Ультразвук є ефективним засобом для стимуляції мікроорганізмів за допомогою механічних коливань і кавітаційних. У сообіоактор/Ультразвуковий ферментер, ультразвукове лікування клітин і тканин стає висококерованим, оскільки екологічні фактори можуть бути точно визначені. З ультразвуковими біореакторів, продуктивність бродіння може бути значно підвищена.

Бродіння

Ефективність бродіння залежить від умов процесу: поживні речовини, щільність середовища, температура, вміст кисню / газу і тиск є важливими факторами, що впливають на мікробну активність. Мікроорганізми, так само як і клітини ссавців, процвітають тільки за певних умов. Правильні умови в поєднанні з ультразвуковою стимуляцією можуть максимізувати вихід бродіння.

Ультразвукова стимуляція мікроорганізмів

Ферментація - процес обміну речовин, який перетворює цукор на кислоти, гази або алкоголь. Це трапляється у дріжджів і бактерій, а також у м'язових клітинах, що голодують киснем, як у випадку ферментації молочної кислоти. Ферментація також використовується більш широко для позначення об'ємного росту мікроорганізмів у середовищі росту, часто з метою вироблення певного хімічного продукту.
Процес бродіння здійснюється в промислових масштабах за допомогою мікроорганізмів, таких як бактерії та грибки для бродіння. Ферментовані продукти використовуються в харчовій та загальної промисловості. Хімічні речовини, такі як оцтова кислота, лимонна кислота та етанол, утворюються при бродінні. На рівень ферментації впливає концентрація мікроорганізмів, клітин, клітинних компонентів та ферментів, а також температури та рН. Для аеробного бродіння кисень також є ключовим фактором. Майже всі комерційні ферменти, такі як ліпаза, інвертаза та сичуг, виробляються шляхом ферментації з генетично модифікованими мікробами.
 
Загалом, ферментації можна розділити на чотири типи процесів/стадії:

• Виробництво біомаси (життєздатний стільниковий матеріал)
• Виробництво позаклітинних метаболітів (хімічних сполук)
• Виробництво внутрішньоклітинних компонентів (ферментів та інших білків)
• Перетворення субстрату (в якому перетворений субстрат сам по собі продукт)

Аніксія перед, під час і після бродіння

Ультразвукова обробка, застосування низькочастотних ультразвукових хвиль, може бути використана до, під час і після ферментації різними способами і на різних етапах процесу бродіння.

Ультразвукова обробка перед ферментацією – Покращення наявності біомаси

1. Покращена масопередача: Сонкації як попереднє лікування використовується для сприяння масової передачі і зробити субстрат більш доступним для мікробів. Ультразвукове змішування сприяє масової передачі субстратів, а також продуктів від, мікробних клітин. Ультразвукове інтенсифікація передачі маси може застосовуватися як попереднє лікування, так і під час бродіння.
2. Порушення роботи клітин: Ультразвукова обробка може бути використана для руйнування клітинних стінок і мембран, особливо в мікробних або дріжджових культурах. Це допомагає вивільнити внутрішньоклітинні компоненти, такі як ферменти або метаболіти, які можуть поліпшити ефективність ферментації або полегшити подальші процеси.
3. Екстракція внутрішньоклітинних сполук: Ультразвукова обробка може допомогти у вилученні внутрішньоклітинних сполук з біологічних матеріалів перед ферментацією. Це включає вилучення ферментів, білків, нуклеїнових кислот або інших цільових сполук з клітин, тканин або рослинної сировини для подальшого використання в процесах бродіння.

Наприклад, ультразвукова попередня обробка рисової оболонки була використана для посилення ферментативного гідролізу для виробництва ксилоолігосахаридів Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). За допомогою ультразвукової обробки виробництво целюлолітичних і ксиланолітичних ферментів з рисової оболонки було значно збільшено. Вихід геміцелюлози був збільшений до 1,4-кратного під ультразвуком, а час виробництва був значно скорочений з 24 год до 1,5 год при 80ºC – з подальшим потенціалом оптимізації процесу. Універсальна біомаса набагато легше конвертована для грибів, завдяки чому збільшується стабільність ферментної активності, а активність CMCase, b-глюкозидази та ксиланази збільшується в порівнянні з незміненої раковиною корпусу рису. Кінцеві ферментативні продукти були ксилотетраозою, ксилогексазою та більш високою молекулярною масою ксилоолігосахаридів. Вихід ксилогексазою з ультразвукового раковини на рис був на 80% вищий.

Ультразвукова ферментація – Стимуляція мікроорганізмів

• Змішування та гомогенізація: Ультразвукову обробку можна використовувати як техніку змішування під час бродіння. Застосування ультразвукових хвиль допомагає створити мікропотік і сприяє однорідності, забезпечуючи рівномірний розподіл поживних речовин, газів і мікроорганізмів всередині ферментаційної посудини.
• Удосконалення масообміну: Пов'язані з поліпшеним змішуванням і гомогенізацією ультразвуково поліпшені швидкості масопередачі під час бродіння. Ультразвукові коливання та кавітація створюють локалізовану турбулентність та посилюють дифузію субстратів, газів та поживних речовин у бродильний бульйон. Це може підвищити загальну ефективність і продуктивність процесу бродіння.
• Поліпшення життєздатності клітин і метаболічної активності: Ультразвукова обробка може бути застосована до мікробних культур під час ферментації для підвищення життєздатності клітин і метаболічної активності. М'яка ультразвукова обробка може стимулювати певні мікроорганізми, сприяючи зростанню, виробництву біомаси та синтезу бажаних метаболітів або продуктів бродіння.

Точно керована та повторювана ультразвукова обробка допомагає підвищити продуктивність різних процесів бродіння без пошкодження клітин. Інтенсивність ультразвукової обробки може бути точно адаптована до конкретних видів клітин та її вимог. Під контролем ультразвукової обробки підшлункової залози позитивно впливає ріст клітин та обмін речовин, і перетворення, які каталізуються живими клітинами, значно поліпшуються, наприклад, стимуляція біфідобактерій у молоці.
Для деяких грибкових процесів ферментації, ультразвукове дослідження успішно застосовується для зміни морфології росту та реології бульйону, не впливаючи на швидкість росту та врожайність нитчастих грибів.

Ультразвукова обробка постферментації

• Прибирання і поділ клітин: Ультразвукова обробка може допомогти у зборі та відділенні клітин після ферментації. Він може допомогти в руйнуванні клітинних агрегатів, флокулянтів або біоплівок, полегшуючи звільнення клітин з ферментаційного бульйону. Це спрощує подальші процеси, такі як відновлення клітин або очищення продукту.
• Екстракція внутрішньоклітинних продуктів: Після ферментації ультразвукову обробку 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: Ультразвукова обробка може бути застосована для порушення клітин або мікробних зразків після ферментації, особливо в аналітичних цілях. Він допомагає в лізисі клітин і вивільненні внутрішньоклітинного вмісту, полегшуючи аналіз клітинних компонентів або виконуючи аналізи нижче.

Для виробництва внутрішньоклітинних компонентів, таких як мікробні ферменти (наприклад, каталаза, амілаза, протеаза, пектиназа, глюкозоізомераза, целюлаза, геміцелюлаза, ліпаза, лактаза, стрептокіназа) та рекомбінантних білків (наприклад, інсулін, вакцина проти гепатиту В, інтерферону, гранулоцитарної колонії, що стимулює фактор, стрептокіназа), клітини повинні бути лізировані / порушені після процесу бродіння для вивільнення бажаних білків. За допомогою ультразвукової обробки полегшується екстракція внутрішньоклітинних і позаклітинних полісахаридно-білкових комплексів з в'язкого мікільного бродінкового бульйону. Окрім видатного видобутку та ефективності, ультразвукова обробка є хорошою та надійною для лізису клітин та витягання внутрішньоклітинної речовини.
Натисніть тут, щоб прочитати більше про ультразвуковий лізис і видобуток!

Ультразвукові біореактори для поліпшення процесів бродіння

Hielscher Ultrasonics давно має досвід роботи з ультразвуково стимульованими біопроцесами, такими як стимуляція клітин, ферментація, порушення клітин та вилучення. Ми пропонуємо різні стандартні ультразвукові реактори різних розмірів і геометрії для ультразвукової обробки в пакетному та потоковому 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.
Дізнайтеся більше про типи ультразвукових реакторів, конструкції та застосування тут!
У таблиці нижче вказуються загальні рекомендації щодо пристрою залежно від обсягу партії чи витрат, який підлягає обробці. Натисніть на тип пристрою, щоб отримати більше інформації на кожному пристрої.

Література / Довідники