Ultraljudsbioreaktorer för fermentering

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 fermenteringsutbytet ökas avsevärt.

Fermentering

Fermenteringens effektivitet beror på processförhållandena: Näringsämnen, mediets densitet, temperatur, syre- / gasinnehåll och tryck är viktiga faktorer som påverkar den mikrobiella aktiviteten. Mikroorganismer liksom däggdjursceller frodas endast under vissa förhållanden. Rätt förhållanden i kombination med ultraljudsstimulering kan maximera fermenteringsutbytet.

Ultraljudsstimulering av mikroorganismer

Fermentering är en metabolisk process som omvandlar socker till syror, gaser eller alkohol. Den förekommer hos jäst och bakterier samt i muskelceller med syrebrist, som vid mjölksyrafermentering. Fermentering används också i en vidare bemärkelse för att beteckna storskalig tillväxt av mikroorganismer på ett odlingsmedium, ofta med målet att framställa en specifik kemisk produkt.
Fermenteringsprocesser genomförs i industriell skala med mikroorganismer såsom bakterier och svampar för fermenteringen. Fermenterade produkter används inom livsmedelsindustrin och industrin i allmänhet. Kemikalier såsom ättiksyra, citronsyra och etanol framställs genom fermentering. Fermenteringshastigheten påverkas av koncentrationen av mikroorganismer, celler, cellkomponenter och enzymer samt av temperatur och pH. Vid aerob fermentering är även syre en nyckelfaktor. Nästan alla kommersiellt framställda enzymer, såsom lipas, invertas och löpe, produceras 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 i sig är produkten)

Ultraljudsbehandling före, under och efter fermentering

Ultraljudsbehandling, det vill säga användning av lågfrekventa ultraljudsvågor, kan användas före, under och efter fermentering på olika sätt och i olika steg av fermenteringsprocessen.

Ultraljudsbehandling före fermentering – förbättrad tillgänglighet hos biomassan

1. Förbättrad massöverföring: Ultraljudsbehandling används som förbehandling för att främja massöverföringen och göra substratet mer tillgängligt för mikroberna. Ultraljudsblandning främjar massöverföringen av substrat till och produkter bort från de mikrobiella cellerna. Intensifiering av massöverföringen med ultraljud kan tillämpas både som förbehandling och under fermenteringen.
2. Cellsönderdelning: Ultraljudsbehandling kan användas för att bryta sönder cellväggar och membran, särskilt i mikrobiella kulturer eller jästkulturer. Detta hjälper till att frigöra intracellulära komponenter, såsom enzymer eller metaboliter, vilket kan förbättra fermenteringens prestanda eller underlätta efterföljande processer.
3. Extraktion av intracellulära föreningar: Ultraljudsbehandling kan underlätta extraktion av intracellulära föreningar från biologiska material före fermenteringen. Detta omfattar extraktion av enzymer, proteiner, nukleinsyror eller andra målföreningar från celler, vävnader eller växtmaterial för efterföljande användning i fermenteringsprocesser.

Exempelvis användes ultraljudsförbehandling av risskal för att förbättra enzymatisk hydrolys för produktion av xylooligosackarider med Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Genom ultraljudsbehandling ökades produktionen av cellulolytiska och xylanolytiska enzymer från risskalen avsevärt. Hemicellulosautbytet ökade till 1,4 gånger det ursprungliga vid ultraljudsbehandling och produktionstiden förkortades kraftigt från 24 h till 1,5 h vid 80ºC – med ytterligare potential för processoptimering. Den ultraljudsbehandlade biomassan är mycket lättare för svamparna att omvandla, vilket gör att enzymaktiviteten förblir stabil under längre tid och att aktiviteten hos CMCase, b-glukosidas och xylanas ökar jämfört med de obehandlade risskalen. De slutliga fermenteringsprodukterna var xylotetraos, xylohexaos och xylooligosackarider med högre molekylvikt. Utbytet av xylohexaos från de ultraljudsbehandlade risskalen var 80% högre.

Ultraljudsassisterad fermentering – stimulering av mikrober

• Blandning och homogenisering: Ultraljudsbehandling kan användas som blandningsteknik under fermentering. Ultraljudsvågorna bidrar till att skapa mikroströmningar och främjar homogenitet, vilket säkerställer en jämn fördelning av näringsämnen, gaser och mikroorganismer i fermenteringskärlet.
• Förbättrad masstransport: Förbättrad blandning och homogenisering hänger samman med de ökade masstransporthastigheter som ultraljud ger under fermentering. Ultraljudssvängningar och kavitation skapar lokal turbulens och förbättrar diffusionen av substrat, gaser och näringsämnen in i fermenteringsbuljongen. Detta kan förbättra fermenteringsprocessens övergripande effektivitet och produktivitet.
• Förbättrad cellviabilitet och metabolisk aktivitet: Ultraljudsbehandling kan tillämpas på mikrobiella kulturer under fermentering för att förbättra cellviabiliteten och den metaboliska aktiviteten. Mild ultraljudsbehandling kan stimulera vissa mikroorganismer och främja tillväxt, biomassaproduktion och syntes av önskade metaboliter eller fermenteringsprodukter.

Exakt kontrollerbar och upprepbar ultraljudsbehandling bidrar till att förbättra produktiviteten i olika fermenteringsprocesser utan att skada cellerna. Ultraljudsbehandlingens intensitet kan anpassas exakt till den specifika celltypen och dess krav. Genom kontrollerad ultraljudsbehandling påverkas celltillväxten och ämnesomsättningen positivt, och de omvandlingar som katalyseras av levande celler förbättras avsevärt, exempelvis genom stimulering av bifidobakterier i mjölk.
För vissa svampdrivna fermenteringsprocesser används ultraljudsbehandling framgångsrikt för att modifiera tillväxtmorfologin och buljongens reologi utan att påverka tillväxthastigheten och utbytet av filamentösa svampar.

Ultraljudsbehandling efter fermentering

• Cellskörd och separation: Ultraljudsbehandling kan underlätta cellskörd och separation efter fermentering. Den kan bidra till att bryta sönder cellaggregat, flockningsmedel eller biofilmer, vilket underlättar frigörandet av celler från fermenteringsbuljongen. Detta förenklar efterföljande bearbetningssteg, såsom återvinning av celler eller produktrening.
• Extraktion av intracellulära produkter: Efter fermentering kan ultraljudsbehandling användas för att extrahera intracellulära produkter, såsom enzymer, proteiner eller sekundära metaboliter, från mikrobiell eller cellulär biomassa. Denna extraktionsprocess bidrar till att utvinna värdefulla föreningar och förbättrar fermenteringsprocessens totala utbyte.
• Celldisintegration för analytiska ändamål: Ultraljudsbehandling kan användas för att sönderdela celler eller mikrobiella prover efter fermentering, särskilt för analytiska ändamål. Den underlättar cellys och frigörandet av intracellulärt innehåll, vilket underlättar analys av cellkomponenter eller genomförandet av efterföljande analyser.

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 / sönderdelas efter fermenteringsprocessen för att frigöra de önskade proteinerna. Ultraljudsbehandling underlättar extraktionen av de intracellulära och extracellulära polysackarid–proteinkomplexen ur den viskösa, mycelhaltiga fermenteringsbuljongen. Utöver sitt enastående extraktionsutbyte och sin 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 fermenteringsprocesser

Hielscher Ultrasonics har lång erfarenhet av ultraljudsstimulerade bioprocesser såsom cellstimulering, fermentering, cellsönderdelning och extraktion. Vi erbjuder olika standardreaktorer för ultraljudsbehandling i olika storlekar och geometrier för satsvis behandling och genomströmningsdrift. Alternativt erbjuder vi skräddarsydda lösningar för integrering i din befintliga bioreaktor. Eftersom våra ultraljudsprocessorer är mycket mångsidiga och endast kräver litet utrymme kan de utan problem eftermonteras i befintliga biotekniska anläggningar.
Läs mer om ultraljudsreaktorernas typer, konstruktioner och tillämpningar här!
Tabellen nedan ger allmänna rekommendationer om utrustning beroende på den satsvolym eller det volymflöde som ska behandlas. Klicka på apparattypen för att få mer information om respektive apparat.

Litteratur/Referenser

• 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.