Hielscher ultraljud teknik

Biosynthetic Production of Human Milk Oligosaccharides

Biosyntesen av humanmjölk oligosackarider (HMOs) via jäsning eller enzymatiska reaktioner är en komplex, tidskrävande och ofta lågaktande process. Ultraljud ökar massöverföringen mellan substrat och cellfabriker ans stimulerar celltillväxt och ämnesomsättning. Därmed intensifierar ultraljudsbehandling jäsning och biokemiska processer vilket resulterar i en accelererad och effektivare produktion av HMOs.

Human mjölk oligosackarider

Human mjölk oligosackarider (HMOs), även känd som humanmjölk glycans, är sockermolekyler, som är en del av oligosackarider gruppen. Framstående exempel på HMOs är 2'-fucosyllactose (2′-FL), lakto-N-neotetraose (LNnT), 3'-galaactosyllactose (3′-GL) och difucosyllactose (DFL).
Medan bröstmjölk bryts samman med mer än olika 150 HMO strukturer, endast 2'-fucosyllactose (2'-FL) och laktos-N-neotetraose (LNnT) produceras för närvarande på kommersiell nivå och används som näringstillsatser i modersmjölksersättning.
Human mjölk oligosackarider (HMOs) är kända för sin betydelse i baby näring. Human mjölk oligosackarider är en unik typ av näringsämnen, som fungerar som prebiotika, antihäftande antimikrobiella medel och immunmodulatorer i barnets tarm och bidrar avsevärt till hjärnans utveckling. Hmos finns uteslutande i bröstmjölk; Andra däggdjursmjölk (t.ex. ko, get, får, kamel etc.) har inte denna specifika form av oligosackarider.
Human mjölk oligosackarider är den tredje mest rikliga fasta komponenten i bröstmjölk, som kan förekomma antingen i upplöst eller emulgerat eller suspenderat form i vatten. Laktos och fettsyror är de vanligast förekommande fasta ämnen som finns i bröstmjölk. HMOs finns i en koncentration av 0,35-0,88 uns (9,9-24,9 g)/ L. Cirka 200 strukturellt olika mänskliga mjölk oligosackarider är kända. Den dominerande oligosasacken hos 80 % av alla kvinnor är 2′-fucosyllactose, som förekommer i bröstmjölk hos människa vid en koncentration av cirka 2,5 g/ L.
Eftersom hmos inte smälts, bidrar de inte calorically till näring. Att vara osmäldliga kolhydrater, de fungerar som prebiotika och är selektivt jäst av önskvärda gut mikroflora, särskilt bifidobakterier.

Hälsofördelar med oligosackarider för människomjölk (HMOS)

  • främja utvecklingen av spädbarn
  • är viktiga för hjärnans utveckling
  • har antiinflammatoriska och
  • anti-självhäftande effekter i mag-tarmkanalen
  • stödjer immunsystemet hos vuxna
Ultrasonication and the use of ultrasonic bioreactors (sono-bioreactors) are highly effective to promote mass transfer between substrate and living cells used as cell factories

De Ultraljud processor UIP2000hdT ökar massöverföringen och aktiverar cellfabriker för högre avkastning av biosyntetiserade biologiska molekyler som hmos

Informationsförfrågan




Notera vår Integritetspolicy.


Biosyntes av oligosackarider för humanmjölk

Cellfabriker och enzymatiska / kemo-enzymatiska system är nuvarande teknik som används för syntes av HMOs. För HMO-produktion i industriell skala är jäsning av mikrobiella cellfabriker, biokemisk syntes och olika enzymatiska reaktioner genomförbara sätt att hmo-bioproduktion. På grund av ekonomiska skäl är biosyntesen via mikrobiella cellfabriker för närvarande den enda teknik som används på industriell produktionsnivå för hmos.

Jäsning av HMOs med microbial cellfabriker

E.coli, Saccharomyces cerevisiae och Lactococcus laktatis används ofta cellfabriker som används för bioproduktion av biologiska molekyler som HMOs. Jäsning är en biokemisk process som använder mikroorganismer för att omvandla ett substrat till riktade biologiska molekyler. Mikrobiella cellfabriker använder enkla sockerarter som substrat, som de omvandlar till HMOs. Eftersom enkla sockerarter (t.ex. laktos) är ett rikligt, billigt substrat, håller detta biosyntesprocessen kostnadseffektiv.
Tillväxt och biokonversion påverkas huvudsakligen av massöverföring av näringsämnen (substrat) till mikroorganismerna. Massöverföringshastigheten är en viktig faktor som påverkar produktsyntesen under jäsningen. Ultraljud är väl känt för att främja massöverföring.
During fermentation, the conditions in the bioreactor must be constantly monitored and regulated so that the cells can grow as quickly as possible in order to then produce the targeted biomolecules (e.g. oligosaccharides such as HMOs; insulin; recombinant proteins). Theoretically, the product formation starts as soon as the cell culture begins to grow. However especially in genetically modified cells such as engineered microorganisms it is usually induced later by adding a chemical substance to the substrate, which upregulates the expression of the targeted biomolecule. Ultrasonic bioreactors (sono-bioreactor) can be precisely controlled and allow for the specific stimulation of microbes. This results in an accelerated biosynthesis and higher yields.
Ultrasonic lysis and extraction: Fermentation of complex HMOs might be limited by low fermentation titers and products remaining intracellular. Ultrasonic lysis and extraction is used to release intracellular material before purification and down-stream processes.

Ultraljud främjas jäsning

The growth rate of microbes such as Escherichia coli, engineered E.coli, Saccharomyces cerevisiae and Lactococcus lactis can be accelerated by increasing the mass transfer rate and cell wall permeability by applying controlled low-frequency ultrasonication. As a mild, non-thermal processing technique, ultrasonication applies purely mechanical forces into the fermentation broth.
Acoustic Cavitation: The working principle of sonication is based on acoustic cavitation. The ultrasonic probe (sonotrode) couples low-frequency ultrasound d waves into the medium. The ultrasound waves travel through the liquid creating alternating high-pressure (compression) / low-pressure (rarefaction) cycles. By compressing and stretching the liquid in alternating cycles, minute vacuum bubbles arise. These small vacuum bubbles grow over several cycles until they reach a size where they cannot absorb any further energy. At this point of maximum growth, the vacuum bubble implodes violently and generates locally extreme conditions, known as the phenomenon of cavitation. In the cavitational “hot-spot”, high pressure and temperature differentials and intense shear forces with liquid jets of up to 280m/sec can be observed. By these cavitational effects, thorough mass transfer and sonoporation (the perforation of cell walls and cell membranes) is achieved. The nutrients of the substrate are floated to and into the living whole cells, so that the cell factories are optimally nourished and growth as well as conversion rates are accelerated. Ultrasonic bioreactors are a simple, yet highly effective strategy to process biomass in a one-pot biosynthesis process.
En exakt kontrollerad, mild ultraljudsbehandling är välkänd för att intensifiera jäsningsprocesser.
Ultraljudsbehandling förbättrar "produktiviteten hos många bioprocesser som involverar levande celler via förbättring av substratupptag, ökad produktion eller tillväxt genom att öka cell porositet, och potentiellt förbättrad frisättning av cellkomponenter." (Naveena et al. 2015)
Read more about ultrasonically-assisted fermentation!
Fördelar med ultraljud intensifierad jäsning

  • ökad avkastning
  • Accelererad jäsning
  • Cellspecifik stimulering
  • Förbättrat upptag av substrat
  • Ökad cell porositet
  • lätt att använda
  • Säker
  • Enkel eftermontering
  • linjär skala upp
  • Batch- eller iniintbearbetning
  • Snabb ROI

Naveena et al. (2015) fann att ultraljud intensifiering erbjuder flera fördelar under biobearbetning, inklusive låga driftskostnader jämfört med andra förbättra behandlingsalternativ, enkelhet i drift och blygsamma effektkrav.

Agitated ultrasonic tank (sono-bioreactor) for batch processing

Tank med 8kW ultrasonicators och agitator

Högpresterande ultraljud jäsning reaktorer

Jäsningsprocesser involverar levande mikroorganismer som bakterier eller jäst, som fungerar som cellfabriker. Medan ultraljudsbehandling tillämpas för att främja massöverföring och öka mikroorganismens tillväxt och omvandlingsfrekvens, är det viktigt att kontrollera ultraljud intensiteten just för att undvika förstörelsen av cellfabrikerna.
Hielscher Ultrasonics är specialist på att designa, tillverka och distribuera högpresterande ultrasonicators, som kan kontrolleras och övervakas exakt för att säkerställa överlägsen jäsning avkastning.
Exakt kontroll över ultraljudprocessparametrarna av Hielscher Ultrasonics' intelligent programvaraProcesskontroll är inte bara viktigt för hög avkastning och överlägsen kvalitet, men gör det möjligt att upprepa och reproducera resultat. Speciellt när ist kommer till stimulering av cellfabriker, den cellspecifika anpassning av ultraljudsbehandling parametrar är viktigt att uppnå höga avkastning och för att förhindra cellförsämring. Därför är alla digitala modeller av Hielscher ultrasonicators utrustade med intelligent programvara, vilket gör att du kan justera, övervaka och revidera ultraljudsbehandling parametrar. Ultraljud processparametrar såsom amplitud, temperatur, tryck, ultraljudsbehandling varaktighet, cykler, och energitillförsel är viktiga för att främja HMO produktion via jäsning.
Den smarta programvaran för Hielscher ultrasonicators registrerar automatiskt alla viktiga processparametrar på det integrerade SD-kortet. Den automatiska dataregistrering av ultraljudsbehandling processen är grunden för process standardisering och reproducerbarhet / repeterbarhet, som krävs för god tillverkningssed (GMP).

Hielscher Ultrasonics Cascatrode

Mer från cascatrodeTm i en ultraljudsflödescellreaktor

Ultraljud rektorer för jäsning

Hielscher Ultrasonics CascatrodeHielscher offers ultrasonic probes of various size, length and geometries, which can be used for batch as well as continuous flow-through treatments. Ultrasonic reactors, also known as sono-bioreactors, are available for any volume covering the ultrasonic bioprocessing from small lab samples to pilot and fully-commercial production level.
Det är väl känt att placeringen av ultraljudssonotroden i reaktionskärlet påverkar fördelningen av kavitation och mikroströmning inom mediet. Sonotrod och ultraljud reaktor bör väljas i enlighet med bearbetningsvolymen av cellbuljong. Medan ultraljudsbehandling kan utföras i parti samt i kontinuerligt läge, för höga produktionsvolymer användningen av ett kontinuerligt flöde installation rekommenderas. Passerar genom ett ultraljud flöde cell, alla cellmedium får exakt samma exponering för ultraljudsbehandling säkerställa den mest effektiva behandlingen. Hielscher Ultrasonics brett utbud av ultraljud sonder och reaktorer flödescell gör det möjligt att montera den perfekta ultraljud biobearbetning setup.

Hielscher Ultrasonics – Från labb till pilot till produktion

Hielscher Ultrasonics täcker hela spektrumet av ultraljud utrustning som erbjuder kompakt handhållna ultraljud homogenisatorer för provberedning till bänk-top och pilotsystem samt kraftfulla industriella ultraljud enheter som enkelt bearbeta lastbilslaster per timme. Hielschers ultrasonicatorer är mångsidiga och flexibla i installations- och monteringsalternativ och kan enkelt integreras i alla typer av batchreaktorer, fed-batchar eller kontinuerliga genomströmningsinställningar.
Olika tillbehör samt anpassade delar möjliggör en idealisk anpassning av din ultraljud setup till din process krav.
Hielschers ultraljudsprocessorer är byggda för 24/7 drift under full belastning och tunga under krävande förhållanden och är tillförlitliga och kräver endast lågt underhåll.
Nedanstående tabell ger dig en indikation på hur mycket våra ultraljudsapparater kan hantera:

batch Volym Flödeshastighet Rekommenderade Devices
1 till 500 ml 10 till 200 ml / min UP100H
10 till 2000 ml 20 till 400 ml / min Uf200 ः t, UP400St
0.1 till 20L 0.2 till 4L / min UIP2000hdT
10 till 100 liter 2 till 10 1 / min UIP4000hdT
n.a. 10 till 100 l / min UIP16000
n.a. större kluster av UIP16000

Kontakta oss! / Fråga oss!

Be om mer information

Använd formuläret nedan för att begära ytterligare information om ultraljudprocessorer, applikationer och pris. Vi kommer gärna att diskutera din process med dig och att erbjuda dig ett ultraljudssystem som uppfyller dina krav!









Observera att våra Integritetspolicy.


Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljud Homogenisatorer för spridning, emulgering och cell utvinning.

Hög effekt ultraljud Homogenisatorer från Labb till Pilot och Industriell Skala.

Litteratur / Referenser



Fakta Värt att veta

Biosynthesis using Cell Factories

A microbial cell factory is a method of bioengineering, which utilizes microbial cells as a production facility. By genetically engineering microbes, the DNA of microorganisms such as bacteria, yeasts, fungi, mammalian cells, or algae is modified turning microbes into cell factories. Cell factories are used to convert substrates into valuable biological molecules, which are used e.g. in food, pharma, chemistry and fuel production. Different strategies of cell factory-based biosynthesis aim at the production of native metabolites, expression of heterologous biosynthetic pathways, or protein expression.
Cell factories can be used to either synthesize native metabolites, to express heterologous biosynthetic pathways, or to express proteins.

Biosynthesis of native metabolites

Native metabolites are defined as biological molecules, which the cells used as cell factory produce naturally. Cell factories produce these biological molecules either intracellularly or a secreted substance. The latter is preferred since it facilitates the separation and purification of the targeted compounds. Examples for native metabolites are amino and nucleic acids, antibiotics, vitamins, enzymes, bioactive compounds, and proteins produced from anabolic pathways of cell.

Heterologus Biosynthetic Pathways

When trying to produce an interesting compound, one of the most important decisions is the choice of production in the native host, and optimize this host, or transfer of the pathway to another well-known host. If the original host can be adapted to an industrial fermentation process, and there are no health-related risks in doing so (e.g., production of toxic by-products), this can be a preferred strategy (as was the case e.g., for penicillin). However, in many modern cases, the potential of using an industrially preferred cell factory and related platform processes out-weighs the difficulty of transferring the pathway.

Protein Expression

The expression of proteins can be achieved via homologous and heterologous ways. In homologous expression, a gene that is naturally present in an organism is over-expressed. Through this over-expression, a higher yield of a certain biological molecule can be produced. For heterologous expression, a specific gene is transferred into a host cell in that the gene is not present naturally. Using cell engineering and recombinant DNA technology, the gene is inserted into the host’s DNA so that the host cell produces (large) amounts of a protein that it would not produce naturally. Protein expression is done in a variety of hosts from bacteria, e.g. E. coli and Bacillis subtilis, yeasts, e.g., Klyuveromyces lactis, Pichia pastoris, S. cerevisiae, filamentous fungi, e.g. as A. niger, and cells derived from multicellular organisms such as mammals and insects. Innummerous proteins are of great commercial interest, including from bulk enzymes, complex bio-pharmaceuticals, diagnostics and research reagents. (cf. A.M. Davy et al. 2017)