Ултразвучни биореактори за ферментацију

Ултразвук је ефикасно средство за стимулацију микроорганизама механичким вибрацијама и кавитацијом. У сонобиореактору / ултразвучном ферментору, ултразвучни третман ћелија и ткива може се веома прецизно контролисати јер се фактори средине могу тачно одредити. Применом ултразвучних биореактора може се значајно повећати учинак ферментације.

Ферментација

Ефикасност ферментације зависи од процесних услова: хранљиве материје, густина подлоге, температура, садржај кисеоника / гаса и притисак важни су фактори који утичу на микробну активност. Микроорганизми, као и ћелије сисара, успешно расту само у одређеним условима. Одговарајући услови у комбинацији са ултразвучном стимулацијом могу максимално повећати принос ферментације.

Ултразвучна стимулација микроорганизама

Ферментација је метаболички процес којим се шећер претвара у киселине, гасове или алкохол. Одвија се у квасцима и бактеријама, као и у мишићним ћелијама којима недостаје кисеоник, као у случају млечнокиселинске ферментације. Појам ферментације се у ширем смислу користи и за масовни раст микроорганизама на хранљивој подлози, често са циљем производње одређеног хемијског производа.
Процеси ферментације спроводе се у индустријским размерама коришћењем микроорганизама као што су бактерије и гљиве. Производи ферментације користе се у прехрамбеној индустрији и индустрији уопште. Хемикалије као што су сирћетна киселина, лимунска киселина и етанол производе се ферментацијом. На брзину ферментације утичу концентрација микроорганизама, ћелија, ћелијских компоненти и ензима, као и температура и pH. За аеробну ферментацију кисеоник је такође кључни фактор. Готово сви комерцијално произведени ензими, као што су липаза, инвертаза и сирило, добијају се ферментацијом уз помоћ генетички модификованих микроорганизама.

• Производња биомасе (вијабилног ћелијског материјала)
• Производња ванћелијских метаболита (хемијских једињења)
• Производња унутарћелијских компоненти (ензима и других протеина)
• Трансформација супстрата (при којој је сам трансформисани супстрат производ)

Соникација пре, током и после ферментације

Соникација, односно примена ултразвучних таласа ниске фреквенције, може се користити пре, током и после ферментације на различите начине и у различитим фазама процеса ферментације.

Ултразвучни третман пре ферментације – побољшање доступности биомасе

1. Побољшан пренос масе: Соникација се као предтретман користи за побољшање преноса масе и повећање доступности супстрата микроорганизмима. Ултразвучно мешање подстиче пренос масе супстрата ка микробним ћелијама и производа од њих. Ултразвучно интензивирање преноса масе може се применити као предтретман, као и током ферментације.
2. Разарање ћелија: Соникација се може применити за разарање ћелијских зидова и мембрана, нарочито у микробним културама или културама квасца. То помаже у ослобађању унутарћелијских компоненти, као што су ензими или метаболити, што може побољшати учинак ферментације или олакшати наредне процесе обраде.
3. Екстракција унутарћелијских једињења: Соникација може помоћи у екстракцији унутарћелијских једињења из биолошких материјала пре ферментације. То обухвата екстракцију ензима, протеина, нуклеинских киселина или других циљних једињења из ћелија, ткива или биљних материјала за каснију употребу у процесима ферментације.

На пример, ултразвучни предтретман пиринчане љуске коришћен је за побољшање ензимске хидролизе ради производње ксилоолигосахарида помоћу гљиве Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Соникацијом је значајно повећана производња целулолитичких и ксиланолитичких ензима из пиринчане љуске. Принос хемицелулозе повећан је на 1,4 пута већу вредност уз соникацију, а време производње знатно је скраћено са 24 h на 1,5 h на 80ºC – уз додатни потенцијал за оптимизацију процеса. Гљиве много лакше разграђују соницирану биомасу, чиме се продужава стабилност ензимске активности и повећава активност CMCase, b-глукозидазе и ксиланазе у поређењу са несоницираном пиринчаном љуском. Крајњи производи ферментације били су ксилотетраоза, ксилохексаоза и ксилоолигосахариди веће молекулске масе. Принос ксилохексаозе из сонициране пиринчане љуске био је 80% већи.

Ферментација потпомогнута ултразвуком – стимулација микроорганизама

• Мешање и хомогенизација: Соникација се може користити као техника мешања током ферментације. Примена ултразвучних таласа помаже у стварању микрострујања и подстиче хомогеност, обезбеђујући равномерну расподелу хранљивих материја, гасова и микроорганизама унутар ферментационе посуде.
• Побољшање преноса масе: Са побољшаним мешањем и хомогенизацијом повезано је и ултразвучно повећање брзине преноса масе током ферментације. Ултразвучне осцилације и кавитација стварају локализовану турбуленцију и побољшавају дифузију супстрата, гасова и хранљивих материја у ферментациони бујон. То може побољшати укупну ефикасност и продуктивност процеса ферментације.
• Побољшање вијабилности ћелија и метаболичке активности: Соникација се може применити на микробне културе током ферментације ради побољшања вијабилности ћелија и метаболичке активности. Блага соникација може стимулисати одређене микроорганизме, подстичући раст, производњу биомасе и синтезу жељених метаболита или производа ферментације.

Прецизно контролисана и поновљива соникација помаже у побољшању продуктивности различитих процеса ферментације без оштећивања ћелија. Интензитет соникације може се тачно прилагодити одређеној врсти ћелија и њеним захтевима. Контролисана соникација позитивно утиче на раст и метаболизам ћелија и значајно побољшава конверзије које катализују живе ћелије, нпр. стимулисањем бифидобактерија у млеку.
У неким процесима ферментације које спроводе гљиве, соникација се успешно користи за измену морфологије раста и реологије бујона без утицаја на брзину раста и принос филаментозних гљива.

Ултразвучни третман после ферментације

• Прикупљање и одвајање ћелија: Соникација може помоћи у прикупљању и одвајању ћелија после ферментације. Може помоћи у разбијању ћелијских агрегата, флокуланата или биофилмова, олакшавајући ослобађање ћелија из ферментационог бујона. То поједностављује наредне поступке обраде, као што су издвајање ћелија или пречишћавање производа.
• Екстракција унутарћелијских производа: После ферментације, соникација се може користити за екстракцију унутарћелијских производа, као што су ензими, протеини или секундарни метаболити, из микробне или ћелијске биомасе. Овај поступак екстракције помаже у издвајању вредних једињења и побољшава укупан принос процеса ферментације.
• Дезинтеграција ћелија у аналитичке сврхе: Соникација се може применити за разарање ћелија или микробних узорака после ферментације, посебно у аналитичке сврхе. Помаже у лизи ћелија и ослобађању унутарћелијског садржаја, олакшавајући анализу ћелијских компоненти или спровођење накнадних испитивања.

За производњу интрацелуларних компонената као што су микробни ензими (нпр. каталаза, амилаза, протеаза, пектиназа, глукоза-изомераза, целулаза, хемицелулаза, липаза, лактаза, стрептокиназа) и рекомбинантни протеини (нпр. инсулин, вакцина против хепатитиса B, интерферон, фактор стимулације колонија гранулоцита, стрептокиназа), ћелије се након процеса ферментације морају лизирати / разорити како би се ослободили жељени протеини. Соникација олакшава екстракцију интрацелуларних и екстрацелуларних полисахаридно–протеинских комплекса из вискозне мицелијске ферментационе течности. Поред изузетног приноса и ефикасности екстракције, соникација је добро утврђена и поуздана метода за лизу ћелија и екстракцију интрацелуларног материјала.
Кликните овде да бисте прочитали више о ултразвучној лизи и екстракцији!

Ултразвучни биореактори за побољшане процесе ферментације

Hielscher Ultrasonics има дугогодишње искуство са биопроцесима стимулисаним ултразвуком, као што су стимулација ћелија, ферментација, разарање ћелија и екстракција. Нудимо различите стандардне ултразвучне реакторе различитих величина и геометрија за соникацију у шаржном и проточном режиму. Алтернативно, нудимо прилагођена решења за интеграцију у ваш постојећи биореактор. Пошто су наши ултразвучни процесори веома свестрани и захтевају само мали простор, могу се без проблема накнадно уградити у постојећа биотехнолошка постројења.
Овде прочитајте више о типовима, конструкцијама и применама ултразвучних реактора!
Табела у наставку даје опште препоруке за уређаје у зависности од запремине шарже или протока који треба обрадити. Кликните на тип уређаја да бисте добили више информација о сваком уређају.

Литература/Референце

• 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.