Thiết bị phản ứng sinh học siêu âm dùng cho lên men

Siêu âm là phương pháp hiệu quả để kích thích vi sinh vật bằng dao động cơ học và hiện tượng xâm thực. Trong thiết bị phản ứng sinh học siêu âm / thiết bị lên men siêu âm, quá trình xử lý tế bào và mô bằng siêu âm có thể được kiểm soát ở mức độ cao vì các yếu tố môi trường có thể được xác định chính xác. Với thiết bị phản ứng sinh học siêu âm, sản lượng lên men có thể được nâng cao đáng kể.

Lên men

Hiệu quả lên men phụ thuộc vào các điều kiện của quá trình: Chất dinh dưỡng, khối lượng riêng của môi trường, nhiệt độ, hàm lượng oxy / khí và áp suất là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật. Vi sinh vật cũng như tế bào động vật có vú chỉ sinh trưởng mạnh trong những điều kiện nhất định. Các điều kiện phù hợp kết hợp với kích thích bằng siêu âm có thể tối đa hóa năng suất lên men.

Kích thích vi sinh vật bằng siêu âm

Lên men là quá trình trao đổi chất chuyển hóa đường thành axit, khí hoặc cồn. Quá trình này diễn ra ở nấm men và vi khuẩn, cũng như trong các tế bào cơ thiếu oxy, chẳng hạn như trong quá trình lên men axit lactic. Thuật ngữ lên men còn được dùng theo nghĩa rộng hơn để chỉ sự sinh trưởng với số lượng lớn của vi sinh vật trên môi trường nuôi cấy, thường nhằm mục đích tạo ra một sản phẩm hóa học cụ thể.
Các quá trình lên men được thực hiện ở quy mô công nghiệp bằng cách sử dụng các vi sinh vật như vi khuẩn và nấm để lên men. Các sản phẩm lên men được sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm và công nghiệp nói chung. Các hóa chất như axit axetic, axit citric và ethanol được sản xuất bằng quá trình lên men. Tốc độ lên men chịu ảnh hưởng của nồng độ vi sinh vật, tế bào, các thành phần tế bào và enzyme, cũng như nhiệt độ và pH. Đối với lên men hiếu khí, oxy cũng là một yếu tố then chốt. Gần như tất cả các enzyme được sản xuất thương mại, như lipase, invertase và rennet, đều được tạo ra bằng quá trình lên men sử dụng vi sinh vật biến đổi gen.

• Sản xuất sinh khối (vật chất tế bào còn sống)
• Sản xuất các chất chuyển hóa ngoại bào (các hợp chất hóa học)
• Sản xuất các thành phần nội bào (enzyme và các protein khác)
• Chuyển hóa cơ chất (trong đó chính cơ chất đã chuyển hóa là sản phẩm)

Xử lý bằng siêu âm trước, trong và sau quá trình lên men

Xử lý bằng siêu âm, tức là ứng dụng sóng siêu âm tần số thấp, có thể được sử dụng trước, trong và sau quá trình lên men theo nhiều cách và ở các giai đoạn khác nhau của quá trình lên men.

Xử lý bằng siêu âm trước khi lên men – Cải thiện khả năng sử dụng sinh khối

1. Cải thiện truyền khối: Xử lý bằng siêu âm được sử dụng như một bước tiền xử lý để thúc đẩy truyền khối và giúp vi sinh vật dễ tiếp cận cơ chất hơn. Trộn bằng siêu âm thúc đẩy quá trình truyền khối, đưa cơ chất đến các tế bào vi sinh vật và đưa sản phẩm ra xa các tế bào này. Việc tăng cường truyền khối bằng siêu âm có thể được áp dụng ở bước tiền xử lý cũng như trong quá trình lên men.
2. Phá vỡ tế bào: Xử lý bằng siêu âm có thể được sử dụng để phá vỡ thành và màng tế bào, đặc biệt trong các hệ nuôi cấy vi sinh vật hoặc nấm men. Điều này giúp giải phóng các thành phần nội bào, như enzyme hoặc các chất chuyển hóa, có thể cải thiện hiệu quả lên men hoặc tạo thuận lợi cho các công đoạn xử lý tiếp theo.
3. Chiết xuất các hợp chất nội bào: Xử lý bằng siêu âm có thể hỗ trợ chiết xuất các hợp chất nội bào từ vật liệu sinh học trước khi lên men. Điều này bao gồm chiết xuất enzyme, protein, axit nucleic hoặc các hợp chất mục tiêu khác từ tế bào, mô hoặc vật liệu thực vật để sử dụng sau đó trong các quá trình lên men.

Ví dụ, tiền xử lý vỏ trấu bằng siêu âm đã được sử dụng để tăng cường quá trình thủy phân bằng enzyme nhằm sản xuất xylooligosaccharide nhờ Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Việc xử lý bằng siêu âm đã tăng cường đáng kể khả năng sản xuất các enzyme phân giải cellulose và xylan từ vỏ trấu. Khi xử lý bằng siêu âm, hiệu suất thu hồi hemicellulose tăng lên gấp 1,4 lần và thời gian sản xuất được rút ngắn đáng kể từ 24 h xuống còn 1,5 h ở 80ºC – đồng thời vẫn còn tiềm năng tối ưu hóa quy trình hơn nữa. Sinh khối đã xử lý bằng siêu âm dễ được nấm chuyển hóa hơn nhiều, nhờ đó độ ổn định của hoạt tính enzyme được duy trì lâu hơn và hoạt tính của CMCase, b-glucosidase và xylanase tăng lên so với vỏ trấu không được xử lý bằng siêu âm. Các sản phẩm lên men cuối cùng là xylotetraose, xylohexaose và các xylooligosaccharide có khối lượng phân tử cao hơn. Hiệu suất thu hồi xylohexaose từ vỏ trấu đã xử lý bằng siêu âm cao hơn 80%.

Lên men có hỗ trợ siêu âm – Kích thích vi sinh vật

• Trộn và đồng nhất hóa: Xử lý bằng siêu âm có thể được sử dụng như một kỹ thuật trộn trong quá trình lên men. Việc áp dụng sóng siêu âm giúp tạo ra các dòng chảy vi mô và tăng tính đồng nhất, bảo đảm chất dinh dưỡng, khí và vi sinh vật phân bố đồng đều trong bình lên men.
• Tăng cường truyền khối: Việc cải thiện khả năng trộn và đồng nhất hóa đi liền với sự gia tăng tốc độ truyền khối nhờ siêu âm trong quá trình lên men. Dao động siêu âm và hiện tượng xâm thực tạo ra dòng chảy rối cục bộ và tăng cường sự khuếch tán của cơ chất, khí và chất dinh dưỡng vào dịch lên men. Điều này có thể cải thiện hiệu quả và năng suất tổng thể của quá trình lên men.
• Cải thiện khả năng sống của tế bào và hoạt động trao đổi chất: Có thể xử lý các hệ nuôi cấy vi sinh vật bằng siêu âm trong quá trình lên men để tăng khả năng sống của tế bào và hoạt động trao đổi chất. Xử lý bằng siêu âm ở cường độ nhẹ có thể kích thích một số vi sinh vật nhất định, thúc đẩy sinh trưởng, tạo sinh khối và tổng hợp các chất chuyển hóa hoặc sản phẩm lên men mong muốn.

Quá trình xử lý bằng siêu âm có thể kiểm soát chính xác và lặp lại giúp cải thiện năng suất của nhiều quy trình lên men mà không làm tổn thương tế bào. Cường độ xử lý bằng siêu âm có thể được điều chỉnh chính xác cho phù hợp với từng loài tế bào cụ thể và các yêu cầu của chúng. Xử lý bằng siêu âm có kiểm soát tác động tích cực đến sự sinh trưởng và trao đổi chất của tế bào, đồng thời cải thiện đáng kể các quá trình chuyển hóa do tế bào sống xúc tác, ví dụ như kích thích Bifidobacteria trong sữa.
Đối với một số quy trình lên men nhờ nấm, xử lý bằng siêu âm được sử dụng thành công để điều chỉnh hình thái sinh trưởng và đặc tính lưu biến của dịch lên men mà không ảnh hưởng đến tốc độ sinh trưởng và hiệu suất tạo sinh khối của nấm sợi.

Xử lý bằng siêu âm sau lên men

• Thu hoạch và phân tách tế bào: Xử lý bằng siêu âm có thể hỗ trợ thu hoạch và phân tách tế bào sau lên men. Phương pháp này có thể giúp phá vỡ các khối kết tụ tế bào, chất tạo bông hoặc màng sinh học, tạo thuận lợi cho việc giải phóng tế bào khỏi dịch lên men. Điều này đơn giản hóa các công đoạn xử lý tiếp theo, chẳng hạn như thu hồi tế bào hoặc tinh sạch sản phẩm.
• Chiết xuất các sản phẩm nội bào: Sau lên men, có thể sử dụng siêu âm để chiết xuất các sản phẩm nội bào, chẳng hạn như enzyme, protein hoặc các chất chuyển hóa thứ cấp, từ sinh khối vi sinh vật hoặc tế bào. Quá trình chiết xuất này giúp thu hồi các hợp chất có giá trị và cải thiện hiệu suất tổng thể của quá trình lên men.
• Phá vỡ tế bào phục vụ mục đích phân tích: Có thể sử dụng siêu âm để phá vỡ tế bào hoặc mẫu vi sinh vật sau lên men, đặc biệt nhằm phục vụ mục đích phân tích. Phương pháp này hỗ trợ ly giải tế bào và giải phóng các thành phần bên trong tế bào, tạo thuận lợi cho việc phân tích các thành phần tế bào hoặc thực hiện các phép thử tiếp theo.

Để sản xuất các thành phần nội bào như enzyme vi sinh vật (ví dụ: catalase, amylase, protease, pectinase, glucose isomerase, cellulase, hemicellulase, lipase, lactase, streptokinase) và protein tái tổ hợp (ví dụ: insulin, vắc-xin viêm gan B, interferon, yếu tố kích thích tạo cụm bạch cầu hạt, streptokinase), tế bào phải được ly giải / phá vỡ sau quá trình lên men để giải phóng các protein mong muốn. Xử lý siêu âm giúp chiết xuất các phức hợp polysaccharide–protein nội bào và ngoại bào từ dịch lên men hệ sợi nấm có độ nhớt cao dễ dàng hơn. Bên cạnh hiệu suất và hiệu quả chiết xuất vượt trội, xử lý siêu âm còn là phương pháp đã được ứng dụng rộng rãi và đáng tin cậy để ly giải tế bào và chiết xuất vật chất nội bào.
Nhấp vào đây để đọc thêm về ly giải và chiết xuất bằng siêu âm!

Thiết bị phản ứng sinh học siêu âm giúp cải thiện các quá trình lên men

Hielscher Ultrasonics có kinh nghiệm lâu năm về các quá trình sinh học được kích thích bằng siêu âm như kích thích tế bào, lên men, phá vỡ tế bào và chiết xuất. Chúng tôi cung cấp nhiều thiết bị phản ứng siêu âm tiêu chuẩn với kích thước và hình dạng khác nhau để xử lý siêu âm theo chế độ mẻ và dòng chảy qua. Ngoài ra, chúng tôi cung cấp các giải pháp tùy chỉnh để tích hợp vào thiết bị phản ứng sinh học hiện có của bạn. Vì các bộ xử lý siêu âm của chúng tôi rất đa năng và chỉ cần ít không gian, việc lắp bổ sung vào các nhà máy công nghệ sinh học hiện có có thể được thực hiện dễ dàng.
Đọc thêm về các loại thiết bị phản ứng siêu âm, thiết kế và ứng dụng tại đây!
Bảng dưới đây đưa ra các khuyến nghị chung về thiết bị tùy theo thể tích mẻ hoặc lưu lượng cần xử lý. Nhấp vào loại thiết bị để biết thêm thông tin về từng thiết bị.

Tài liệu/Tài liệu tham khảo

• 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.