Fermantasyon için Ultrasonik Biyoreaktörler

Ultrasonik, mekanik titreşimler ve kavitasyon ile mikroorganizmaları uyarmak için etkili bir araçtır. Bir sonobiyoreaktör / ultrasonik fermentörde, hücrelerin ve dokunun ultrasonik tedavisi, çevresel faktörler tam olarak belirlenebildiği için oldukça kontrol edilebilir hale gelir. Ultrasonik biyoreaktörler ile fermantasyon çıkışı önemli ölçüde artırılabilir.

Fermantasyon

Fermantasyonun verimliliği proses koşullarına bağlıdır: Besin maddeleri, ortamın yoğunluğu, sıcaklık, oksijen / gaz içeriği ve basınç, mikrobiyal aktiviteyi etkileyen önemli faktörlerdir. Mikroorganizmalar ve memeli hücreleri sadece belirli koşullar altında gelişir. Ultrasonik stimülasyon ile birleştirilen doğru koşullar, fermantasyon verimini en üst düzeye çıkarabilir.

Mikroorganizmaların Ultrasonik Stimülasyonu

Fermantasyon, şekeri asitlere, gazlara veya alkole dönüştüren metabolik bir süreçtir. Maya ve bakterilerde ve ayrıca laktik asit fermantasyonunda olduğu gibi oksijene aç kas hücrelerinde görülür. Fermantasyon ayrıca, genellikle belirli bir kimyasal ürün üretmek amacıyla, bir büyüme ortamı üzerindeki mikroorganizmaların toplu büyümesine atıfta bulunmak için daha geniş bir şekilde kullanılır.
Fermantasyon işlemi, fermantasyon için bakteri ve mantar gibi mikroorganizmalar kullanılarak endüstriyel ölçekte gerçekleştirilir. Fermente ürünler gıda ve genel endüstride kullanılmaktadır. Asetik asit, sitrik asit ve etanol gibi kimyasallar fermantasyon yoluyla üretilir. Fermantasyon hızı, mikroorganizmaların, hücrelerin, hücresel bileşenlerin ve enzimlerin konsantrasyonunun yanı sıra sıcaklık ve pH'dan etkilenir. Aerobik fermantasyon için oksijen de önemli bir faktördür. Lipaz, invertaz ve peynir mayası gibi ticari olarak üretilen hemen hemen tüm enzimler, genetiği değiştirilmiş mikroplarla fermantasyon yoluyla yapılır.

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

Fermantasyon öncesi, sırasında ve sonrasında sonikasyon

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

Ultrasonik Ön Fermantasyon Tedavisi – Biyokütle Kullanılabilirliğinin İyileştirilmesi

1. Geliştirilmiş Kütle Transferi: Ön işlem olarak sonikasyon, kütle transferini teşvik etmek ve substratı mikroplar için daha kullanılabilir hale getirmek için kullanılır. Ultrasonik karıştırma, substratların mikrobiyal hücrelere ve ürünlerden uzak olan kütle transferini teşvik eder. Kütle transferinin ultrasonik yoğunlaştırılması, fermantasyon sırasında olduğu gibi ön işlem olarak da uygulanabilir.
2. Hücre Bozulması: Sonikasyon, özellikle mikrobiyal veya maya kültürlerinde hücre duvarlarını ve zarlarını bozmak için kullanılabilir. Bu, fermantasyon performansını artırabilen veya sonraki süreçleri kolaylaştırabilen enzimler veya metabolitler gibi hücre içi bileşenlerin salınmasına yardımcı olur.
3. Hücre İçi Bileşiklerin Ekstraksiyonu: Sonikasyon, fermantasyondan önce biyolojik malzemelerden hücre içi bileşiklerin ekstraksiyonuna yardımcı olabilir. Bu, fermantasyon işlemlerinde daha sonra kullanılmak üzere hücrelerden, dokulardan veya bitki materyallerinden enzimlerin, proteinlerin, nükleik asitlerin veya diğer hedef bileşiklerin ekstrakte edilmesini içerir.

Örneğin, Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1) tarafından ksilooligosakkarit üretimi için enzimatik hidrolizi arttırmak için pirinç kabuğunun ultrasonik ön işlemi kullanıldı. Sonikasyon ile, pirinç kabuğundan selülolitik ve ksilanolitik enzimlerin üretimi önemli ölçüde arttırılmıştır. Hemiselüloz verimi, sonikasyon altında 1.4 kata çıkarıldı ve üretim süresi, 80ºC'de 24 saatten 1.5 saate büyük ölçüde kısaltıldı – daha fazla süreç optimizasyonu potansiyeli ile. Sonikasyonlu biyokütle, mantarlar için çok daha kolay dönüştürülebilir, böylece enzim aktivitesinin stabilitesi uzar ve CMCase, b-glukozidaz ve ksilanaz aktivitesi, sonikasyonsuz pirinç kabuğuna kıyasla artar. Nihai fermentatif ürünler ksilotetraoz, ksilohekzaoz ve daha yüksek moleküler ağırlıklı ksilooligosakkaritlerdi. Sonikasyonlu pirinç kabuğundan elde edilen ksilohekzaoz verimi � daha yüksekti.

Ultrasonik Destekli Fermantasyon – Mikropların Uyarılması

• Karıştırma ve Homojenizasyon: Sonikasyon, fermantasyon sırasında bir karıştırma tekniği olarak kullanılabilir. Ultrason dalgalarının uygulanması, mikro akış oluşturmaya yardımcı olur ve homojenliği teşvik ederek fermantasyon kabı içinde besinlerin, gazların ve mikroorganizmaların eşit dağılımını sağlar.
• Kütle Transferinin Arttırılması: İyileştirilmiş karıştırma ve homojenizasyon ile ilgili olarak, fermantasyon sırasında ultrasonik olarak geliştirilmiş kütle transfer hızlarıdır. Ultrasonik salınım ve kavitasyon, lokalize türbülans oluşturur ve substratların, gazların ve besin maddelerinin fermantasyon suyuna difüzyonunu arttırır. Bu, fermantasyon işleminin genel verimliliğini ve üretkenliğini artırabilir.
• Hücre Canlılığının ve Metabolik Aktivitenin İyileştirilmesi: Sonikasyon, hücre canlılığını ve metabolik aktiviteyi arttırmak için fermantasyon sırasında mikrobiyal kültürlere uygulanabilir. Hafif sonikasyon, belirli mikroorganizmaları uyarabilir, büyümeyi, biyokütle üretimini ve istenen metabolitlerin veya fermantasyon ürünlerinin sentezini teşvik edebilir.

Hassas bir şekilde kontrol edilebilir ve tekrarlanabilir sonikasyon, hücrelere zarar vermeden çeşitli fermantasyon işlemlerinin verimliliğini artırmaya yardımcı olur. Sonikasyon yoğunluğu, belirli hücre türlerine ve gereksinimlerine tam olarak uyarlanabilir. Kontrollü sonikasyon ile, hücre büyümesi ve metabolizması olumlu yönde etkilenir ve canlı hücreler tarafından katalize edilen dönüşümler önemli ölçüde iyileştirilir, örneğin sütteki Bifidobakterileri uyarır.
Bazı mantar güdümlü fermantasyon süreçleri için, sonikasyon, filamentli mantarların büyüme oranını ve verimini etkilemeden büyüme morfolojisini ve et suyu reolojisini değiştirmek için başarıyla kullanılır.

Ultrasonik Fermantasyon Sonrası Tedavi

• Hücre Toplama ve Ayırma: Sonikasyon, fermantasyondan sonra hücre hasadında ve ayrılmasında yardımcı olabilir. Hücre agregatlarının, topaklaştırıcıların veya biyofilmlerin parçalanmasına yardımcı olabilir ve hücrelerin fermantasyon suyundan salınmasını kolaylaştırabilir. Bu, hücre geri kazanımı veya ürün saflaştırması gibi sonraki sonraki işlemleri basitleştirir.
• Hücre İçi Ürünlerin Ekstraksiyonu: Fermantasyondan sonra, sonikasyon, mikrobiyal veya hücresel biyokütleden enzimler, proteinler veya ikincil metabolitler gibi hücre içi ürünleri çıkarmak için kullanılabilir. Bu ekstraksiyon işlemi, değerli bileşiklerin geri kazanılmasına yardımcı olur ve fermantasyon işleminin genel verimini artırır.
• Analitik Amaçlar için Hücre Parçalanması: Sonikasyon, özellikle analitik amaçlar için, fermantasyondan sonra hücreleri veya mikrobiyal numuneleri bozmak için uygulanabilir. Hücre lizizine ve hücre içi içeriklerin salınmasına yardımcı olur, hücresel bileşenlerin analizini kolaylaştırır veya aşağı akış tahlilleri gerçekleştirir.

Mikrobiyal enzimler (örneğin katalaz, amilaz, proteaz, pektinaz, glukoz izomeraz, selülaz, hemiselülaz, lipaz, laktaz, streptokinaz) ve rekombinant proteinler (örneğin insülin, hepatit B aşısı, interferon, granülosit koloni uyarıcı faktör, streptokinaz) gibi hücre içi bileşenlerin üretimi için, istenen proteinleri serbest bırakmak için hücrelerin fermantasyon işleminden sonra parçalanması / bozulması gerekir. Sonikasyon ile, viskoz misel fermantasyon suyundan hücre içi ve hücre dışı polisakkarit-protein komplekslerinin ekstraksiyonu kolaylaştırılır. Olağanüstü ekstraksiyon verimi ve verimliliğinin yanı sıra, sonikasyon, hücre lizisi ve hücre içi maddenin ekstraksiyonu için iyi kurulmuş ve güvenilirdir.
Ultrasonik lizis ve ekstraksiyon hakkında daha fazla bilgi almak için buraya tıklayın!

Gelişmiş fermantasyon süreçleri için ultrasonik biyoreaktörler

Hielscher Ultrasonics, hücre stimülasyonu, fermantasyon, hücre bozulması ve ekstraksiyon gibi ultrasonik olarak uyarılmış biyo-süreçlerle uzun süredir deneyimlidir. Toplu ve akış modunda 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 sadece küçük bir alan gerektirdiğinden, mevcut biyoteknolojik tesislere güçlendirme sorunsuz bir şekilde gerçekleştirilebilir.
Ultrasonik reaktör tipleri, tasarımları ve uygulamaları hakkında daha fazla bilgiyi burada bulabilirsiniz!
Aşağıdaki tablo hacim ve akış oranına bağlı olarak genel cihaz önerilerini göstermektedir. Cihazlar hakkında daha fazla bilgi edinmek için üzerine tıklayabilirsiniz.

Literatür/Referanslar