Appunti bioprocessi

Metodi di lisi cellulare

Shock osmotico: dopo il recupero le cellule sono risospese in un mezzo ipertonico, ottenuto mediante l'aggiunta di sali o di zuccheri che aumentano la forza osmotica della soluzione. La soluzione è poi aggiunta a una seconda soluzione ipotonica. Questo sbalzo di concentrazione, per effetto osmotico, provoca un assorbimento veloce di acqua da parte delle cellule che si rompono.

Lisi con detergenti: il trattamento con soluzioni contenenti detergenti diluiti può provocare il danneggiamento delle membrane, interagendo con le porzioni lipidiche e permettendo il rilascio del metabolita.

Lisi con enzimi: gli enzimi sono in grado di danneggiare la parete cellulare e di permettere il rilascio del contenuto.

Metodi di lisi più drastici - Sonicazione: gli ultrasuoni possono lisare le cellule. Adatto per piccoli volumi. Bisogna mantenere il campione a freddo.

Mulini con microsfere in vetro: apparecchiature con una camera di lisi all'interno della quale la

sospensione cellulare viene agitata vorticosamente in presenza di microsfere di vetro e di agitatori che ruotano, facilitando lo scontro tra cellule e sfere. In questo modo le cellule subiscono abrasioni e rotture.

FRULLATORI e DISPERSORI: apparecchiature munite di lame. Possono minuzzare e danneggiare il campione facilitando l'uscita del metabolita. Adatti nel caso di tessuti animali e vegetali.

MORTAI e PESTELLI: metodo da laboratorio eseguito con materiale congelato.

PRESSE e OMOGENIZZATORI: le presse permettono la lisi delle cellule obbligandole a passare attraverso un sottile canale. Il calo brusco di pressione al termine del canale e i fenomeni di sfregamento provocano la rottura delle cellule.

UNA OPERAZIONE DI LISI FORNISCE UN CAMPIONE FINALE ESTREMAMENTE GREZZO, TORBIDO E DI COMPOSIZIONE ETEROGENEA. Sono presenti frammenti di pareti e membrane, detriti cellulari di varia natura, cellule non lisate, ecc.

OCCORRE QUINDI ESEGUIRE

fase stazionaria. I componenti, trascinati dalla fase mobile, si ripartiscono tra questa e la fase stazionaria, permettendo così la loro separazione.

ADSORBIMENTO: è impiegata per separare proteine o altri metaboliti, sfruttando il fenomeno dell'adsorbimento su matrici solide per effetto della formazione di legami idrogeno. Dopo l'adsorbimento, il prodotto viene eluito agendo sulla polarità. Es. di applicazione: recupero degli antibiotici streptomicina (antibatterico) e actidione (antifungino).

GEL FILTRAZIONE: basata sulla separazione delle singole molecole in base al peso. Viene effettuata in colonna e la fase stazionaria è costituita da polimeri acrilici, agarosio, cellulosa, destrani con porosità ben definita, chimicamente inerti, sterilizzabili, altamente porosi e idrofilici. Trova impiego nel frazionamento e nella purificazione di molecole ad alto valore aggiunto quali insulina e interferone.

ESTRAZIONE CON SOLVENTE: basata sul trasferimento di

patogenicità (assenza di produzione di endotossine)- stabilità- elevata velocità di crescita specifica- contenuto in proteine- contenuto di acidi nucleici- trattamento finale delle biomasse

BIOMASSE MICROBICHE

Le biomasse microbiche trovano applicazione:

• per il loro contenuto: come fonte proteica non convenzionale (inalimentazione umana e animale) e per l’estrazione di metaboliti particolari(lipidi, enzimi, acidi nucleici, vitamine, ecc.);
• per la loro attività: su substrati complessi (lievito per panificazione, colturestarter nel settore alimentare, colture insetticidi, ecc.).

I MO entrano nella catena alimentare (formaggi, funghi, lievito, alghe).

Affinché le biomasse microbiche possano trovare impiego occorre che i costirelativi alla loro produzione siano concorrenziali rispetto alle tradizionali fontiproteiche. Il substrato incide sui costi di produzione fino al 50-60%.Per tale motivo i processi esistenti utilizzano substrati economici

1. carboidrati semplici e complessi, sottoprodotti o surplus agricoli, alcani, metano, metanolo, ecc.
2. L'utilizzo delle biomasse microbiche presenta, in alcuni casi, limitazioni d'impiego:
• Contenuto in acidi nucleici, che presenta ampia variabilità, nell'ambito dei diversi gruppi microbici. Gli acidi nucleici potrebbero creare problemi a livello metabolico nell'uomo e negli animali.
• Presenza di sostanze tossiche o cancerogene, che residuano dal substrato.
• Digeribilità, che in alcuni casi è limitata (ad es. presenza di chitina).
• Presentano odori e sapori sgradevoli.
• Possibilità di reazioni allergiche.
3. BIOMASSE DA BATTERI
• Crescita rapida.
• Scelta di specie e di ceppi praticamente illimitata.
• pH di sviluppo: 5-7.
• Biomasse che possono presentare problemi di separazione, in relazione alle piccole dimensioni.
• Buon profilo aminoacidico, ma in alcuni casi, carente in aminoacidi solforati.
• Rischi non trascurabili di nocività (componenti di membrana, ecc.).

endotossine).

BIOMASSE DA LIEVITI

Molto conosciuti e studiati. I primi processi risalgono a circa 100 anni fa.

Raramente patogeni o tossici.

La velocità di crescita è relativamente elevata, ma inferiore a quella dei batteri.

pH di sviluppo: 3.5-5.

Più facilmente recuperabili, rispetto ai batteri, in quanto presentano maggiori dimensioni. Biomasse caratterizzate da un limitato contenuto in aminoacidi solforati, elevato tenore in lisina e treonina.

Buon contenuto in vitamine del gruppo B.

Tenore elevato in lipidi. Basso tenore in acidi nucleici.

BIOMASSE DA MUFFE

Molto conosciuti da tempo.

Raramente tossici o patogeni.

Crescita lenta (tempo di duplicazione 5-12h)

pH di sviluppo: 3-8.

L'azoto totale comprende anche la chitina, costituente della parete cellulare, difficilmente digeribile.

Il profilo aminoacidico è buono, anche se carente in aminoacidi solforati.

Rischi di induzione di allergie.

Rischi di produzione di micotossine.

Il termine Single Cell Protein (SCP)

Identifica le biomasse microbiche ad elevato contenuto proteico, impiegabili in toto, per le loro caratteristiche nutrizionali, in alimentazione umana e animale. Le SCP, in funzione della loro composizione possono contribuire alla risoluzione dei problemi legati alla carenza di proteine.

I substrati impiegati per la produzione di SCP possono essere:

• FOSSILE: metano, alcani, metanolo, etanolo;
• RINNOVABILE: CO2, Glucosio (da amido), melasso, siero di latte, cellulosa, liscivio solfitico.

METANO: utilizzo limitato dovuto al rischio di esplosione;

ALCANI: possono essere impiegate paraffine dal C9 al C18.

METANOLO: possibilità di sostituire il metano. È utilizzabile da più MO. In funzione della concentrazione può avere effetti tossici.

ETANOLO: utilizzabile da MO appartenenti a tutti i gruppi microbici. Non presenta effetti tossici.

CO2: è la più semplice fonte di carbonio rinnovabile, può essere utilizzata solo da MO in grado di ottenere energia da.

meccanismiindipendenti.

MELASSO: sottoprodotto della lavorazione della barbabietola e della canna dazucchero. E’ impiegato nei processi che prevedono prevalentemente l’impiegodi Saccharomyces cerevisiae e specie del genere Candida.

SIERO DI LATTE: sottoprodotto dell’industria casearia, è impiegato dopo larimozione della parte proteica.

AMIDO e CELLULOSA: polisaccaridi impiegati dopo idrolisi, in forma di sciroppidi glucosio.

LISCIVIO SOLFITICO: residuo del processo di produzione di cellulosada legname. Contiene pentosi ed esosi in rapporti diversi in funzione dellamateria prima d’origine.

Limite psicologico all’uso dei batteri come ciboIl costo di produzione è stato sino ad ora il fattore determinante per attribuirealla SCP l’ultimo posto nella dieta animale ed umana

ESEMPI: batteri

Processo BioProtein® Pronin®MO : Methylococcus capsulatus Substrato: metano Condizioni: 45°C, tempo 24hResa di fermentazione: 20g/LProdotto :