Ultraljudsbioreaktorer för jäsning

Ultraljud är ett effektivt sätt att stimulera mikroorganismer genom mekaniska vibrationer och kavitation. I en sonobioreaktor? ultraljudsfermentor blir ultraljudsbehandlingen av celler och vävnad mycket kontrollerbar eftersom miljöfaktorerna kan bestämmas exakt. Med ultraljudsbioreaktorer kan jäsningsproduktionen förbättras avsevärt.

jäsning

Effektiviteten av jäsning beror på processförhållandena: Näringsämnen, mediets densitet, temperatur, syre? gasinnehåll och tryck är viktiga faktorer som påverkar den mikrobiella aktiviteten. Mikroorganismer och däggdjursceller trivs bara under vissa förhållanden. Rätt förhållanden i kombination med ultraljudsstimulering kan maximera utbytet av jäsning.

Ultraljudsstimulering av mikroorganismer

Jäsning är en metabolisk process som omvandlar socker till syror, gaser eller alkohol. Det förekommer i jäst och bakterier, och även i syrefattiga muskelceller, som i fallet med mjölksyrajäsning. Fermentering används också i större utsträckning för att hänvisa till bulktillväxt av mikroorganismer på ett odlingsmedium, ofta med målet att producera en specifik kemisk produkt.
Fermenteringsprocessen utförs i industriell skala med hjälp av mikroorganismer som bakterier och svampar för jäsningen. Fermenterade produkter används inom livsmedels- och allmän industri. Kemikalier, såsom ättiksyra, citronsyra och etanol produceras genom jäsning. Jäsningshastigheten påverkas av koncentrationen av mikroorganismer, celler, cellulära komponenter och enzymer samt temperatur och pH. För aerob jäsning är syre också en nyckelfaktor. Nästan alla kommersiellt framställda enzymer, såsom lipas, invertas och löpe, framställs genom fermentering med genetiskt modifierade mikrober.

• Produktion av biomassa (livskraftigt cellmaterial)
• Produktion av extracellulära metaboliter (kemiska föreningar)
• Produktion av intracellulära komponenter (enzymer och andra proteiner)
• Omvandling av substrat (där det omvandlade substratet självt är produkten)

Ultraljudsbehandling före, under och efter jäsning

Ultraljudsbehandling, tillämpningen av lågfrekventa ultraljudsvågor, kan användas före, under och efter jäsning på olika sätt och i olika skeden av jäsningsprocessen.

Ultraljud förjäsning behandling – Förbättring av tillgången på biomassa

1. Förbättrad massöverföring: Ultraljudsbehandling som förbehandling används för att främja massöverföring och göra substratet mer tillgängligt för mikroberna. Ultraljudsblandning främjar massöverföringen av substrat till, och produkter bort från, de mikrobiella cellerna. Ultraljud intensifiering av massöverföring kan tillämpas som förbehandling såväl som under jäsning.
2. Cellrubbning: Ultraljudsbehandling kan användas för att störa cellväggar och membran, särskilt i mikrobiella eller jästkulturer. Detta hjälper till att frigöra intracellulära komponenter, såsom enzymer eller metaboliter, vilket kan förbättra jäsningsprestanda eller underlätta nedströmsprocesser.
3. Extraktion av intracellulära föreningar: Ultraljudsbehandling kan hjälpa till vid utvinning av intracellulära föreningar från biologiska material före jäsning. Detta inkluderar extraktion av enzymer, proteiner, nukleinsyror eller andra målföreningar från celler, vävnader eller växtmaterial för efterföljande användning i jäsningsprocesser.

Till exempel användes ultraljudsförbehandling av risskal för att förbättra enzymatisk hydrolys för xylooligosackarider produktion av Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Genom ultraljudsbehandling förbättrades produktionen av cellulolytiska och xylanolytiska enzymer från risskalet avsevärt. Hemicellulosautbytet ökade till 1,4 gånger under ultraljudsbehandling och produktionstiden förkortades kraftigt från 24 timmar till 1,5 timmar vid 80 ° C – med ytterligare potential för processoptimering. Den sonikerade biomassan är mycket lättare konvertibel för svamparna så att stabiliteten hos enzymaktiviteten förlängs och aktiviteten av CMCas, b-glukosidas och xylanas ökar i jämförelse med det icke-ultraljudsbehandlade risskalet. De slutliga fermentativa produkterna var xylotetraos, xylohexaos och xylooligosackarider med högre molekylvikt. Xylohexaosutbytet från det sonikerade risskalet var 80% högre.

Ultraljudsassisterad jäsning – Stimulering av mikrober

• Blandning och homogenisering: Ultraljudsbehandling kan användas som en blandningsteknik under jäsning. Appliceringen av ultraljudsvågor hjälper till att skapa mikroströmning och främjar homogenitet, vilket säkerställer en jämn fördelning av näringsämnen, gaser och mikroorganismer i jäsningskärlet.
• Förbättring av massöverföring: Relaterat till förbättrad blandning och homogenisering är de ultraljudsförbättrade massöverföringshastigheterna under jäsningen. Ultraljudsoscillation och kavitation skapar lokal turbulens och förbättrar diffusionen av substrat, gaser och näringsämnen i jäsningsbuljongen. Detta kan förbättra den totala effektiviteten och produktiviteten i jäsningsprocessen.
• Förbättring av cellviabilitet och metabolisk aktivitet: Ultraljudsbehandling kan tillämpas på mikrobiella kulturer under jäsning för att förbättra cellens livskraft och metabolisk aktivitet. Mild ultraljudsbehandling kan stimulera vissa mikroorganismer, främja tillväxt, biomassaproduktion och syntesen av önskade metaboliter eller jäsningsprodukter.

Exakt kontrollerbar och repeterbar ultraljudsbehandling hjälper till att förbättra produktiviteten i olika jäsningsprocesser utan att skada cellerna. Ultraljudsbehandlingen intensiteten kan anpassas exakt till den specifika cellarten och dess krav. Genom kontrollerad ultraljudsbehandling påverkas celltillväxten och ämnesomsättningen positivt och de omvandlingar som katalyseras av levande celler förbättras avsevärt, t.ex. stimulering av bifidobakterier i mjölk.
För vissa svampdrivna jäsningsprocesser, ultraljudsbehandling används framgångsrikt för att modifiera tillväxtmorfologi och buljongreologi utan att påverka tillväxthastigheten och utbytet av filamentösa svampar.

Ultraljud efterfermentering behandling

• Cellskörd och separation: Ultraljudsbehandling kan hjälpa till med cellskörd och separation efter jäsning. Det kan hjälpa till att bryta cellaggregat, flockningsmedel eller biofilmer, vilket underlättar frisättningen av celler från jäsningsbuljongen. Detta förenklar efterföljande nedströmsprocesser, såsom cellåtervinning eller produktrening.
• Extraktion av intracellulära produkter: Efter jäsning kan ultraljudsbehandling användas för att extrahera intracellulära produkter, såsom enzymer, proteiner eller sekundära metaboliter, från mikrobiell eller cellulär biomassa. Denna extraktionsprocess hjälper till att återvinna värdefulla föreningar och förbättrar det totala utbytet av jäsningsprocessen.
• Cellupplösning för analytiska ändamål: Ultraljudsbehandling kan användas för att störa celler eller mikrobiella prover efter jäsning, särskilt för analytiska ändamål. Det hjälper till med celllys och frisättning av intracellulärt innehåll, vilket underlättar analysen av cellulära komponenter eller utför nedströmsanalyser.

För produktion av intracellulära komponenter såsom mikrobiella enzymer (t.ex. katalas, amylas, proteas, pektinas, glukosisomeras, cellulas, hemicellulas, lipas, laktas, streptokinas) och rekombinanta proteiner (t.ex. insulin, hepatit B-vaccin, interferon, granulocytkolonistimulerande faktor, streptokinas) måste cellerna lyseras/störas efter jäsningsprocessen för att frigöra de önskade proteinerna. Genom ultraljudsbehandling underlättas extraktionen av de intracellulära och extracellulära polysackarid-proteinkomplexen från den viskösa mycelfermenteringsbuljongen. Förutom dess enastående extraktionsutbyte och effektivitet, är ultraljudsbehandling väletablerad och tillförlitlig för celllys och extraktion av intracellulärt material.
Klicka här för att läsa mer om ultraljudslys och extraktion!

Ultraljudsbioreaktorer för förbättrade jäsningsprocesser

Hielscher Ultrasonics har lång erfarenhet av ultraljudsstimulerade bioprocesser såsom cellstimulering, jäsning, cellstörning och extraktion. Vi erbjuder olika standard ultraljudsreaktorer av olika storlekar och geometrier för ultraljudsbehandling i batch- och genomströmningsläge. Alternativt erbjuder vi skräddarsydda lösningar för integration i din befintliga bioreaktor. Eftersom våra ultraljudsprocessorer är mycket mångsidiga och endast kräver lite utrymme, kan eftermontering i befintliga biotekniska anläggningar realiseras utan problem.
Läs mer om typer, design och tillämpningar av ultraljudsreaktorer här!
Tabellen nedan visar allmänna enhetsrekommendationer beroende på batchvolymen eller flödeshastigheten som ska bearbetas. Klicka på enhetstypen för att få mer information om varje enhet.

Litteratur/Referenser