12. L'immobilizzazione cellulare e i bioreattori appositi per cellule immobilizzate

Bioreattori per cellule immobilizzate

Per massimizzare la ritenzione della biomassa entro il reattore bisogna evitare che le cellule batteriche lascino il sistema di reazione, trascinate dall’effluente. Questo scopo può essere raggiunto immobilizzando la biomassa su di un supporto solido che non venga rimosso dalla corrente in uscita dal reattore.

Quando una popolazione microbica è presente in un medium liquido sotto forma di singole cellule disperse, il suo comportamento fisico è governato dalle proprietà della massa liquida. Quindi, le cellule si comportano come elementi del fluido entro cui sono sospese e, qualora sia necessario rimuovere i liquidi di processo dal reattore, anche una parte della popolazione microbica complessiva verrebbe con essi eliminata. Ciò rappresenta un grande limite per il funzionamento del processo, dal momento che le cellule potrebbero essere riutilizzate in cicli successivi sia batch che continui.

Vantaggi dell'immobilizzazione delle cellule

L’immobilizzazione delle cellule è un sistema che consente di stabilizzare gran parte dei microrganismi in una ben definita regione dello spazio all’interno del bioreattore, in modo che essi acquisiscano un comportamento indipendente da quello del liquido circostante. L’utilizzo dei supporti determina una maggiore attività metabolica ed una maggiore concentrazione microbica, dal momento che su di essi vengono adsorbiti i nutrienti; quindi la concentrazione dei nutrienti stessi su di una superficie può essere molto più elevata di quanto non lo sia in una soluzione acquosa. I microrganismi colonizzano le superfici costituendo i biofilm, che sono formati da microcolonie di cellule batteriche, racchiuse in una matrice di polisaccaridi, secreti dalle cellule stesse, che permettono l’adesione alla superficie.

Sistemi di confinamento cellulare

Una posizione particolare è occupata dai sistemi di confinamento cellulare, secondo i quali una membrana separa, all’interno del sistema, le cellule dal terreno. Quindi, le cellule restano libere, il terreno fluisce attraverso la membrana, ma nel momento in cui dovesse risultare utile rimuovere un determinato volume di terreno lo si fa senza trascinare via le cellule.

• Maggiore produttività connessa a una maggiore concentrazione di biomassa;
• È molto facile recuperare i metaboliti di interesse (perché le cellule restano separate dal mezzo di coltura);
• Vengono limitati eventuali effetti negativi associati all’accumulo di cataboliti;
• Le cellule immobilizzate possono essere usate più volte, per più fermentazioni e, quindi, sebbene risultano essere tecniche costose, si abbattono i costi grazie alla possibilità di riutilizzo.

Svantaggi dell'immobilizzazione cellulare

Al tempo stesso l’immobilizzazione cellulare è accompagnata da svantaggi:

• Potrebbe verificarsi uno sfaldamento del supporto su cui le cellule vengono immobilizzate e quindi le cellule vengono riversate nel terreno di coltura e ciò rende più complesso il recupero del prodotto di interesse dal terreno.

Tecniche per l'immobilizzazione di cellule microbiche

Le procedure di immobilizzazione delle cellule microbiche possono essere suddivise in due classi principali: passive, basate su metodi fisici, e attive, basate su meccanismi chimici. Le procedure basate su metodi fisici sono meno invasive di quelle chimiche e vengono, quindi, preferite per immobilizzare le cellule microbiche. Nell’immobilizzazione ottenuta con metodi fisici non si ha formazione di legame chimico, di tipo covalente, tra cellula e matrice solida.

Immobilizzazione passiva

L’adesione o adsorbimento è un tipo di immobilizzazione passiva.