เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพอัลตราโซนิกสำหรับการหมัก

อัลตราโซนิกเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการกระตุ้นจุลินทรีย์ด้วยการสั่นเชิงกลและคาวิเทชัน ในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพอัลตราโซนิก / เครื่องหมักอัลตราโซนิก การบำบัดเซลล์และเนื้อเยื่อด้วยอัลตราโซนิกสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำ เนื่องจากสามารถกำหนดปัจจัยด้านสภาพแวดล้อมได้อย่างแน่นอน เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพอัลตราโซนิกสามารถเพิ่มผลผลิตจากการหมักได้อย่างมีนัยสำคัญ

การหมัก

ประสิทธิภาพของการหมักขึ้นอยู่กับสภาวะของกระบวนการ ได้แก่ สารอาหาร ความหนาแน่นของอาหารเลี้ยงเชื้อ อุณหภูมิ ปริมาณออกซิเจน / ก๊าซ และความดัน ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญที่มีอิทธิพลต่อกิจกรรมของจุลินทรีย์ จุลินทรีย์และเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมเจริญเติบโตได้ดีเฉพาะภายใต้สภาวะบางอย่างเท่านั้น สภาวะที่เหมาะสมร่วมกับการกระตุ้นด้วยอัลตราโซนิกสามารถทำให้ผลผลิตจากการหมักสูงสุดได้

การกระตุ้นจุลินทรีย์ด้วยอัลตราโซนิก

การหมักเป็นกระบวนการเมแทบอลิซึมที่เปลี่ยนน้ำตาลเป็นกรด ก๊าซ หรือแอลกอฮอล์ กระบวนการนี้เกิดขึ้นในยีสต์และแบคทีเรีย รวมทั้งในเซลล์กล้ามเนื้อที่ขาดออกซิเจน เช่น ในกรณีของการหมักกรดแลกติก นอกจากนี้ คำว่าการหมักยังใช้ในความหมายที่กว้างขึ้นเพื่อหมายถึงการเพาะเลี้ยงจุลินทรีย์ให้เจริญเติบโตในปริมาณมากบนอาหารเลี้ยงเชื้อ โดยมักมีเป้าหมายเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์เคมีชนิดใดชนิดหนึ่งโดยเฉพาะ
กระบวนการหมักดำเนินการในระดับอุตสาหกรรมโดยใช้จุลินทรีย์ เช่น แบคทีเรียและรา ผลิตภัณฑ์จากการหมักใช้ในอุตสาหกรรมอาหารและอุตสาหกรรมทั่วไป สารเคมี เช่น acetic acid, citric acid และ ethanol ผลิตขึ้นด้วยการหมัก อัตราการหมักได้รับอิทธิพลจากความเข้มข้นของจุลินทรีย์ เซลล์ องค์ประกอบของเซลล์ และเอนไซม์ รวมทั้งอุณหภูมิและ pH สำหรับการหมักแบบใช้ออกซิเจน ออกซิเจนก็เป็นปัจจัยสำคัญเช่นกัน เอนไซม์ที่ผลิตในเชิงพาณิชย์เกือบทั้งหมด เช่น lipase, invertase และ rennet ผลิตขึ้นด้วยการหมักโดยใช้จุลินทรีย์ดัดแปลงพันธุกรรม

• การผลิตชีวมวล (วัสดุเซลล์ที่มีชีวิต)
• การผลิตเมแทบอไลต์นอกเซลล์ (สารประกอบเคมี)
• การผลิตองค์ประกอบภายในเซลล์ (เอนไซม์และโปรตีนอื่น ๆ)
• การเปลี่ยนรูปสารตั้งต้น (ซึ่งสารตั้งต้นที่เปลี่ยนรูปแล้วเป็นผลิตภัณฑ์ในตัวเอง)

การใช้คลื่นอัลตราโซนิกก่อน ระหว่าง และหลังการหมัก

การใช้คลื่นอัลตราโซนิก ซึ่งเป็นการประยุกต์ใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ความถี่ต่ำ สามารถใช้ก่อน ระหว่าง และหลังการหมักได้ด้วยวิธีต่าง ๆ และในขั้นตอนต่าง ๆ ของกระบวนการหมัก

การบำบัดด้วยอัลตราโซนิกก่อนการหมัก – การเพิ่มความพร้อมของชีวมวลต่อการนำไปใช้

1. การปรับปรุงการถ่ายเทมวล: การใช้คลื่นอัลตราโซนิกเป็นการบำบัดขั้นต้นใช้เพื่อส่งเสริมการถ่ายเทมวลและทำให้จุลินทรีย์เข้าถึงสารตั้งต้นได้มากขึ้น การผสมด้วยอัลตราโซนิกส่งเสริมการถ่ายเทมวลของสารตั้งต้นเข้าสู่เซลล์จุลินทรีย์และของผลิตภัณฑ์ออกจากเซลล์ การเพิ่มการถ่ายเทมวลด้วยอัลตราโซนิกสามารถใช้เป็นการบำบัดขั้นต้นและใช้ระหว่างการหมักได้
2. การทำลายเซลล์: การใช้คลื่นอัลตราโซนิกสามารถใช้ทำลายผนังเซลล์และเยื่อหุ้มเซลล์ โดยเฉพาะในเชื้อจุลินทรีย์หรือยีสต์ที่เพาะเลี้ยง วิธีนี้ช่วยปลดปล่อยองค์ประกอบภายในเซลล์ เช่น เอนไซม์หรือเมแทบอไลต์ ซึ่งสามารถปรับปรุงสมรรถนะของการหมักหรือช่วยให้กระบวนการปลายน้ำดำเนินการได้สะดวกขึ้น
3. การสกัดสารประกอบภายในเซลล์: การใช้คลื่นอัลตราโซนิกสามารถช่วยสกัดสารประกอบภายในเซลล์จากวัสดุชีวภาพก่อนการหมัก ซึ่งรวมถึงการสกัดเอนไซม์ โปรตีน กรดนิวคลีอิก หรือสารประกอบเป้าหมายอื่น ๆ จากเซลล์ เนื้อเยื่อ หรือวัสดุจากพืช เพื่อนำไปใช้ในกระบวนการหมักต่อไป

ตัวอย่างเช่น มีการใช้การบำบัดแกลบขั้นต้นด้วยอัลตราโซนิกเพื่อเพิ่มการไฮโดรไลซ์ด้วยเอนไซม์สำหรับการผลิต xylooligosaccharides โดย Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1) การใช้คลื่นอัลตราโซนิกทำให้การผลิตเอนไซม์ย่อยเซลลูโลสและเอนไซม์ย่อยไซแลนจากแกลบเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ผลผลิตเฮมิเซลลูโลสเพิ่มขึ้นเป็น 1.4 เท่าเมื่อใช้คลื่นอัลตราโซนิก และระยะเวลาการผลิตลดลงอย่างมากจาก 24 h เป็น 1.5 h ที่ 80ºC – โดยยังมีศักยภาพในการปรับกระบวนการให้เหมาะสมยิ่งขึ้น ชีวมวลที่ผ่านการใช้คลื่นอัลตราโซนิกสามารถถูกเปลี่ยนรูปโดยราได้ง่ายขึ้นมาก ทำให้ความคงตัวของกิจกรรมเอนไซม์ยาวนานขึ้น และกิจกรรมของ CMCase, b-glucosidase และ xylanase เพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับแกลบที่ไม่ได้ผ่านการใช้คลื่นอัลตราโซนิก ผลิตภัณฑ์สุดท้ายจากการหมัก ได้แก่ xylotetraose, xylohexaose และ xylooligosaccharides ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงกว่า ผลผลิต xylohexaose จากแกลบที่ผ่านการใช้คลื่นอัลตราโซนิกสูงขึ้น 80%

การหมักโดยมีอัลตราโซนิกช่วย – การกระตุ้นจุลินทรีย์

• การผสมและการทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน: การใช้คลื่นอัลตราโซนิกสามารถใช้เป็นเทคนิคการผสมระหว่างการหมัก การประยุกต์ใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ช่วยให้เกิดการไหลระดับจุลภาคและส่งเสริมความเป็นเนื้อเดียวกัน ทำให้สารอาหาร ก๊าซ และจุลินทรีย์กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอภายในถังหมัก
• การเพิ่มการถ่ายเทมวล: การผสมและการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันที่ดีขึ้นสัมพันธ์กับอัตราการถ่ายเทมวลที่เพิ่มขึ้นด้วยอัลตราโซนิกระหว่างการหมัก การสั่นอัลตราโซนิกและคาวิเทชันทำให้เกิดความปั่นป่วนเฉพาะจุด และเพิ่มการแพร่ของสารตั้งต้น ก๊าซ และสารอาหารเข้าสู่น้ำหมัก ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพและผลิตภาพโดยรวมของกระบวนการหมักได้
• การเพิ่มความสามารถในการมีชีวิตของเซลล์และกิจกรรมเมแทบอลิซึม: การใช้คลื่นอัลตราโซนิกสามารถประยุกต์ใช้กับเชื้อจุลินทรีย์ที่เพาะเลี้ยงระหว่างการหมัก เพื่อเพิ่มความสามารถในการมีชีวิตของเซลล์และกิจกรรมเมแทบอลิซึม การใช้คลื่นอัลตราโซนิกอย่างอ่อนสามารถกระตุ้นจุลินทรีย์บางชนิด ส่งเสริมการเจริญเติบโต การผลิตชีวมวล และการสังเคราะห์เมแทบอไลต์หรือผลิตภัณฑ์จากการหมักที่ต้องการ

การใช้คลื่นอัลตราโซนิกที่ควบคุมได้อย่างแม่นยำและทำซ้ำได้ช่วยเพิ่มผลิตภาพของกระบวนการหมักต่าง ๆ โดยไม่ทำให้เซลล์เสียหาย ความเข้มของการใช้คลื่นอัลตราโซนิกสามารถปรับให้ตรงกับชนิดของเซลล์และความต้องการเฉพาะของเซลล์นั้นได้อย่างแม่นยำ การใช้คลื่นอัลตราโซนิกแบบควบคุมส่งผลเชิงบวกต่อการเจริญเติบโตและเมแทบอลิซึมของเซลล์ และช่วยปรับปรุงการเปลี่ยนแปลงที่เร่งปฏิกิริยาโดยเซลล์ที่มีชีวิตได้อย่างมีนัยสำคัญ เช่น การกระตุ้น Bifidobacteria ในน้ำนม
สำหรับกระบวนการหมักบางชนิดที่อาศัยรา มีการใช้คลื่นอัลตราโซนิกเพื่อปรับเปลี่ยนสัณฐานวิทยาของการเจริญเติบโตและสมบัติทางรีโอโลยีของน้ำหมักได้สำเร็จ โดยไม่ส่งผลต่ออัตราการเจริญเติบโตและผลผลิตของราเส้นใย

การบำบัดด้วยอัลตราโซนิกหลังการหมัก

• การเก็บเกี่ยวและการแยกเซลล์: การใช้คลื่นอัลตราโซนิกสามารถช่วยในการเก็บเกี่ยวและการแยกเซลล์หลังการหมัก โดยสามารถช่วยสลายกลุ่มเซลล์ สารช่วยสร้างฟล็อก หรือไบโอฟิล์ม ทำให้เซลล์ถูกปลดปล่อยออกจากน้ำหมักได้สะดวกขึ้น ซึ่งช่วยให้กระบวนการปลายน้ำที่ตามมา เช่น การแยกเก็บเซลล์หรือการทำผลิตภัณฑ์ให้บริสุทธิ์ ดำเนินการได้ง่ายขึ้น
• การสกัดผลิตภัณฑ์ภายในเซลล์: หลังการหมัก สามารถใช้คลื่นอัลตราโซนิกเพื่อสกัดผลิตภัณฑ์ภายในเซลล์ เช่น เอนไซม์ โปรตีน หรือเมแทบอไลต์ทุติยภูมิ จากชีวมวลจุลินทรีย์หรือชีวมวลเซลล์ กระบวนการสกัดนี้ช่วยแยกเก็บสารประกอบที่มีคุณค่าและเพิ่มผลผลิตโดยรวมของกระบวนการหมัก
• การสลายเซลล์เพื่อการวิเคราะห์: การใช้คลื่นอัลตราโซนิกสามารถประยุกต์ใช้เพื่อทำลายเซลล์หรือตัวอย่างจุลินทรีย์หลังการหมัก โดยเฉพาะเพื่อการวิเคราะห์ วิธีนี้ช่วยให้เซลล์แตกและปลดปล่อยสารภายในเซลล์ ทำให้การวิเคราะห์องค์ประกอบของเซลล์หรือการดำเนินการทดสอบในขั้นตอนปลายน้ำทำได้สะดวกขึ้น

สำหรับการผลิตองค์ประกอบภายในเซลล์ เช่น เอนไซม์จากจุลินทรีย์ (เช่น catalase, amylase, protease, pectinase, glucose isomerase, cellulase, hemicellulase, lipase, lactase, streptokinase) และโปรตีนรีคอมบิแนนท์ (เช่น insulin, วัคซีนป้องกันไวรัสตับอักเสบบี, interferon, granulocyte colony-stimulating factor, streptokinase) ต้องทำให้เซลล์แตก / ถูกทำลายหลังจากกระบวนการหมักเพื่อปลดปล่อยโปรตีนที่ต้องการ การใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยให้การสกัดสารเชิงซ้อนพอลิแซ็กคาไรด์–โปรตีนทั้งภายในและภายนอกเซลล์จากน้ำหมักเส้นใยราที่มีความหนืดทำได้สะดวกขึ้น นอกจากผลผลิตและประสิทธิภาพการสกัดที่โดดเด่นแล้ว การใช้คลื่นอัลตราโซนิกยังเป็นวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและเชื่อถือได้สำหรับการทำให้เซลล์แตกและการสกัดสารภายในเซลล์
คลิกที่นี่เพื่ออ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการทำให้เซลล์แตกและการสกัดด้วยอัลตราโซนิก!

เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพอัลตราโซนิกเพื่อปรับปรุงกระบวนการหมัก

Hielscher Ultrasonics มีประสบการณ์มาอย่างยาวนานเกี่ยวกับกระบวนการชีวภาพที่กระตุ้นด้วยอัลตราโซนิก เช่น การกระตุ้นเซลล์ การหมัก การทำลายเซลล์ และการสกัด เรามีเครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกมาตรฐานหลากหลายขนาดและรูปทรงสำหรับการใช้คลื่นอัลตราโซนิกในโหมดแบตช์และโหมดไหลผ่าน อีกทางเลือกหนึ่งคือโซลูชันที่ปรับแต่งเฉพาะสำหรับการผสานเข้ากับเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่มีอยู่ของคุณ เนื่องจากเครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกของเรามีความอเนกประสงค์สูงและใช้พื้นที่เพียงเล็กน้อย จึงสามารถติดตั้งเพิ่มเติมในโรงงานเทคโนโลยีชีวภาพที่มีอยู่ได้โดยไม่มีปัญหา
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับประเภท รูปแบบ และการประยุกต์ใช้งานของเครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกได้ที่นี่!
ตารางด้านล่างแสดงคำแนะนำทั่วไปในการเลือกอุปกรณ์ตามปริมาตรแบตช์หรืออัตราการไหลที่จะนำมาประมวลผล คลิกที่ประเภทอุปกรณ์เพื่อดูข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับอุปกรณ์แต่ละรุ่น

เอกสารวิชาการ / เอกสารอ้างอิง

• 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.