Ультразвукові біореактори для ферментації

Ультразвук є ефективним засобом для стимуляції мікроорганізмів механічними коливаннями і кавітацією. У сонобіореакторі / ультразвуковому ферментері ультразвукова обробка клітин і тканин стає високо контрольованою, оскільки фактори навколишнього середовища можуть бути точно визначені. За допомогою ультразвукових біореакторів можна значно збільшити продуктивність ферментації.

Бродіння

Ефективність бродіння залежить від умов процесу: Поживні речовини, щільність середовища, температура, вміст кисню / газу і тиск є важливими факторами, що впливають на діяльність мікроорганізмів. Мікроорганізми, як і клітини ссавців, процвітають лише за певних умов. Правильні умови в поєднанні з ультразвуковою стимуляцією дозволяють максимально збільшити вихід ферментації.

Ультразвукова стимуляція мікроорганізмів

Бродіння – це метаболічний процес, який перетворює цукор на кислоти, гази або спирт. Він зустрічається в дріжджах і бактеріях, а також в м'язових клітинах, які відчувають кисневий голод, як і в разі молочнокислого бродіння. Ферментація також використовується в більш широкому сенсі для позначення масового росту мікроорганізмів на живильному середовищі, часто з метою виробництва певного хімічного продукту.
Процес ферментації здійснюється в промислових масштабах з використанням для бродіння таких мікроорганізмів, як бактерії та грибки. Ферментовані продукти використовуються в харчовій і загальній промисловості. Хімічні речовини, такі як оцтова кислота, лимонна кислота та етанол, виробляються шляхом бродіння. На швидкість бродіння впливає концентрація мікроорганізмів, клітин, клітинних компонентів і ферментів, а також температура і рН. Для аеробного бродіння кисень також є ключовим фактором. Майже всі комерційно вироблені ферменти, такі як ліпаза, інвертаза і сичужний фермент, виробляються шляхом ферментації за допомогою генетично модифікованих мікробів.

• Виробництво біомаси (життєздатного клітинного матеріалу)
• Отримання позаклітинних метаболітів (хімічних сполук)
• Вироблення внутрішньоклітинних компонентів (ферментів та інших білків)
• Трансформація субстрату (при якій перетворений субстрат сам по собі є продуктом)

УЗД до, під час і після бродіння

Ультразвукова хвороба, застосування низькочастотних ультразвукових хвиль, може застосовуватися до, під час і після бродіння різними способами і на різних етапах процесу бродіння.

Ультразвукова передферментаційна обробка – Підвищення доступності біомаси

1. Покращена передача маси: Ультразвук як попередня обробка використовується для сприяння масообміну і робить субстрат більш доступним для мікробів. Ультразвукове перемішування сприяє масовому перенесенню субстратів до мікробних клітин і продуктів від них. Ультразвукова інтенсифікація масообміну може застосовуватися як перед обробкою, так і під час бродіння.
2. Руйнування клітин: Ультразвук може бути використаний для руйнування клітинних стінок і мембран, особливо в мікробних або дріжджових культурах. Це допомагає вивільняти внутрішньоклітинні компоненти, такі як ферменти або метаболіти, які можуть покращити продуктивність ферментації або полегшити подальші процеси.
3. Екстракція внутрішньоклітинних сполук: Ультразвук може допомогти у вилученні внутрішньоклітинних сполук з біологічних матеріалів перед ферментацією. Це включає екстракцію ферментів, білків, нуклеїнових кислот або інших цільових сполук із клітин, тканин або рослинних матеріалів для подальшого використання в процесах ферментації.

Наприклад, ультразвукова попередня обробка рисового лушпиння була використана для посилення ферментативного гідролізу для виробництва ксилоолігосахаридів Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). За допомогою ультразвуку значно посилювалася продукція целюлозолітичних і ксиланолітичних ферментів з рисового лушпиння. Вихід геміцелюлози був збільшений в 1,4 рази при ультразвуковому дослідженні, а час виробництва значно скоротився з 24 год до 1,5 год при 80 ° C – з подальшим потенціалом оптимізації процесів. Ультразвукова біомаса набагато легше перетворюється для грибів, завдяки чому підвищується стабільність активності ферментів і підвищується активність CMCase, b-глюкозидази та ксиланази порівняно з неультразвуковою рисовою оболонкою. Кінцевими продуктами бродіння були ксилотетраоза, ксилогексаоза та ксилоолігосахариди з вищою молекулярною масою. Вихід ксилогексаози з ультразвукового рисового лушпиння був на 80% вищим.

Ферментація за допомогою ультразвуку – Стимуляція мікробів

• Змішування та гомогенізація: Ультразвук можна використовувати як техніку змішування під час бродіння. Застосування ультразвукових хвиль сприяє створенню мікропотоків і сприяє однорідності, забезпечуючи рівномірний розподіл поживних речовин, газів і мікроорганізмів у судині для бродіння.
• Удосконалення масообміну: З поліпшенням перемішування і гомогенізації пов'язані ультразвуково поліпшені швидкості масообміну під час бродіння. Ультразвукові коливання і кавітація створюють локальну турбулентність і підсилюють дифузію субстратів, газів і поживних речовин в бродильний бульйон. Це може підвищити загальну ефективність і продуктивність процесу бродіння.
• Поліпшення життєздатності клітин і метаболічної активності: Ультразвук можна застосовувати до мікробних культур під час ферментації для підвищення життєздатності клітин та метаболічної активності. Легка ультразвукова діагностика може стимулювати певні мікроорганізми, сприяючи росту, виробництву біомаси та синтезу бажаних метаболітів або продуктів ферментації.

Точно контрольоване і повторюване ультразвукове дослідження допомагає підвищити продуктивність різних процесів бродіння без пошкодження клітин. Інтенсивність ультразвуку може бути точно адаптована до конкретного виду клітин та його вимог. Контрольоване ультразвукування позитивно впливає на ріст і метаболізм клітин, а також значно покращує перетворення, що каталізуються живими клітинами, наприклад, стимулюючи біфідобактерії в молоці.
Для деяких процесів бродіння, зумовлених грибками, ультразвук успішно використовується для модифікації морфології росту та реології бульйону, не впливаючи на швидкість росту та вихід нитчастих грибів.

Ультразвукова післяферментаційна обробка

• Збір і відділення клітин: Ультразвук може допомогти у збиранні та відділенні клітин після ферментації. Це може допомогти розщепити клітинні агрегати, флокулянти або біоплівки, полегшуючи вивільнення клітин із бульйону для бродіння. Це спрощує подальші подальші процеси, такі як відновлення клітин або очищення продукту.
• Екстракція внутрішньоклітинних продуктів: Після ферментації ультразвук можна використовувати для вилучення внутрішньоклітинних продуктів, таких як ферменти, білки або вторинні метаболіти, з мікробної або клітинної біомаси. Цей процес екстракції допомагає відновити цінні сполуки та покращує загальний вихід процесу бродіння.
• Розпад клітин в аналітичних цілях: Ультразвук може застосовуватися для руйнування клітин або мікробних зразків після ферментації, особливо в аналітичних цілях. Він сприяє лізису клітин і вивільненню внутрішньоклітинного вмісту, полегшуючи аналіз клітинних компонентів або проведення подальших аналізів.

Для виробництва внутрішньоклітинних компонентів, таких як мікробні ферменти (наприклад, каталаза, амілаза, протеаза, пектиназа, глюкозоізомераза, целюлаза, геміцелюлаза, ліпаза, лактаза, стрептокіназа) і рекомбінантних білків (наприклад, інсулін, вакцина проти гепатиту В, інтерферон, гранулоцитарний колонієстимулюючий фактор, стрептокіназа), клітини повинні бути лізовані/порушені після процесу ферментації для вивільнення потрібних білків. За допомогою ультразвуку полегшується екстракція внутрішньоклітинного і позаклітинного полісахаридно-білкових комплексів з бульйону в'язкого міцеліального бродіння. Окрім видатної екстракційної потужності та ефективності, ультразвук добре зарекомендував себе та надійний для лізису клітин та екстракції внутрішньоклітинної речовини.
Натисніть тут, щоб прочитати мор про ультразвуковий лізис та екстракцію!

Ультразвукові біореактори для покращення процесів ферментації

Hielscher Ultrasonics має багаторічний досвід роботи з біопроцесами, стимульованими ультразвуком, такими як стимуляція клітин, ферментація, руйнування та екстракція клітин. Ми пропонуємо різні стандартні ультразвукові реактори різних розмірів і геометрії для ультразвукового дослідження в періодичному і проточному режимі. Крім того, ми пропонуємо індивідуальні рішення для інтеграції у ваш існуючий біореактор. Оскільки наші ультразвукові процесори дуже універсальні і вимагають лише невеликого простору, модернізація існуючих біотехнологічних установок може бути реалізована без проблем.
Детальніше про типи, конструкцію та застосування ультразвукових реакторів читайте тут!
У наведеній нижче таблиці вказані загальні рекомендації щодо пристрою в залежності від обсягу партії або витрати оброблюваної норми. Натисніть на тип пристрою, щоб отримати більше інформації про кожен пристрій.

Література/Список літератури