Pharma: Zell Desintegration
ANWENDUNGSZWECK
Aufbrechen von Hefezellen, um die Extraktion wertvoller Verbindungen zu ermöglichen, die für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie von Interesse sind, wie Enzyme, Pigmente, Vitamine oder bioaktive Verbindungen.
HERAUSFORDERUNGEN
Das Aufbrechen der Zellwand ist entscheidend für die effiziente Extraktion intrazellulärer Bestandteile1. Das Aufbrechen kann eine ziemliche Herausforderung sein, da die Hefezellen durch eine starre Zellwand geschützt sind, die sie vor einer Lyse schützt.
WIE HABEN WIR ES GESCHAFFT?
Lebende Organismen besitzen biologisch aktive Enzyme, die für verschiedene Zwecke extrahiert werden können. Insbesondere mikrobielle Zellen sind seit langem als wertvolle Quellen für kommerziell wichtige Chemikalien, Antibiotika und Enzyme bekannt. Halophile Pilze wie Trimatostroma salinum, Wallemia ichthyophaga, Hortaea werneckii und Phaeotheca triangularis bieten eine potenzielle Quelle für wertvolle bioaktive Verbindungen, Enzyme und Proteine, die für die pharmazeutische Industrie von Interesse sind. Zur Extraktion von Enzymen aus den Zellen dieser halophilen Pilze werden in der Regel mechanische Verfahren eingesetzt2.
Es wurden verschiedene mechanische Methoden zur Zelllyse erforscht, z. B. Hochdruckhomogenisierung, Kugelmühle und Rotor-Stator-Systeme. Kinematica ist bekannt für seine Rotor-Stator-Anlagen, die nachweislich bestimmte Zellen aufbrechen, wie z. B. den Pilz Fusarium, für den die DNA-Isolierung mit Hilfe von POLYTRON® PT 1200C durchgeführt wurde3. Die Hochdruckhomogenisierung ist jedoch für ein breiteres Spektrum von Zelltypen geeignet und kann eine hohe Dispergiereffizienz erzielen.
Kinematica engagiert sich für Spitzentechnologien mit höchster Effizienz, die über Rotor-Stator-Systeme hinausgehen. So entstand in Zusammenarbeit mit der ETH Zürich der neuartige ATOMIX® als Alternative zu herkömmlichen Hochdruckhomogenisatoren. Mit seinem neuen und patentierten Design der Arbeitskammer löst ATOMIX® die Probleme, die herkömmliche Geräte aufweisen.
DIE KINEMATICA LÖSUNG
Die gebräuchlichsten Arbeitskammern (auch Interaktionskammern genannt) werden in zwei Gruppen unterteilt: den Radialdiffusor und den Gegenstrahl-Dispergator4. Diese Konstruktionen der Interaktionskammern ermöglichen zwei Szenarien: entweder trifft ein Flüssigkeitsstrahl auf eine stationäre Wand oder mehrere Strahlen stoßen miteinander zusammen. Diese Konstruktionen fördern Strömungsinteraktionen, die zu Koaleszenz führen können, weisen einige Totzonen auf und es gibt Zonen in der Kammer mit höherer Kavitation.
Common interaction chambers in high pressure homogenizers. (Gall et al., 2016)
Das spezielle und überarbeitete Design der Arbeitskammer von ATOMIX® fördert eine große Menge an Dehnströmung, die für einen effizienten Tröpfchenaufbruch bei Emulsionen mit hohen Viskositätsverhältnissen entscheidend und für den Zellaufschluss von Vorteil ist. Außerdem weist die Interaktionskammer keine Totzonen auf, die Kavitation wird reduziert, was die Leistung verbessert, und die Strömung wird kontrolliert, was zu einer besseren Produktqualität führt.
Die Hefezellsuspensionen wurde mit ATOMIX® und einem beliebten Konkurrenzprodukt verarbeitet. Die Ergebnisse mit ATOMIX® zeigen eine höhere Volumendichte bei kleineren Zelldurchmessern bei gleichem Druck - nach einem Durchgang. Dies führt dazu, dass mehr Zellen in kleinere Partikel aufgespalten werden und somit die Extraktionsprozesse einfacher und mit höherer Ausbeute in kürzerer Zeit ablaufen!
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1 Liu, Dan, et al. “Yeast Cell Disruption Strategies for Recovery of Intracellular Bio-Active Compounds — A Review.” Innovative Food Science & Emerging Technologies, vol. 36, 2016, pp. 181–92, https://doi.org/10.1016/j.ifset.2016.06.017.
2 Primožič, M., Čolnik, M., Knez, Ž., & Leitgeb, M. (2019). Release of Halophilic Extremozymes by Mechanical Cell Disruption. Acta Chimica Slovenica, 217–228. https://doi.org/10.17344/acsi.2018.4799
3 de Nijs, Monique, et al. “Isolation of Fusarium DNA for Molecular Analysis with and without Mechanical Cell Disruption.” Journal of Microbiological Methods, vol. 27, no. 1, Sept. 1996, pp. 13–17, https://doi.org/10.1016/0167-7012(96)00920-7.
4 Gall, Vanessa, et al. “Extending Applications of High-Pressure Homogenization by Using Simultaneous Emulsification and Mixing (SEM)—An Overview.” Processes, vol. 4, no. 4, Nov. 2016, p. 46, https://doi.org/10.3390/pr4040046.
