Ультразвукові біореактори для ферментації

Ультразвук є ефективним засобом стимулювання мікроорганізмів за допомогою механічних вібрацій та кавітації. У сонобіореакторі / ультразвуковому ферментері ультразвукова обробка клітин і тканин стає високотерованою, оскільки фактори середовища можуть бути точно визначені. Завдяки ультразвуковим біореакторам вихід ферментації може бути суттєво підвищений.

Ферментація

Ефективність ферментації залежить від умов процесу: поживні речовини, щільність середовища, температура, вміст кисню / газу та тиск є важливими факторами, що впливають на мікробну активність. Мікроорганізми, а також клітини ссавців процвітають лише за певних умов. Правильні умови в поєднанні з ультразвуковим стимулюванням можуть максимізувати вихід ферментації.

Ультразвукове стимулювання мікроорганізмів

Ферментація – це метаболічний процес, який перетворює цукор на кислоти, гази або спирт. Він відбувається в дріжджах і бактеріях, а також у м’язових клітинах, позбавлених кисню, як у випадку молочнокислої ферментації. Термін «ферментація» також використовується в ширшому значенні для позначення масового росту мікроорганізмів на поживному середовищі, часто з метою виробництва конкретного хімічного продукту.
Процеси ферментації проводяться в промислових масштабах із використанням мікроорганізмів, таких як бактерії та гриби. Ферментовані продукти використовуються в харчовій та загальній промисловості. Хімічні речовини, такі як оцтова кислота, лимонна кислота та етанол, виробляються шляхом ферментації. Швидкість ферментації залежить від концентрації мікроорганізмів, клітин, клітинних компонентів і ферментів, а також від температури та pH. Для аеробної ферментації кисень також є ключовим фактором. Майже всі комерційно вироблювані ферменти, такі як ліпаза, інвертаза і ренін, виробляються шляхом ферментації з генетично модифікованими мікробами.

Загалом ферментації можна поділити на чотири типи/етапи процесу:

• Виробництво біомаси (життєздатного клітинного матеріалу)
• Виробництво позаклітинних метаболітів (хімічних сполук)
• Виробництво внутрішньоклітинних компонентів (ферментів та інших білків)
• Трансформація субстрату (у якому трансформований субстрат сам є продуктом)

Ультразвукова обробка до, під час та після ферментації

Ультразвукова обробка, тобто застосування низькочастотних ультразвукових хвиль, може використовуватися до, під час та після ферментації різними способами та на різних етапах процесу ферментації.

Ультразвукова передферментаційна обробка – покращення доступності біомаси

1. Покращений масоперенос: Ультразвукова обробка як попередня обробка використовується для сприяння масопереносу та підвищення доступності субстрату для мікробів. Ультразвукове змішування сприяє масопереносу субстратів до мікробних клітин і продуктів від них. Ультразвукове інтенсифікування масопереносу може застосовуватися як попередня обробка, так і під час ферментації.
2. Руйнування клітин: Ультразвукова обробка може застосовуватися для руйнування клітинних стінок і мембран, особливо в культурах мікробів або дріжджів. Це допомагає вивільнити внутрішньоклітинні компоненти, такі як ферменти або метаболіти, що може покращити ефективність ферментації або полегшити подальші процеси.
3. Екстракція внутрішньоклітинних сполук: Ультразвукова обробка може сприяти екстракції внутрішньоклітинних сполук з біологічних матеріалів перед ферментацією. Це включає екстракцію ферментів, білків, нуклеїнових кислот або інших цільових сполук з клітин, тканин або рослинних матеріалів для подальшого використання у процесах ферментації.

Наприклад, ультразвукову попередню обробку лушпиння рису використовували для посилення ферментативного гідролізу з метою виробництва ксилоолігосахаридів за допомогою Aspergillus japonicus (вар. japonicus CY6-1). Завдяки ультразвуковій обробці виробництво целюлолітичних і ксиланолітичних ферментів із лушпиння рису суттєво підвищилося. Вихід геміцелюлози зріс у 1,4 раза за умов ультразвукової обробки, а час виробництва значно скоротився з 24 h до 1,5 h при 80ºC – з подальшим потенціалом оптимізації процесу. Ультразвуково оброблена біомаса набагато легше перетворюється грибами, тому стабільність ферментативної активності подовжується, а активність КМЦази, b-глюкозидази та ксиланози підвищується порівняно з необробленим ультразвуком лушпинням рису. Кінцевими продуктами ферментації були ксилотетраоза, ксилогексаоза та ксилоолігосахариди з вищою молекулярною масою. Вихід ксилогексаози з ультразвуково обробленого лушпиння рису був на 80% вищим.

Ультразвуково-асистована ферментація – стимуляція мікробів

• Змішування та гомогенізація: Ультразвукову обробку можна використовувати як техніку змішування під час ферментації. Застосування ультразвукових хвиль допомагає створити мікроструминня та сприяє однорідності, забезпечуючи рівномірний розподіл поживних речовин, газів і мікроорганізмів у ферментаційному реакторі.
• Посилення масопереносу: Пов’язане з покращеним змішуванням і гомогенізацією – це ультразвукове покращення швидкості масопереносу під час ферментації. Ультразвукові коливання та кавітація створюють локальну турбулентність і посилюють дифузію субстратів, газів і поживних речовин у ферментаційне середовище. Це може підвищити загальну ефективність і продуктивність процесу ферментації.
• Покращення життєздатності клітин і метаболічної активності: Ультразвукову обробку можна застосовувати до мікробних культур під час ферментації для підвищення життєздатності клітин і метаболічної активності. Помірна ультразвукова обробка може стимулювати певні мікроорганізми, сприяючи росту, виробництву біомаси та синтезу бажаних метаболітів або продуктів ферментації.

Точно контрольована та відтворювана ультразвукова обробка допомагає підвищити продуктивність різних процесів ферментації без пошкодження клітин. Інтенсивність ультразвукової обробки можна точно адаптувати до конкретного виду клітин та їхніх потреб. Завдяки контрольованій ультразвуковій обробці ріст і метаболізм клітин позитивно впливаються, а перетворення, каталізовані живими клітинами, суттєво покращуються, наприклад, стимулюючи біфідобактерії в молоці.
Для деяких процесів ферментації, керованих грибами, ультразвукова обробка успішно використовується для модифікації морфології росту та реології середовища без впливу на швидкість росту та вихід нитчастих грибів.

Ультразвукова постферментаційна обробка

• Збір і відділення клітин: Ультразвукова обробка може допомагати у зборі та відділенні клітин після ферментації. Вона може сприяти руйнуванню агрегатів клітин, флокулянтів або біоплівок, полегшуючи вивільнення клітин із ферментаційного середовища. Це спрощує подальші процеси, такі як відновлення клітин або очищення продукту.
• Екстракція внутрішньоклітинних продуктів: Після ферментації ультразвукову обробку можна використовувати для екстракції внутрішньоклітинних продуктів, таких як ферменти, білки або вторинні метаболіти, з мікробної або клітинної біомаси. Цей процес екстракції допомагає відновити цінні сполуки та підвищує загальний вихід процесу ферментації.
• Руйнування клітин для аналітичних цілей: Ультразвукову обробку можна застосовувати для руйнування клітин або мікробних зразків після ферментації, особливо для аналітичних цілей. Вона 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, гемицелюлаза, ліпаза, лактаза, стрептокіназа) та рекомбінантні білки (наприклад, інсулін, вакцина проти гепатиту B, інтерферон, гранулоцитарний колонієстимулюючий фактор, стрептокіназа), клітини необхідно лізувати / руйнувати після процесу ферментації для вивільнення цільових білків. За допомогою ультразвукової обробки полегшується екстракція внутрішньоклітинних і позаклітинних полісахаридно-білкових комплексів із в’язкого міцеліального середовища ферментації. Окрім видатної ефективності та виходу екстракції, ультразвукова обробка є добре зарекомендованим і надійним методом для лізису клітин та екстракції внутрішньоклітинної речовини.
Натисніть тут, щоб дізнатися більше про ультразвуковий лізис та екстракцію!

Ультразвукові біореактори для вдосконалених процесів ферментації

Hielscher Ultrasonics має багаторічний досвід у біопроцесах, стимульованих ультразвуком, таких як стимуляція клітин, ферментація, руйнування клітин та екстракція. Ми пропонуємо різноманітні стандартні ультразвукові реактори різних розмірів і геометрій для ультразвукової обробки в режимі партійної та проточної обробки. Альтернативно, ми пропонуємо індивідуальні рішення для інтеграції у ваш існуючий біореактор. Оскільки наші ультразвукові процесори є дуже універсальними та потребують лише небагато місця, їх можна без проблем встановити на існуючих біотехнологічних підприємствах.
Дізнайтеся більше про типи, конструкції та застосування ультразвукових реакторів тут!
У таблиці нижче наведено загальні рекомендації щодо обладнання залежно від об’єму партії або об’ємної витрати, що обробляється. Натисніть на тип обладнання, щоб отримати додаткову інформацію про кожен пристрій.

Література/Посилання

• 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.