних сонди и реактора са проточним ћелијама омогућава састављање идеалне ултразвучне биопроцесне поставке.

Hielscher Ultrasonics – Од лабораторије до пилота до производње

Хиелсцхер Ултрасоницс покрива читав спектар ултразвучне опреме која нуди компактне ручне ултразвучне хомогенизаторе за припрему узорака за столне и пилот системе, као и моћне индустријске ултразвучне јединице које лако обрађују камионе на сат. Будући да су свестрани и флексибилни у опцијама инсталације и монтаже, Хиелсцхер ултрасоникатори се могу лако интегрисати у све врсте батцх реактора, напајаних серија или континуалних проточних подешавања.
Различити додаци као и прилагођени делови омогућавају идеално прилагођавање вашег ултразвучног подешавања вашим захтевима процеса.
Направљени за 24/7 рад под пуним оптерећењем и тешким условима у захтевним условима, Хиелсцхер ултразвучни процесори су поуздани и захтевају само мало одржавања.
Табела у наставку даје вам индикацију приближних капацитета обраде наших ултразвучних апарата: