Microbiologia industriale con slide per l'esame, prof. Rollini

Microbiologia industriale: lezione 1, 26/02

Esami: 21 giugno - 3 luglio - 23 luglio - 19 settembre.

Esame unico scritto di 8 CFU.

Non c'è salto di appello.

Domande aperte.

Microbiologia industriale

Tratti della microbiologia industriale

Come nasce e in quale ambito scientifico si applica. La microbiologia è una disciplina recente dal punto di vista dell’evoluzione delle popolazioni, tuttavia il settore alimentare ha origini ben più antiche fin da quando l’uomo si è ritrovato a vivere in popolazioni. La microbiologia industriale nasce applicando elementi microbici selezionati per chiare esigenze di processo.

Nel 1780 primo processo selezionato per fare cellule che lievitino un impasto, vendere queste cellule e avere un ricavo. Tra gli egizi e il 1780 abbiamo l’evoluzione delle metodiche di laboratorio e degli accessori utili all’analisi.

Il lievito da pane una volta non si vendeva così selezionato, ma si usava un residuo che proveniva dalla lavorazione della birra.

Alla fine del 1800 per la prima volta viene allestito un impianto industriale di un prodotto derivato da un microrganismo che è l’acido lattico.

Tale acido è un acidulante e viene prodotto dai batteri lattici.

Scoperta della penicillina

Nel 1928-29 viene scoperta la penicillina da Fleming, un microbiologo clinico che si occupava di streptococchi, cocchi che si trovano nella gola. Un giorno trovò una piastra con colonie di streptococchi e una muffa (inquinante). Nota che ad una certa distanza dalla muffa non c’era più neanche una colonia di streptococco, capendo così che la muffa andava a uccidere gli streptococchi.

Prese un’ansa e piastrò su una nuova piastra Petri la muffa ottenendo così una coltura di un ceppo particolare di Penicillium da cui è stata poi estratta la penicillina. Questa muffa era in grado di produrre un composto, da noi definito penicillina, in grado di eliminare gli streptococchi. Nascono così gli antibiotici.

Nel 1940 ci sono le prime aziende che in America riescono ad usare la penicillina per curare le malattie infettive da microrganismi.

Quaderno di Alessandro Magro

Intorno agli anni ’70 nasce la tecnologia del DNA ricombinante, che è stata un’importante applicazione biotecnologica.

La biotecnologia la definiamo come l’applicazione deliberata e controllata di agenti biologici semplici: cellule microbiche, vegetali, animali, vive o morte, o componenti cellulari in operazioni tecnologiche utili, per la produzione sia di beni che di servizi.

Un processo biotecnologico non è solamente un processo di applicazione tecnologica al DNA, anche la produzione di lievito da pane è un processo biotecnologico. La depurazione degli effluenti è essa stessa un processo di natura biotecnologica, sto lavorando sui microrganismi.

Beni

• Biomasse per la nutrizione umana o animale, faccio crescere cellule microbiche che vengono usate nell’alimentazione umana o animale.
• Commodities chimiche: Es. acido citrico, acido glutammico.
• Specialità quali vitamine e antibiotici.
• Starters ed enzimi prodotti da batteri.
• Probiotici e vaccini: un probiotico è un microorganismo che se ingerito è in grado di arrivare fino all’intestino e riuscire a colonizzare l’intestino con effetti benefici sulla salute dell’uomo. L’Activia è per esempio un probiotico contenente batteri.
• Inoculanti del suolo e delle piante.

Servizi

• Trattamento di depurazione degli effluenti: un’acqua inquinata va depurata, si usano microrganismi che si cibano degli inquinanti presenti nell’acqua riducendone la loro concentrazione.
• Valorizzazione dei residui agro-industriali: il settore agricolo ha degli scarti che possono diventare importanti. Nelle insalate di IV gamma che sono già pronte e lavate da mangiare. Le aziende che producono tali vegetali si trovano nella parte est della Lombardia. Tali aziende hanno il 50% di ciò che raccolgono dal campo scartato. Si utilizzano le parti scartate per produrre qualcosa di utile come per esempio la produzione di metano a partire dai residui del settore agro-alimentare. Anche i produttori di succhi di frutta, aziende in Emilia Romagna, hanno frutta che deve diventare succo e hanno grandissime quantità di scarto come nocciolo e buccia. Posso valorizzare tali prodotti di scarto trattandoli con dei microorganismi.
• Diagnostica e terapia mirata: anticorpi monoclonali.

Fermentazione

La fermentazione è una via metabolica che si instaura in assenza di ossigeno producendo per esempio acido lattico, butirrico o propionico.

La definiamo in senso lato affermando che una fermentazione è un processo che prevede l’impiego di un microorganismo sia in condizioni di aerobiosi che di anaerobiosi.

Quaderno di Alessandro Magro

Le fermentazioni tradizionali sono quelle che si conoscono dalle scienze di base e con tale termine intendiamo i processi di produzione della birra, vino, yogurt e lievito.

Le fermentazioni moderne nascono con il secondo dopoguerra e prevedono impiego di un bio-reattore controllato nelle condizioni delle variabili di processo e l’uso consapevole dei microorganismi.

In un processo microbiologico industriale possiamo semplificare ciò che avviene in un’industria con un’equazione banale.

Equazione di un processo biotecnologico

Il prodotto che si porta sul mercato deve produrre profitto. Se per produrre P spendiamo più di quello che ricaviamo dalla sua vendita allora stiamo sbagliando. Il processo deve essere economicamente conveniente, dobbiamo sfruttare il microrganismo per produrre qualcosa che poi possiamo vendere.

In un processo controllato non è un solo microrganismo che viene impiegato, ma una popolazione mista; ad esempio nella produzione di formaggio ho una coltura mista di batteri lattici. In altri casi tuttavia ho bisogno di una coltura pura, contenente un solo tipo di microrganismo, che sia mantenuto in un modo per cui posso far ripartire il processo tutte le volte e ottenere sempre lo stesso tipo di prodotto.

Con determinate restrizioni posso utilizzare degli organismi geneticamente modificati, che hanno subito una manipolazione genetica. Nel settore alimentare questo non sempre è consentito, oppure lo è solo se si conduce il processo con una serie ristretta e limitata di procedure. Spesso nel settore alimentare è necessario che i microrganismi appartengano a determinate categorie come per esempio la GRAS (Generally Recognized As Safe).

Nella produzione di yogurt non posso acidificare con un Escherichia coli perché non sono organismi sicuri, posso usare batteri lattici GRAS, ovvero microorganismi che sono sicuramente sicuri e non portano all’instaurarsi di patologie e nella loro famiglia di microorganismi non hanno nessuno che abbia anche una patogenicità limitata.

Dove prende l’azienda i microrganismi?

1. Isolo da un ambiente naturale: posso isolare una serie di micro e vedere se qualcuno fa al caso mio per il processo che devo attuare.
2. Acquisto tramite società che si occupano di collezionare, classificare e mantenere i microrganismi. Si chiamano collezioni ufficiali, sono sparse per tutto il mondo e sono enti a cui ci si può rivolgere per avere un microrganismo. ATCC → importante americana.

Ci si rivolge alle collezioni per acquistare dei ceppi. Un ente che fa didattica e ricerca per i microrganismi può averli dalle collezioni pagando una cifra irrisoria. Un’azienda tuttavia non ha un accesso così facile, deve concordare un prezzo con la collezione perché l’azienda ricava un profitto da un processo microbiologico e la cessione di un ceppo non è così immediata. La collezione contratta con l’azienda il costo in relazione al ricavo che l’azienda avrà da quell’utilizzo. Per alcune aziende l’unica alternativa è l’isolamento da habitat naturale.

Audio rielaborato!

Microbiologia industriale: lezione 2, 5/03/2019

Non serve risentire audio!

Possibilità di sfruttare i microrganismi su larga scala per produrre un bene o fare in modo che ci diano un servizio.

Equazione del processo biotecnologico → substrato + microrganismo a dare un prodotto.

Un microrganismo può essere una popolazione mista, quindi batteri diversi, muffe o funghi. Posso avere colture pure, per la maggior parte dei processi industriali è così.

Posso isolarli da habitat particolari o acquistarli da collezioni ufficiali e servono a mantenere la biodiversità fra i microrganismi. Ci sono dei siti web, ogni collezione ufficiale si specializza in microorganismi, posso selezionare e acquistare quelli che voglio. In Italia più usata è la collezione europea.

Le aziende cercano di isolare un ceppo che serve da sole senza acquistarlo per risparmiare i costi.

Substrato per i microrganismi

Serve per la crescita del microorganismo per ottenere il prodotto che vogliamo. Il substrato è fondamentale nell’efficienza del processo fermentativo.

Formulando un terreno colturale in azienda si tratta di 1000 metri cubi, un milione di litri. Se abbiamo un ingrediente con 100 g per litro devo avere 100 g per un milione. Si lavora con numeri grandi e dobbiamo essere accurati.

Il costo sul processo fermentativo è elevato. Il 50 percento del costo del processo deriva dalla formulazione degli ingredienti. Se sbaglio a scegliere un ingrediente posso far costare di più il processo ed ottenere un ricavo ridicolo andando in perdita. Tutte le aziende che operano nel settore della micro industriale sono alla ricerca dei substrati più economici in assoluto e contemporaneamente il substrato deve essere economico e funzionale al mio microrganismo. L’organismo deve riuscire ad utilizzare al meglio il substrato.

Le aziende li possono recuperare dai residui del settore agroalimentare.

Quaderno di Alessandro Magro

Se serve del lattosio non comprerò il lattosio in polvere ma recupero il siero di latte, un residuo del settore lattiero-caseario e riutilizzo recuperandolo e facendo crescere i miei microorganismi con esso. È fondamentale la scelta del substrato.

Nella scelta del substrato devo tenere in considerazione

1. Il costo.
2. La disponibilità: se devo fare una purea di frutta devo considerare che c’è un periodo in cui posso raccogliere le albicocche come maggio/giugno. Recupero il residuo della purea delle albicocche, ma io devo lavorare anche quando non è più presente questo residuo quindi negli altri mesi. L’azienda deve avere possibilità di stoccarlo, ovvero di conservarlo. Stiamo parlando di tir di residuo.
3. Facilità di trasporto e stoccaggio.
4. Sterilizzabile: in un processo di microbiologia la sterilizzazione è fondamentale, eliminare i micro presenti in un terreno colturale e mettere dentro solo quello che mi interessa. Devo eliminare altri microrganismi per non rischiare di incombere in uno spreco per danni al processo.

Uno dei problemi più grossi è la gestione del processo fermentativo in un fermentatore. Se ho un brodo con dentro parecchi ingredienti, se ho un micro aerobio che necessita aria allora devo insufflare aria nel fermentatore enorme. La conseguenza è la formazione di schiuma all’interno del fermentatore.

Gli ingredienti che scelgo devono fornire le più alte rese di conversione e fermentazione → approfondiamo dopo.

Devo avere la minima formazione di prodotti secondari ovvero prodotti che fa il microrganismo insieme a ciò che a me interessa per la mia produzione, più produce prodotti secondari e più disperde energia e rende difficoltoso il recupero di ciò che mi interessa.

Il substrato non deve presentare problemi di tossicità, possibilità di esplosione e che prenda fuoco.

Devo scegliere il micro, un substrato con caratteristiche particolari.

Prodotto

Qualsiasi cosa ottenga, il suo ottenimento deve essere un processo economicamente conveniente. Per esempio prendo micro per produrre acido glutammico, esaltatore di sapidità nei dadi da brodo. Posso produrre acido glutammico per via microbica o per sintesi chimica a partire da substrati di sintesi.

Se voglio il mio acido glutammico per via microbica allora questo deve essere economicamente conveniente, deve essere competitivo con la via della sintesi chimica. La biotecnologia applicata su scala industriale ha a che fare con le aziende e pertanto le società devono guadagnare e sfruttare i procedimenti economicamente convenienti.

I costi di produzione sono quelli relativi al processo e alla fine alla purificazione del prodotto. Tutta la filiera deve essere conveniente.

I prodotti che possiamo avere dalla micro industriale sono composti

1. Metaboliti primari: sono prodotti dalla cellula che sto considerando mentre la cellula si sta sviluppando. Ad esempio acido lattico per un batterio lattico.
2. Metaboliti secondari: composti che il micro sintetizza non durante lo sviluppo delle cellule ma in fase stazionaria. Ricordiamo la curva di sviluppo microbico.

Se vogliamo fare cellule o metaboliti primari devo spegnere il fermentatore quando finisce la fase esponenziale. Se voglio i metaboliti secondari devo portare avanti nel tempo il processo fermentativo e dare tempo al microrganismo di entrare in fase stazionaria e di iniziare ad aprire quelle vie metaboliche che fino alla fine della fase esponenziale sono interrotte.

Quaderno di Alessandro Magro

Prodotti della microbiologia industriale

Posso recuperare i prodotti e venderli a qualcun altro.

Le biomasse le posso far crescere perché voglio vendere ciò che c’è dentro, ad esempio ci sono biomasse del genere Candida utilis che si prelevano per inserirle nei mangimi per accrescerne il valore nutrizionale. Produce le candide per vendere al settore della mangimistica. Posso altrimenti fare biomasse di funghi, i funghi sono macrorganismi che non sono organizzati in tessuti e cellule.

Posso fare biomasse di lievito, lisare le cellule per fare estratti vitaminici che usiamo come integrazione. Oppure faccio lievito da pane che poi vendo al supermercato in panetti e chi vuole lo usa per far lievitare la pizza.

Posso produrre batteri lattici e venderli a chi fa yogurt, formaggio ecc.

Le colture insetticide sono colture di microorganismi che si usano sperse sul suolo e hanno un’azione specifica e selettiva su alcuni insetti, oppure posso fare colture da inserire nei fanghi di depurazione per far funzionare un depuratore.

In tutti i casi se faccio biomassa io scarico il fermentatore quando vedo la fase di decelerazione. Non ha senso portare avanti il processo fermentativo se non ho un aumento di biomassa consistente.

Per i metaboliti primari stessa cosa, sono prodotti sempre nel corso dello sviluppo microbico come l’acido lattico dei batteri lattici.

I batteri lattici rilasciano acido lattico nel terreno e alla fine del processo posso separare la biomassa ed estrarre l’acido lattico dalla parte liquida. Anche qui fermo il processo industriale quando vedo la decelerazione.

Esempi di metaboliti primari

• Acido lattico.
• Butirrico.
• Citrico.
• Amminoacidi e intermedi.
• Alcoli.
• Polialcoli.
• Carboidrati.
• Vitamine.
• Nucleotidi.
• Lipidi.
• Proteine.

I metaboliti secondari hanno processo industriale più lungo, devono raggiungere la fase stazionaria perché si attivano delle vie metaboliche tipiche degli organismi aerobi o delle muffe e funghi, sono loro che fanno metaboliti secondari.

I metaboliti ad un certo punto del loro sviluppo, quando hanno tante molecole di acetato possono agganciare l’una alle altre e formare delle strutture complesse che poi vengono carbossilate o metilate e danno composti con un interesse farmaceutico.

Le statine sono farmaci che hanno attività che abbassa colesterolo nel sangue, sono metaboliti secondari prodotti da delle muffe. Esistono processi microbiologici che portano alla formazione del farmaco.

Un’altra classe di prodotti della microbiologia industriale è quella dei prodotti complessi.

Sono quei prodotti in cui a fine processo il microrganismo non è più separabile dal terreno di coltura in cui è cresciuto perché ha una forma diversa.

Quaderno di Alessandro Magro

I prodotti complessi sono preparazioni alimentari a base di latte fermentato come lo yogurt, alla fine non separo i batteri dal latte ma ho un prodotto unico.

Il formaggio partendo dal latte con aiuto di caglio e batteri lattici mi fa ottenere un prodotto solido.

Tutti i cibi orientali fermentati come il tempeh, la salsa di soia, i crauti, le olive. Le olive contengono una sostanza amara e solo la fermentazione con batteri lattici porta una sua riduzione e diventa più buona al gusto.

I microrganismi si usano per fare i jeans stone wash, si usano enzimi di natura microbica per scolorire le fibre.

Trattamento dei rifiuti liquidi e solidi, sono prodotti complessi.

Un’altra categoria che si è formata negli ultimi anni è quella di prodotti formati da DNA ricombinante. La maggior parte di questi composti hanno un interesse farmaceutico, ad esempio insulina è prodotta da DNA ricombinante. Ci sono lieviti come il Cluiverimices che produce la chimosina, responsabile della coagulazione del latte → caglio.

Alcuni ceppi di Bacillus fanno amilasi.

Bacillus subtilis fa la riboflavina.

Le tabelle nelle slide riportano alcuni dei generi più usati nel settore industriale:

• Acetobacter.
• Gluconobacter.
• Azetobacter.
• Lieviti.
• Funghi.
• Muffe.
• Alghe → ricche di pigmenti e composti interessanti usate per integratori alimentari.
• …

L’impiego di microrganismi per fare molte cose è diffuso.

Le diverse forme di resa

Domanda d’esame!! Da approfondire!!

Esistono due forme di espressione di un’efficienza di un processo di microbiologia applicata:

1. Resa di conversione: definita con “Y” ed è un rapporto tra i grammi di prodotto formato e i grammi di substrato consumato. È una misura adimensionale che va ad 0 ad 1. S