Ултразвучни биореактори за ферментацију

Ултразвук је ефикасно средство за стимулацију микроорганизама механичким вибрацијама и кавитацијом. У сонобиореактору / ултразвучном ферментору, ултразвучни третман ћелија и ткива постаје веома контролисан јер се фактори околине могу тачно одредити. Са ултразвучним биореакторима, учинак ферментације може бити значајно побољшан.

ферментација

Ефикасност ферментације зависи од услова процеса: Хранљиви састојци, густина медијума, температура, садржај кисеоника/гаса и притисак су важни фактори који утичу на микробну активност. Микроорганизми као и ћелије сисара успевају само под одређеним условима. Прави услови у комбинацији са ултразвучном стимулацијом могу максимално повећати принос ферментације.

Ултразвучна стимулација микроорганизама

Ферментација је метаболички процес који претвара шећер у киселине, гасове или алкохол. Јавља се у квасцу и бактеријама, као иу мишићним ћелијама којима недостаје кисеоник, као у случају ферментације млечне киселине. Ферментација се такође користи шире за означавање масовног раста микроорганизама на медијуму за раст, често са циљем производње специфичног хемијског производа.
Процес ферментације се спроводи у индустријском обиму користећи микроорганизме као што су бактерије и гљивице за ферментацију. Ферментисани производи се користе у прехрамбеној и општој индустрији. 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 пХ. За аеробну ферментацију кисеоник је такође кључни фактор. Скоро сви комерцијално произведени ензими, као што су липаза, инвертаза и сирило, настају ферментацијом са генетски модификованим микробима.

• Производња биомасе (одрживи ћелијски материјал)
• Производња екстрацелуларних метаболита (хемијска једињења)
• Производња интрацелуларних компоненти (ензими и други протеини)
• Трансформација супстрата (у којој је трансформисани супстрат сам производ)

Соникација пре, током и после ферментације

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

Ултразвучни третман пре ферментације – Побољшање доступности биомасе

1. Побољшан пренос масе: Соникација као предтретман се користи да би се подстакао пренос масе и учинила супстрат доступнијим микробима. Ултразвучно мешање промовише пренос масе супстрата у микробне ћелије и производа даље од њих. Ултразвучно интензивирање преноса масе може се применити као предтретман као и током ферментације.
2. Поремећај ћелије: Соникација се може применити да би се пореметили ћелијски зидови и мембране, посебно у културама микроба или квасца. Ово помаже у ослобађању интрацелуларних компоненти, као што су ензими или метаболити, који могу побољшати перформансе ферментације или олакшати низводне процесе.
3. Екстракција интрацелуларних једињења: Соникација може помоћи у екстракцији интрацелуларних једињења из биолошких материјала пре ферментације. Ово укључује екстракцију ензима, протеина, нуклеинских киселина или других циљних једињења из ћелија, ткива или биљних материјала за накнадну употребу у процесима ферментације.

На пример, ултразвучна предтретман пиринчане љуске је коришћен за побољшање ензимске хидролизе за производњу ксилоолигосахарида од стране Аспергиллус јапоницус (вар. јапоницус ЦИ6-1). Соникацијом је значајно повећана производња целулолитичких и ксиланолитичких ензима из љуске пиринча. Принос хемицелулозе је повећан на 1,4 пута под ултразвуком, а време производње је знатно скраћено са 24 х на 1,5 х на 80ºЦ – са даљим потенцијалом оптимизације процеса. Соницирана биомаса је много лакше конвертована за гљиве, тако да је стабилност активности ензима продужена и активност ЦМЦазе, б-глукозидазе и ксиланазе је повећана у поређењу са несоникованом љуском пиринча. Коначни производи ферментације били су ксилотетраоза, ксилохексаоза и ксилоолигосахариди веће молекуларне тежине. Принос ксилохексаозе из соникиране љуске пиринча био је 80% већи.

Ултразвучно потпомогнута ферментација – Стимулација микроба

• Мешање и хомогенизација: Соникација се може користити као техника мешања током ферментације. Примена ултразвучних таласа помаже у стварању микротока и промовише хомогеност, обезбеђујући равномерну дистрибуцију хранљивих материја, гасова и микроорганизама унутар посуде за ферментацију.
• Побољшање преноса масе: У вези са побољшаним мешањем и хомогенизацијом су ултразвучно побољшане брзине преноса масе током ферментације. Ултразвучна осцилација и кавитација стварају локализовану турбуленцију и побољшавају дифузију супстрата, гасова и хранљивих материја у ферментациони бујон. Ово може побољшати укупну ефикасност и продуктивност процеса ферментације.
• Побољшање виталности ћелије и метаболичке активности: Соникација се може применити на микробне културе током ферментације да би се побољшала виталност ћелија и метаболичка активност. Блага соникација може стимулисати одређене микроорганизме, подстичући раст, производњу биомасе и синтезу жељених метаболита или производа ферментације.

Прецизно контролисана и поновљива соникација помаже да се побољша продуктивност различитих процеса ферментације без оштећења ћелија. Интензитет соникације може се тачно прилагодити специфичној врсти ћелија и њеним захтевима. Контролисаном ултразвуком, позитивно утиче на раст и метаболизам ћелија и значајно се побољшава конверзије које катализују живе ћелије, нпр. стимулисање бифидобактерија у млеку.
За неке процесе ферментације изазване гљивама, соникација се успешно користи за модификовање морфологије раста и реологије бујона без утицаја на брзину раста и принос филаментозних гљива.

Ултразвучни третман пост-ферментације

• Сакупљање и одвајање ћелија: Соникација може помоћи у сакупљању ћелија и раздвајању након ферментације. Може помоћи у разбијању ћелијских агрегата, флокуланта или биофилма, олакшавајући ослобађање ћелија из ферментационе бујоне. Ово поједностављује касније низводне процесе, као што је опоравак ћелија или пречишћавање производа.
• Екстракција интрацелуларних производа: После ферментације, соникација се може користити за екстракцију интрацелуларних производа, као што су ензими, протеини или секундарни метаболити, из микробне или ћелијске биомасе. Овај процес екстракције помаже у обнављању вредних једињења и побољшава укупан принос процеса ферментације.
• Дезинтеграција ћелија у аналитичке сврхе: Соникација се може применити да поремети ћелије или микробне узорке након ферментације, посебно у аналитичке сврхе. Помаже у ћелијској лизи и ослобађању интрацелуларног садржаја, олакшавајући анализу ћелијских компоненти или изводећи низводне анализе.

За производњу интрацелуларних компоненти као што су микробни ензими (нпр. каталаза, амилаза, протеаза, пектиназа, глукоза изомераза, целулаза, хемицелулаза, липаза, лактаза, стрептокиназа) и рекомбинантних протеина (нпр. инсулин, вакцина против хепатитиса Б, интерферон, колоностимулација фактор, стрептокиназа), ћелије морају бити лизиране/поремећене након процеса ферментације да би се ослободили жељени протеини. Соникацијом се олакшава екстракција интрацелуларних и екстрацелуларних полисахарид-протеинских комплекса из вискозног мицелијског ферментационог бујона. Поред изузетног приноса екстракције и ефикасности, соникација је добро успостављена и поуздана за лизу ћелија и екстракцију интрацелуларне материје.
Кликните овде да прочитате више о ултразвучној лизи и екстракцији!

Ултразвучни биореактори за побољшане процесе ферментације

Хиелсцхер Ултрасоницс има дугогодишње искуство са ултразвучно стимулисаним био-процесима као што су ћелијска стимулација, ферментација, поремећај ћелија и екстракција. Нудимо различите стандардне ултразвучне реакторе различитих величина и геометрија за ултразвучну обраду у шаржном и проточном режиму. Алтернативно, нудимо прилагођена решења за интеграцију у ваш постојећи биореактор. Пошто су наши ултразвучни процесори веома разноврсни и захтевају само мали простор, накнадна уградња у постојећа биотехнолошка постројења може се реализовати без проблема.
Прочитајте више о типовима, дизајну и примени ултразвучних реактора овде!
Табела у наставку указује на опште препоруке уређаја у зависности од количине шарже или протока који се обрађује. Кликните на тип уређаја да бисте добили више информација о сваком уређају.

Литература/Референце