Fermantasyon için Ultrasonik Biyoreaktörler

Ultrasonik uygulama, mekanik titreşimler ve kavitasyon yoluyla mikroorganizmaları uyarmanın etkili bir yoludur. Bir sonobiyoreaktörde / ultrasonik fermentörde çevresel faktörler tam olarak belirlenebildiğinden, hücrelerin ve dokuların ultrasonik işlemi yüksek düzeyde kontrol edilebilir hâle gelir. Ultrasonik biyoreaktörlerle fermantasyon çıktısı önemli ölçüde artırılabilir.

Fermantasyon

Fermantasyonun verimliliği proses koşullarına bağlıdır: Besinler, ortamın yoğunluğu, sıcaklık, oksijen / gaz içeriği ve basınç, mikrobiyal aktiviteyi etkileyen önemli faktörlerdir. Mikroorganizmalar ve memeli hücreleri yalnızca belirli koşullarda gelişir. Ultrasonik uyarımla birleştirilen uygun koşullar, fermantasyon verimini en üst düzeye çıkarabilir.

Mikroorganizmaların Ultrasonik Uyarımı

Fermantasyon, şekeri asitlere, gazlara veya alkole dönüştüren metabolik bir süreçtir. Maya ve bakterilerde ve laktik asit fermantasyonunda olduğu gibi oksijensiz kalan kas hücrelerinde de gerçekleşir. Fermantasyon terimi, daha geniş anlamda, genellikle belirli bir kimyasal ürün üretmek amacıyla mikroorganizmaların bir besiyerinde kitlesel olarak çoğaltılmasını ifade etmek için de kullanılır.
Fermantasyon prosesleri, fermantasyon için bakteri ve mantar gibi mikroorganizmalar kullanılarak endüstriyel ölçekte gerçekleştirilir. Fermente ürünler, gıda sanayisinde ve genel olarak sanayide kullanılır. Asetik asit, sitrik asit ve etanol gibi kimyasallar fermantasyonla üretilir. Fermantasyon hızı; mikroorganizmaların, hücrelerin, hücresel bileşenlerin ve enzimlerin konsantrasyonunun yanı sıra sıcaklık ve pH değerinden de etkilenir. Aerobik fermantasyonda oksijen de temel bir faktördür. Lipaz, invertaz ve peynir mayası gibi ticari olarak üretilen enzimlerin neredeyse tamamı, genetiği değiştirilmiş mikroorganizmalarla fermantasyon yoluyla elde edilir.

• Biyokütle üretimi (canlı hücresel materyal)
• Hücre dışı metabolitlerin üretimi (kimyasal bileşikler)
• Hücre içi bileşenlerin üretimi (enzimler ve diğer proteinler)
• Substratın dönüşümü (dönüştürülen substratın kendisinin ürün olduğu süreç)

Fermantasyon Öncesinde, Sırasında ve Sonrasında Sonikasyon

Düşük frekanslı ultrason dalgalarının uygulanması olan sonikasyon, fermantasyon öncesinde, sırasında ve sonrasında çeşitli şekillerde ve fermantasyon prosesinin farklı aşamalarında kullanılabilir.

Fermantasyon Öncesi Ultrasonik İşlem – Biyokütlenin Kullanılabilirliğinin İyileştirilmesi

1. İyileştirilmiş Kütle Transferi: Ön işlem olarak sonikasyon, kütle transferini desteklemek ve substratı mikroorganizmalar için daha kullanılabilir hâle getirmek amacıyla kullanılır. Ultrasonik karıştırma, substratların mikrobiyal hücrelere doğru, ürünlerin ise bu hücrelerden uzağa doğru kütle transferini destekler. Kütle transferinin ultrasonik olarak yoğunlaştırılması, hem ön işlem olarak hem de fermantasyon sırasında uygulanabilir.
2. Hücre Parçalama: Sonikasyon, özellikle mikrobiyal kültürlerde veya maya kültürlerinde hücre duvarlarını ve zarlarını parçalamak için kullanılabilir. Bu, fermantasyon performansını iyileştirebilen veya sonraki prosesleri kolaylaştırabilen enzimler ya da metabolitler gibi hücre içi bileşenlerin açığa çıkmasına yardımcı olur.
3. Hücre İçi Bileşiklerin Ekstraksiyonu: Sonikasyon, fermantasyon öncesinde biyolojik materyallerden hücre içi bileşiklerin ekstraksiyonuna yardımcı olabilir. Buna, daha sonra fermantasyon proseslerinde kullanılmak üzere hücrelerden, dokulardan veya bitkisel materyallerden enzimlerin, proteinlerin, nükleik asitlerin ya da diğer hedef bileşiklerin ekstraksiyonu dahildir.

Örneğin, Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1) ile ksilooligosakkarit üretimi için enzimatik hidrolizi artırmak amacıyla pirinç kavuzuna ultrasonik ön işlem uygulanmıştır. Sonikasyonla pirinç kavuzundan selülolitik ve ksilanolitik enzim üretimi önemli ölçüde artırılmıştır. Sonikasyon altında hemiselüloz verimi 1,4 katına çıkarılmış ve 80ºC sıcaklıkta üretim süresi 24 h değerinden 1,5 h değerine büyük ölçüde kısaltılmıştır – ayrıca proses optimizasyonu için daha fazla potansiyel bulunmaktadır. Sonikasyon uygulanmış biyokütle, mantarlar tarafından çok daha kolay dönüştürülebilir; böylece enzim aktivitesinin kararlılığı daha uzun süre korunur ve sonikasyon uygulanmamış pirinç kavuzuna kıyasla CMCase, b-glukozidaz ve ksilanaz aktivitesi artar. Nihai fermantasyon ürünleri ksilotetraoz, ksilohekzaoz ve daha yüksek molekül ağırlıklı ksilooligosakkaritler olmuştur. Sonikasyon uygulanmış pirinç kavuzundan elde edilen ksilohekzaoz verimi %80 daha yüksek olmuştur.

Ultrasonik Destekli Fermantasyon – Mikroorganizmaların Uyarımı

• Karıştırma ve Homojenizasyon: Sonikasyon, fermantasyon sırasında bir karıştırma tekniği olarak kullanılabilir. Ultrason dalgalarının uygulanması mikroakış oluşumuna yardımcı olur ve homojenliği destekleyerek besinlerin, gazların ve mikroorganizmaların fermantasyon kabı içinde eşit dağılımını sağlar.
• Kütle Transferinin Artırılması: Fermantasyon sırasında ultrasonik olarak artırılan kütle transfer hızları, iyileştirilmiş karıştırma ve homojenizasyonla ilişkilidir. Ultrasonik salınım ve kavitasyon, yerel türbülans oluşturur ve substratların, gazların ve besinlerin fermantasyon sıvısına difüzyonunu artırır. Bu, fermantasyon prosesinin genel verimliliğini ve üretkenliğini iyileştirebilir.
• Hücre Canlılığının ve Metabolik Aktivitenin İyileştirilmesi: Sonikasyon, hücre canlılığını ve metabolik aktiviteyi artırmak için fermantasyon sırasında mikrobiyal kültürlere uygulanabilir. Hafif sonikasyon, belirli mikroorganizmaları uyararak büyümeyi, biyokütle üretimini ve istenen metabolitlerin veya fermantasyon ürünlerinin sentezini destekleyebilir.

Hassas biçimde kontrol edilebilen ve tekrarlanabilen sonikasyon, hücrelere zarar vermeden çeşitli fermantasyon proseslerinin üretkenliğini iyileştirmeye yardımcı olur. Sonikasyon yoğunluğu, belirli hücre türüne ve gereksinimlerine tam olarak uyarlanabilir. Kontrollü sonikasyonla hücre büyümesi ve metabolizması olumlu yönde etkilenir ve canlı hücrelerin katalizlediği dönüşümler önemli ölçüde iyileştirilir; örneğin sütteki Bifidobacteria uyarılır.
Mantarların yürüttüğü bazı fermantasyon proseslerinde sonikasyon, filamentli mantarların büyüme hızını ve verimini etkilemeden büyüme morfolojisini ve fermantasyon sıvısının reolojisini değiştirmek için başarıyla kullanılır.

Fermantasyon Sonrası Ultrasonik İşlem

• Hücre Hasadı ve Ayırma: Sonikasyon, fermantasyon sonrasında hücre hasadına ve ayırmaya yardımcı olabilir. Hücre agregatlarının, flokulanların veya biyofilmlerin parçalanmasına yardımcı olarak hücrelerin fermantasyon sıvısından serbest bırakılmasını kolaylaştırabilir. Bu, hücrelerin geri kazanılması veya ürünün saflaştırılması gibi sonraki prosesleri basitleştirir.
• Hücre İçi Ürünlerin Ekstraksiyonu: Fermantasyondan sonra sonikasyon, mikrobiyal veya hücresel biyokütleden enzimler, proteinler veya ikincil metabolitler gibi hücre içi ürünleri ekstrakte etmek için kullanılabilir. Bu ekstraksiyon prosesi, değerli bileşiklerin geri kazanılmasına yardımcı olur ve fermantasyon prosesinin genel verimini artırır.
• Analitik Amaçlarla Hücre Parçalama: Sonikasyon, özellikle analitik amaçlarla, fermantasyon sonrasında hücreleri veya mikrobiyal numuneleri parçalamak için uygulanabilir. Hücre lizisine ve hücre içeriğinin serbest bırakılmasına yardımcı olarak hücresel bileşenlerin analizini veya sonraki analizlerin gerçekleştirilmesini kolaylaştırır.

Mikrobiyal enzimler (ör. katalaz, amilaz, proteaz, pektinaz, glukoz izomeraz, selülaz, hemiselülaz, lipaz, laktaz, streptokinaz) ve rekombinant proteinler (ör. insülin, hepatit B aşısı, interferon, granülosit koloni uyarıcı faktör, streptokinaz) gibi hücre içi bileşenlerin üretimi için, istenen proteinleri serbest bırakmak amacıyla fermantasyon prosesinden sonra hücrelerin lizise uğratılması / parçalanması gerekir. Sonikasyonla hücre içi ve hücre dışı polisakkarit–protein komplekslerinin viskoz miselyal fermantasyon sıvısından ekstraksiyonu kolaylaştırılır. Üstün ekstraksiyon verimi ve verimliliğinin yanı sıra sonikasyon, hücre lizisi ve hücre içi materyalin ekstraksiyonu için yerleşik ve güvenilir bir yöntemdir.
Ultrasonik lizis ve ekstraksiyon hakkında daha fazla bilgi edinmek için buraya tıklayın!

İyileştirilmiş Fermantasyon Prosesleri için Ultrasonik Biyoreaktörler

Hielscher Ultrasonics, hücre uyarımı, fermantasyon, hücre parçalama ve ekstraksiyon gibi ultrasonik olarak uyarılan biyoproseslerde uzun yıllara dayanan deneyime sahiptir. Kesikli ve sürekli akış modlarında sonikasyon için farklı boyutlarda ve geometrilerde çeşitli standart ultrasonik reaktörler sunuyoruz. Alternatif olarak, mevcut biyoreaktörünüze entegrasyon için özelleştirilmiş çözümler sunuyoruz. Ultrasonik işlemcilerimiz çok yönlü olduğundan ve yalnızca küçük bir alan gerektirdiğinden, mevcut biyoteknolojik tesislere sonradan entegre edilmeleri sorunsuz biçimde gerçekleştirilebilir.
Ultrasonik reaktör türleri, tasarımları ve uygulamaları hakkında daha fazla bilgiyi burada okuyun!
Aşağıdaki tablo, işlenecek parti hacmine veya debiye bağlı olarak genel cihaz önerilerini gösterir. Her cihaz hakkında daha fazla bilgi almak için cihaz türüne tıklayın.

Literatür/Kaynaklar

• 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.