Appunti di Microbiologia Industriale prof.Rollini

Microbiologia industriale

Le biotecnologie classiche hanno origini antichissime, come per esempio l'elaborazione spontanea di materie prime alimentari a dare vino, formaggio e yogurt. Dopo l'identificazione dei responsabili delle trasformazioni (ovvero i microrganismi), si sono trasformate da tecnologie sfruttate passivamente a sistemi di trasformazione pilotati e controllati. La moderna microbiologia industriale applica infatti agenti microbici selezionati per le esigenze.

Fermentazione

Le fermentazioni moderne iniziano a partire dal 1945, e sono processi che utilizzano microrganismi (in anaerobiosi e aerobiosi) al fine di ottenere prodotti (es. aceto, vino, birra, lievito etc.). Nelle fermentazioni tradizionali si utilizzavano popolazioni miste, nei processi su larga scala si utilizzano ormai colture pure appositamente individuate ed isolate.

Equazione di un processo biotecnologico

S + X fermentazione P → Substrato Prodotto + cellule microbiche fermentazione → Substrato: ha un ruolo fondamentale nello sviluppo del processo fermentativo, in base al m.o. e al procedimento. Ci sono diversi parametri da tenere in considerazione, come costi e disponibilità, facilità o meno nel trasporto e stoccaggio, presenza o meno di possibili problemi dal punto di vista igienico-sanitario o sicurezza.

Metaboliti derivati dal metabolismo dei microrganismi

Sono metaboliti isolabili, prodotti finali o intermedi, che vengono riversati nel terreno colturale e da lì estratti; derivano dalla degradazione del substrato (che è spesso fonte di carbonio ed energia). Possono essere primari (acidi organici, amminoacidi, alcoli, vitamine, lipidi) oppure secondari (prodotti di biosintesi, che vengono prodotti principalmente a partire dai metaboliti primari).

Forme di resa dei processi

Resa di conversione (Y)
Y=Prodotto formato/Substrato consumato (gr/gr)
Quanto più è alto questo valore, tanto più substrato è stato convertito in prodotto. Per le biomasse microbiche, la resa di conversione è tra 0,5 e 1 (in substrati in stato ridotto).

Resa di fermentazione
Resa di fermentazione= gr/L
Esprime i grammi di prodotto (in peso secco) per litro di brodo cultura. La resa di fermentazione varia da 20 a 40 gr/L (massimo 60 gr/L per il Saccharomyces cerevisiae). Per i prodotti complessi non è generalmente possibile determinare nessuna resa.

Il terreno colturale

Il terreno colturale deve fornire al microrganismo le sostanze nutritive necessarie per crescere, produrre energia e sintetizzare i metaboliti desiderati. Deve contenere fonti di:

• Carbonio
• Azoto
• Sali inorganici
• Vitamine
• Precursori

I terreni colturali possono essere divisi in:

• Terreni sintetici: costituiti da materie prime pure, impiegati in laboratorio perché facilmente standardizzabili e forniscono crescita limitata.
• Terreni complessi: contengono materie prime grezze e sono utilizzati su larga scala, sono poco standardizzabili ma portano a grande crescita microbica e un abbattimento dei costi.

Nella scelta del terreno colturale adatto, bisogna quindi considerare:

1. Il metabolismo microbico (si cerca la massima resa di conversione e fermentazione, massima velocità di formazione del prodotto e minima formazione di prodotti secondari indesiderati).
2. La possibilità di un rifornimento costante delle materie prime.
3. La possibilità di standardizzare le materie prime.
4. Inconvenienti tecnologici (formazione di schiume, difficoltà nell'estrazione etc.).
5. Costi.

Composizione dei terreni colturali

Fonti di carbonio

Possono derivare da fonti rinnovabili (naturali, come CO₂) o non rinnovabili (petrolchimiche), da fonti carboidratiche (in forma pura o grezza) o da fonti non carboidratiche.

Fonti carboidratiche

Le fonti carboidratiche in forma pura sono i monosaccaridi, disaccaridi, oligosaccaridi. In forma grezza si possono usare:

• Melasso (di barbabietola o canna)
• Melasso di mais
• Siero di latte
• Residui di cellulosa
• Orzo maltizzato
• Liscivio solfitico

Melassi

I melassi di barbabietola e canna hanno origine dal residuo del processo di cristallizzazione del saccarosio, e sono quindi un sottoprodotto dell'industria saccarifera. Il melasso di barbabietola contiene il 50% di saccarosio e molti fattori di crescita (riboflavina, tiamina, acido folico), il melasso di canna contiene 30% di saccarosio e 20/30% di zucchero invertito (ovvero saccarosio parzialmente o totalmente trasformato in glucosio e fruttosio).

Il melasso di mais viene prodotto a partire dalle acque madri del processo di produzione di glucosio da amido di mais, contiene il 60% di zuccheri, basso livello proteico e alta concentrazione salina (aspetto negativo).

Esistono anche dei melassi che non sono residui o sottoprodotti, ma il prodotto principale del processo (es. evaporazione del succo di canna con parziale invertasi); non sono melassi in senso stretto, ma sciroppi a composizione controllata.

Liscivio solfitico

È il residuo della produzione di cellulosa da legname, e contiene il 20% di zuccheri fermentabili a seconda del tipo di legno utilizzato, che possono essere esos (glucosio, mannosio e galattosio) e pentosi (xilosio e arabinosio).

Estratto di malto

Viene ottenuto da orzo sottoposto a maltizzazione ed è un ottimo substrato per lieviti e muffe.

Siero di latte

È un sottoprodotto del settore lattiero-caseario, che contiene lattosio (4-5%); è poco usato poiché è costoso lo stoccaggio e il trasporto.

Amido

Si utilizzano diversi tipi di amidi che si differenziano per il grado di solubilità; è diffuso l'utilizzo di amido insolubile (a basso costo) trattato direttamente con amilasi nel fermentatore. È ottenuto per la maggior parte da mais e patate. A partire dall'amido, si ottengono per idrolisi le destrine, e il grado di destrinizzazione è espresso come destrosio equivalenti (DE); l'amido ha DE 0, mentre il glucosio ha DE 100.

Cellulosa

Molto abbondante e reperibile, presente nei residui agricoli e industriali nei materiali ligninocelluliosici, ma utilizzabile da un numero limitato di microrganismi.

Fonti di carbonio non carboidratiche

Ad eccezione degli olii, sono spesso costituite da fonti non rinnovabili, con ingredienti eterogenei e dal costo generalmente contenuto.

• Metano: è disponibile con un alto grado di purezza, non lascia residui, ma è poco usato dai m.o. e in presenza di O₂ si ha la formazione di una miscela esplosiva.
• Metanolo: alcol a corta catena a basso costo, solubile in acqua, utilizzato da numero limitato di batteri e lieviti, presenta un certo grado di tossicità. Causa reazioni molto esotermiche.
• Etanolo: ha meno problemi di tossicità del metanolo, ma presenta costi elevati.
• Glicerolo, mannitolo sorbitolo (che è usato nella produzione di vitamina C)
• Paraffine
• Olii: impiegati insieme ad altre fonti, usati come agenti antischiuma, e possono essere estratti a partire da semi (lino, soia, girasole) o da oli animali (poco usati).

Fonti di azoto

Le fonti di azoto possono essere divise in:

• Inorganiche (Sali di ammonio, ammoniaca gassosa o idrato di ammonio)
• Organiche (aminoacidi, proteine e urea)

Per le fonti organiche, si possono utilizzare materie prime grezze come:

• Corn Steep liquor (CSL): acqua di macerazione del processo di estrazione dell'amido dal mais, ha un costo contenuto e un buon contenuto di sostanze azotate, minerali e vitamine, ma la composizione è molto variabile e conferisce forte acidità al terreno colturale. Il mais subisce un trattamento per immersione in acqua a pH 4 in controcorrente per 48 ore, si instaura una fermentazione lattica naturale, viene separato il mais dalla fase acquosa, che viene poi concentrata → Corn Steep liquor.
• Farina di semi di oleaginose:
• Soia: residuo proteico ottenuto dal processo di estrazione dell'olio, alto contenuto di proteine, usato anche per mangimi (panello).
• Cotone: utilizzato soprattutto come fonte per la produzione di antibiotici, poiché preferito dai microrganismi fungini e streptomiceti.
• Borlanda di distilleria: è il residuo del processo di distillazione dell'etanolo (per fermentazione di zuccheri, cereali o melassi) e contiene cellule del lievito, ricco di proteine e vitamine del gruppo B.

Fonti di vitamine e fattori di crescita

Estratto di lievito: viene ottenuto per lisi delle cellule del lievito e si trova in polvere o pasta. È ricco di fattori di crescita, ma a causa del costo elevato non è sempre utilizzabile.