20 Downstream: l'isolamento dei prodotti di fermentazione

Isolamento dei prodotti di downstream fermentazione

Con il termine downstream si fa riferimento ai processi che permettono di recuperare i prodotti che si formano al termine della fermentazione. Questi prodotti possono essere rappresentati da:

• Biomassa microbica
• Metabolita esocellulare: cioè i metaboliti che vengono riversati spontaneamente dal microrganismo nel mezzo di coltura. A questa classe appartengono, ad esempio, gli acidi organici, gli antibiotici, alcuni enzimi, i polisaccaridi ecc.
• Metabolita endocellulare: cioè i metaboliti che non vengono riversati nel mezzo di coltura ma vengono accumulati all'interno della cellula.

In base al prodotto di interesse si può procedere con diverse fasi: ad esempio, se il prodotto di interesse sono le sole cellule, si può procedere con la sola separazione della biomassa dal mezzo di coltura attraverso tecniche quali filtrazione o centrifugazione; se il prodotto di interesse è un metabolita intracellulare, bisogna separare le cellule dal mezzo di coltura per filtrazione o centrifugazione e poi continuare con la rottura delle cellule, seguita da centrifugazione o ultracentrifugazione per separare il lisato dal contenuto cellulare, dopodiché si purifica il prodotto desiderato attraverso tecniche quali dialisi, ultrafiltrazione, precipitazione, cromatografia ecc., ed infine si procede con le fasi finali quali cristallizzazione, o essiccamento, o liofilizzazione e confezionamento. Se il prodotto di interesse è un metabolita esocellulare bisognerà separare la biomassa dal terreno come per gli altri due casi precedenti (mediante centrifugazione o ultrafiltrazione), e purificare direttamente dal filtrato colturale (terreno senza cellule) il prodotto mediante dialisi, o ultrafiltrazione, o precipitazione o cromatografia ecc., ed infine procedere con la cristallizzazione, o con l'essiccamento, o con la liofilizzazione e col confezionamento del prodotto ottenuto.

1° fase del downstream: Separazione delle cellule dal terreno

Alla fine del processo fermentativo, la procedura di recupero del prodotto prevede generalmente una fase di separazione della fase solida (biomassa cellulare) dalla fase liquida (filtrato colturale). La separazione della biomassa cellulare può essere eseguita con diverse procedure. Le procedure generalmente impiegate per la separazione della biomassa e altri solidi eventualmente presenti (ad esempio, substrato residuo insolubile) possono essere:

• Sedimentazione spontanea: è un processo lento ma naturale e non richiede particolari attrezzature. È applicata nel caso del trattamento degli effluenti o anche nei processi di produzione di bevande alcoliche.
• Flocculazione: è una procedura basata sulla formazione di aggregati cellulari che, in funzione delle maggiori dimensioni, sedimentato o risultano più facilmente filtrabili. La tendenza a flocculare è una caratteristica naturalmente presente in alcuni ceppi microbici, ma può anche essere favorita da modifiche del pH (modificando il pH viene meno la carica, ad esempio negativa, delle cellule e queste, anziché respingersi, si attraggono e si aggregano formando dei fiocchi che sedimentano più facilmente), addizione di un elettrolita (ha un effetto simile a quello visto precedentemente; l'elettrolita neutralizza i fenomeni di repulsione), addizione di un polimero (in questo caso le cellule aderiscono al polimero ed è per questo che sedimentano). Il recupero degli agenti flocculanti non risulta economico.
• Flottazione: procedura di separazione inversa rispetto alla flocculazione; è favorita dall'immissione di gas nel brodocoltura ed è impiegata prevalentemente con i batteri. Le cellule microbiche rimangono adsorbite sulle bolle di gas e risalgono nel fermentatore, dalla base verso la superficie, rimanendo intrappolate nella schiuma, che si accumula nella parte alta del bioreattore. La schiuma è in seguito rimossa e si procede al recupero delle cellule. L'intrappolamento delle cellule è favorito dall'addizione di agenti quali ammine e acidi grassi a lunga catena. Nell'ambito dei lieviti si ha flottazione spontanea, senza addizione di gas, nel processo di produzione di birra, con ceppi ad alta fermentazione.
• Centrifugazione: tecnologia impiegata per la separazione di microrganismi unicellulari, è basata sulla sedimentazione gravitazionale forzata. Nell'ambito dei processi microbiologici sono prevalentemente impiegati decanter, centrifughe a camere e a piatti e centrifughe tubolari (o dette cilindriche). La parte principale di una centrifuga decanter è il tamburo, una struttura cilindrica che termina con una estremità conica. Tramite il tubo di alimentazione, disposto al centro del tamburo, il prodotto viene convogliato nella zona di distribuzione della coclea. Le sostanze solide contenute nel prodotto si depositano sulla superficie interna del tamburo sotto l'effetto della forza centrifuga. La coclea ruota con una velocità differenziale inferiore rispetto al tamburo e movimenta le sostanze solide depositate in direzione dell'estremità rastremata conica del tamburo.
• Centrifughe tubolari: hanno altezza elevata contro un diametro ristretto. La coltura viene immessa dal basso di queste centrifughe e la biomassa viene depositata sulle pareti della centrifuga, mentre il filtrato colturale (terreno privo di cellule) viene estratto dalla parte alta della centrifuga.
• Filtrazione: la filtrazione convenzionale è effettuata con filtri di superficie con ritenzione della fase solida sul filtro e permeazione della fase liquida. La filtrazione impiegata per i microrganismi è effettuata, a livello industriale attraverso...