Lò phản ứng sinh học siêu âm để lên men

Siêu âm là một phương tiện hiệu quả để kích thích vi sinh vật bằng các rung động cơ học và xâm thực. Trong lò phản ứng siêu âm? máy lên men siêu âm, việc xử lý siêu âm tế bào và mô trở nên có khả năng kiểm soát cao vì các yếu tố môi trường có thể được xác định chính xác. Với lò phản ứng sinh học siêu âm, sản lượng lên men có thể được tăng cường đáng kể.

Lên men

Hiệu quả của quá trình lên men phụ thuộc vào điều kiện quá trình: Chất dinh dưỡng, mật độ 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 phát triển mạnh trong một số điều kiện nhất định. Các điều kiện phù hợp kết hợp với kích thích siêu âm có thể tối đa hóa năng suất lên men.

Kích thích siêu âm vi sinh vật

Lên men là một quá trình trao đổi chất chuyển đổi đường thành axit, khí hoặc rượu. Nó xảy ra trong nấm men và vi khuẩn, và cả trong các tế bào cơ thiếu oxy, như trong trường hợp lên men axit lactic. Lên men cũng được sử dụng rộng rãi hơn để chỉ sự phát triển số lượng lớn của vi sinh vật trên môi trường tăng trưởng, thường với mục tiêu sản xuất một sản phẩm hóa học cụ thể.
Quá trình lên men được thực hiện trên 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 thực phẩm và công nghiệp nói chung. Các hóa chất, chẳng hạn như axit axetic, axit xitric và etanol được sản xuất bằng cách lên men. Tốc độ lên men bị ảnh hưởng bởi nồng độ của vi sinh vật, tế bào, thành phần tế bào và enzym cũng như nhiệt độ và độ pH. Đối với quá trình lên men hiếu khí, oxy cũng là một yếu tố quan trọng. Gần như tất cả các enzyme được sản xuất thương mại, chẳng hạn như lipase, invertase và rennet, được tạo ra bằng cách lên men với vi khuẩn biến đổi gen.

• Sản xuất sinh khối (vật liệu tế bào sống)
• Sản xuất các chất chuyển hóa ngoại bào (hợp chất hóa học)
• Sản xuất các thành phần nội bào (enzym và các protein khác)
• Sự biến đổi của chất nền (trong đó chất nền biến đổi chính là sản phẩm)

Siêu âm trước, trong và sau khi lên men

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

Xử lý trước khi lên men siêu âm – Cải thiện tính sẵn có của sinh khối

1. Cải thiện truyền khối lượng: Sonication như tiền xử lý được sử dụng để thúc đẩy truyền khối lượng và làm cho chất nền có sẵn nhiều hơn cho vi khuẩn. Trộn siêu âm thúc đẩy sự truyền khối lượng của chất nền đến và các sản phẩm ra khỏi các tế bào vi sinh vật. Tăng cường siêu âm truyền khối lượng có thể được áp dụng như tiền xử lý cũng như trong quá trình lên men.
2. Phá vỡ tế bào: Sonication có thể được sử dụng để phá vỡ thành và màng tế bào, đặc biệt là trong nuôi cấy vi sinh vật hoặc nấm men. Điều này giúp giải phóng các thành phần nội bào, chẳng hạn như enzym hoặc chất chuyển hóa, có thể cải thiện hiệu suất lên men hoặc tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình hạ lưu.
3. Chiết xuất các hợp chất nội bào: Sonication có thể hỗ trợ chiết xuất các hợp chất nội bào từ các 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 tiếp theo trong quá trình lên men.

Ví dụ, tiền xử lý siêu âm vỏ trấu được sử dụng để tăng cường thủy phân enzym cho sản xuất xylooligosaccharides của Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Bằng cách siêu âm, việc sản xuất các enzym phân giải cellulus và xylanolytic từ vỏ lúa được tăng cường đáng kể. Năng suất hemicellulose được tăng lên gấp 1,4 lần khi siêu âm và thời gian sản xuất được rút ngắn đáng kể từ 24 giờ xuống còn 1,5 giờ ở 80ºC – với tiềm năng tối ưu hóa quy trình hơn nữa. Sinh khối sonicated dễ dàng chuyển đổi hơn nhiều đối với nấm để sự ổn định của hoạt động enzyme được mở rộng và hoạt động của CMCase, b-glucosidase và xylanase được tăng lên so với vỏ gạo không sonicated. Các sản phẩm lên men cuối cùng là xylotetraose, xylohexaose, và xylooligosaccharides trọng lượng phân tử cao hơn. Năng suất xylohexaose từ vỏ lúa sonicated cao hơn 80%.

Lên men hỗ trợ siêu âm – Kích thích vi khuẩn

• Trộn và đồng nhất: Sonication có thể được sử dụng như một kỹ thuật trộn trong quá trình lên men. Việc ứng dụng sóng siêu âm giúp tạo ra vi luồng và thúc đẩy tính đồng nhất, đảm bảo phân bố đồng đều các chất dinh dưỡng, khí và vi sinh vật trong bình lên men.
• Tăng cường truyền hàng loạt: Liên quan đến việc cải thiện trộn và đồng nhất là tốc độ truyền khối được cải thiện bằng sóng siêu âm trong quá trình lên men. Dao động và xâm thực siêu âm tạo ra nhiễu loạn cục bộ và tăng cường sự khuếch tán của chất nền, khí và chất dinh dưỡng vào nước dùng lên men. Điều này có thể cải thiện hiệu quả tổng thể và năng suất của quá trình lên men.
• Cải thiện khả năng tồn tại của tế bào và hoạt động trao đổi chất: Sonication có thể được áp dụng cho nuôi cấy vi sinh vật trong quá trình lên men để tăng cường khả năng tồn tại của tế bào và hoạt động trao đổi chất. Siêu âm nhẹ có thể kích thích một số vi sinh vật, thúc đẩy tăng trưởng, sản xuất sinh khối và tổng hợp các chất chuyển hóa hoặc sản phẩm lên men mong muốn.

Quá trình siêu âm có thể kiểm soát chính xác và lặp lại giúp cải thiện năng suất của các quá trình lên men khác nhau mà không làm hỏng tế bào. Cường độ siêu âm có thể được điều chỉnh chính xác với các loài tế bào cụ thể và yêu cầu của nó. Bằng cách siêu âm có kiểm soát, sự phát triển và trao đổi chất của tế bào bị ảnh hưởng tích cực và sự chuyển đổi được xúc tác bởi các tế bào sống được cải thiện đáng kể, ví dụ như kích thích Bifidobacteria trong sữa.
Đối với một số quá trình lên men do nấm, siêu âm được sử dụng thành công để sửa đổi hình thái tăng trưởng và lưu biến nước dùng mà không ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng và năng suất của nấm sợi.

Xử lý sau lên men siêu âm

• Thu hoạch và tách tế bào: Sonication có thể hỗ trợ thu hoạch và tách tế bào sau khi lên men. Nó có thể hỗ trợ phá vỡ các tập hợp tế bào, chất keo tụ hoặc màng sinh học, tạo điều kiện giải phóng tế bào từ nước dùng lên men. Điều này đơn giản hóa các quy trình hạ nguồn tiếp theo, chẳng hạn như thu hồi tế bào hoặc tinh chế sản phẩm.
• Chiết xuất các sản phẩm nội bào: Sau khi lên men, siêu âm có thể được sử dụng để chiết xuất các sản phẩm nội bào, chẳng hạn như enzyme, protein hoặc 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 năng suất tổng thể của quá trình lên men.
• Sự phân hủy tế bào cho mục đích phân tích: Siêu âm có thể được áp dụng để phá vỡ các tế bào hoặc mẫu vi sinh vật sau khi lên men, đặc biệt là cho mục đích phân tích. Nó hỗ trợ ly giải tế bào và giải phóng các nội dung nội bào, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân tích các thành phần tế bào hoặc thực hiện các xét nghiệm hạ lưu.

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 khuẩn lạc bạch cầu hạt, streptokinase), các tế bào phải được ly giải? phá vỡ sau quá trình lên men để giải phóng các protein mong muốn. Bằng cách siêu âm, việc chiết xuất phức hợp polysaccharide-protein nội bào và ngoại bào từ nước dùng lên men sợi nấm nhớt được tạo điều kiện thuận lợi. Bên cạnh năng suất chiết xuất và hiệu quả vượt trội, quá trình siêu âm đã được thiết lập tốt và đáng tin cậy để ly giải tế bào và chiết xuất vật chất nội bào.
Bấm vào đây để đọc mor về ly giải và chiết xuất siêu âm!

Lò phản ứng sinh học siêu âm để cải thiện quá trình lên men

Hielscher Ultrasonics có kinh nghiệm lâu năm với các quy 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 các lò phản ứng siêu âm tiêu chuẩn khác nhau với kích thước và hình dạng khác nhau để siêu âm ở chế độ hàng loạt và dòng chảy. Ngoài ra, chúng tôi cung cấp các giải pháp tùy chỉnh để tích hợp vào lò phản ứng sinh học hiện có của bạn. Vì bộ xử lý siêu âm của chúng tôi rất linh hoạt và chỉ yêu cầu không gian nhỏ, nên việc trang bị thêm vào các nhà máy công nghệ sinh học hiện có có thể được thực hiện mà không gặp vấn đề gì.
Đọc thêm về các loại, thiết kế và ứng dụng lò phản ứng siêu âm tại đây!
Bảng dưới đây cho biết các khuyến nghị chung về thiết bị tùy thuộc vào khối lượng lô hoặc tốc độ dòng chảy được xử lý. Nhấp vào loại thiết bị để biết thêm thông tin về từng thiết bị.

Văn học/Tài liệu tham khảo