Domande e risposte d'esame di Microbiologia Industriale

Il terreno colturale può essere di due tipi: sintetico o complesso.

-Sintetico è un terreno chimicamente puro, di cui si conosce la composizione, generalmente usato

nei laboratori, di facile standardizzazione sia qualitativa che quantitativa, che però fornisce una

crescita microbica e una produzione di metaboliti limitata. Costo elevato, bassa resa. ,

-Il terreno Complesso, di cui non si conosce in maniera dettagliata la composizione chimica è

invece composto da materie prime grezze, utilizzato generalmente a livello industriale e su larga

scala, ha una limitata standardizzazione sia qualitativa che quantitativa; il suo costo è più

economico e ha una crescita microbica e produzione di metaboliti elevata (resa elevata).

3. Fonti di carbonio di impiego industriale.

Le fonti di carbonio possono essere classificate in fonti rinnovabili (di origine naturale, come la

) o non rinnovabili (di origine petrolchimica, come alcoli a corta catena).

Le fonti di carbonio possono essere inoltre di tipo carboidratico o non carboidratico.

 Quelli di tipo carboidratico si suddividono in forma grezza e in forma pura.

-In forma pura sono un esempio i monosaccaridi come il glucosio, disaccaridi come il lattosio o

saccarosio, oligosaccaridi (malto destrine), polisaccaridi (ottenuti generalmente dal mais) come la

cellulosa, l’amido.

L’amido si può differenziare per grado di solubilità, ottenuto da mais o patata.

Le destrine, sono ottenute invece per idrolisi dell’amido, sono solubili.

Viene utilizzata anche la cellulosa, composta da molti polimeri, ottenuta da residui agricoli o

industriali. 2

-In forma grezza, sono per lo più residui di processi industriali alimentari, come il melasso di

barbabietola o canna da zucchero, il corn molasse, il liscivio solfitico, orzo maltizzato e siero di

latte.

Il Melasso è un sottoprodotto dell’industria saccarifera ed è il residuo della cristallizzazione del

saccarosio ottenibile dalla lavorazione o della barbabietola o della canna da zucchero. Si

presentano viscosi, di colore bruno.

Il Corn Molasse è il residuo costituto dalle acque madri ottenute dal processo di produzione del

glucosio da amido di mais, caratterizzato da un elevato contenuto in zuccheri (50-60%) e aspetto

negativo alta concentrazione in Sali.

L’ High-Test Molasse è uno sciroppo a composizione controllata, purificato e concentrato, invece

ottenuto per evaporazione del succo di canna, sottoposto a parziale inversione tramite invertasi,

contenente il 15-35% di saccarosio e il 40-60% di zucchero invertito.

Il Liscivio Solfitico è invece il residuo di produzione della cellulosa dal legname, contiene il 20% di

zuccheri fermentabili (esosi e pentosi).

L’Estratto di Malto, ottenuto da maltizzazione dell’orzo, è ottimo per muffe e lieviti.

Il Siero di Latte, sottoprodotto dell’industria latto-casearia, contiene lattosio (4-5%).

 Quelli di tipo non carboidratiche, sono generalmente costituiti da fonti non rinnovabili, in

forma liquida o gassosa, di costo contenuto, come Idrocarburi Gassosi, Alcoli, Polialcoli, Alcani e

Oli.

L’ idrocarburo gassoso principale è il metano, costituente del gas naturale, non lascia residui nelle

colture, ad alto grado di purezza ma inutilizzabile da molte specie microbiche.

Vi sono anche gli Alcoli, come il metanolo o l’etanolo e i polialcoli, come glicerolo, mannitolo e

sorbitolo.

Tra gli Alcani ci sono le Paraffine, sostanze costituite da carbonio e idrogeno.

Gli Oli, ottenuti da vegetali (soia, lino, mais e girasole) o animali (olio di lardo o fegato di

merluzzo) invece usati in associazione con altre fonti di carbonio, sono anche buoni agenti

antischiuma.

4. Fonti di azoto di impiego industriale.

Le fonti di azoto possono essere classificate in inorganiche e organiche.

Le fonti inorganiche sono i Sali d’ammonio, ammoniaca gassosa, idrato d’ammonio.

Quelle organiche invece amminoacidi, proteine e urea.

A livello industriale possono essere usate materie prime grezze come corn steep liquor, farina di

semi di soia, di cotone e borlande di distilleria.

-Il Corn Steep Liquor è un sottoprodotto del processo di estrazione dell’amido dal mais, con

composizione molto variabile e fonte di sostanze azotate, minerali e vitamine. È ottenuto dopo un

processo un in cui il mais viene immerso in acqua a pH 4 a 50°C in presenza di anidride solforoso e

si instaura fermentazione lattica naturale; il mais viene poi separato dalla fase acquosa che viene

poi concentrata con un peso secco pari al 40-50% ottenendo il Corn Steep Liquor.

-Farina di Semi di Soia è il residuo dell’estrazione dell’olio con solventi, molto proteica (50%)

utilizzata come mangime per animale o nei terreni di coltura.

-Farina di Semi di Cotone utilizzata per processi con m.o. fungini. 3

-Borlande di Distilleria sono i residui del processo di distillazione dell’etanolo (da zuccheri, cereali,

melassi), è ricco di proteine e vitamine B.

5. Fattori di crescita di impiego industriale.

Sono ingredienti di costo elevato e non utilizzabili come fonti di azoto. I principali sono estratto di

lievito e idrolizzato di caseina.

-Estratto di Lievito si trova o in polvere o in pasta ed è ottenuto per la lisi delle cellule del lievito. È

ricco di fattori di crescita.

-Idrolizzato di Caseina ottenuto grazie a idrolisi acida o enzimatica e usato per m.o. esigenti

I minerali vengono invece forniti dall’acqua, che ne contiene quantità sufficienti (rame, ferro,

manganese, zinco).

6. I diversi impieghi dell’acqua in un processo fermentativo.

L’acqua usata in processi fermentativi è acqua di fonte e ricopre una funzione importante per

creare il volume necessario per la preparazione dei terreni colturali.

Usata per la termostazione e per la sterilizzazione (tramite vapore) del terreno; per il

raffreddamento dopo la sterilizzazione; la qualità e il contenuto di oligoelementi sono fattori

importanti per la resa di fermentazione.

In quanto a livello industriale il volume d’acqua richiesto è molto, ove possibile si cerca di riciclarla,

recuperala.

7. Tipi di antischiuma.

Gli agenti antischiuma agiscono riducendo la tensione superficiale con conseguente abbattimento

della schiuma. Un antischiuma ideale dovrebbe avere comunque buona attività anche a bassa

concentrazione, capacità di disperdersi rapidamente nella coltura in cui è inserito, attività

prolungata nel tempo, atossicità, resistente alle alte temperature e a possibili sterilizzazioni, deve

essere compatibile con i processi fermentativi successivamente svolti e se possibile avere un costo

contenuto.

Esistono due tipi di antischiuma: naturali e sintetici.

Quelli naturali sono rappresentati dagli oli vegetali, che vengono addizionati o direttamente o in

risposta a un certo segnale nel terreno colturale.

In quanto fonte anche di carbonio, gli oli vegetali, sono facilmente metabolizzabili dai m.o. e di

conseguenza è necessario un continuo apporto nel terreno per svolgere al meglio anche la

funzione di antischiuma.

Gli antischiuma sintetici invece, attivi a basse concentrazioni e non metabolizzabili, sono

rappresentati dai siliconi e PPG; hanno però lo svantaggio di accumularsi nel terreno e potrebbero

quindi causare interferenze con le procedure di recupero dei metaboliti. 4

8. Il fermentatore e gli elementi che lo costituiscono.

Il fermentatore o bioreattore è solitamente un cilindro ad asse verticale, munito di un certo

numero di entrate e di uscite provviste di valvole, utilizzato per i processi che prevedono l’utilizzo

di m.o.

Il volume utile è di circa 2/3 del totale. In processi anaerobi vengono allestiti fermentatori privi di

sistemi di aerazione e agitazione, mentre sono presenti nei processi aerobi, in cui il trasferimento

dell’ossigeno alle cellule è strettamente necessario. L’aria viene immessa nel fermentatore tramite

lo sparger (che possono essere di diverso tipo: a pettine, anulare o sotto la girante). L’agitazione

ha invece il ruolo di rendere omogeneo il sistema gas-liquido-solido, evitando la formazione di

zone a più elevata concentrazione di materiale (es. ossigeno).

Il fermentatore ha uscite e entrate con diverse funzioni poste nella parte superiore (per

l’eventuale addizione di nutrili, di agenti antischiuma, correttori di pH) e nella parte inferiore per

possibili prelievi

Sono presenti sistemi di controllo per la temperatura, pH, barometro, concentrazione di nutrili,

ossigeno, cellule.

In quanto all’interno del fermentatore i m.o. possono fare reazioni esotermiche, innalzando quindi

la temperatura, il bioreattore è avvolto da una camicia di termostazione, ovvero una parete in cui

scorre liquido refrigerante, che abbassa la temperatura.

9. Tipi di coltura

Sono tre i principali terreni di coltura: in Batch, in Fed-Batch e Continua.

-La coltura in Batch è un sistema chiuso, in quanto all’inizio della coltura vengono forniti tutti i

nutrienti necessari alla crescita cellulare senza aggiunte successive. Le cellule raggiungono così un

livello (detto stato stazionario) tale da impedire di aumentare ulteriormente il loro numero.

-La coltura in Fed-Batch è un sistema semi-aperto, in quanto è aperto solo in entrata, ma non in

uscita, perciò è anche detto a volume variabile. La biomassa aumenta in proporzione ai nutrienti

forniti, fino a che non sono altri fattori a causare un rallentamento della crescita, come ad esempio

la scarsità di ossigeno; a questo punto è conveniente rallentare il flusso di nutriente fino ad

arrestare il sistema.

-La coltura in continuo è invece un sistema aperto, in cui nuovo terreno di coltura è immesso

costantemente, mentre quello che si è esaurito è eliminato, generalmente attraverso due pompe.

In questo modo, restando costante la biomassa, si ottiene una crescita pressoché bilanciata: anche

le concentrazioni di sostanze nutrienti e di metaboliti, infatti, restano essenzialmente costanti.

10. Linea dell’aria in un impianto di fermentazione.

In un fermentatore in cui avviene un processo di tipo aerobio l’areazione ha il ruolo fondamentale

tramite la cosiddetta “linea dell’aria” di fornire ossigeno a tutti i m.o., che può essere più o meno

complessa.

L’aria di origine atmosferica viene raccolta e compressa a 2 Atm nel compressore, poi all’uscita da

quest’ultimo l’aria entra in una valvola riduttrice (la pressione viene ridotta a 0,5-1 Atm) e

controllata con un manometro. 5

Successivamente subisce un passaggio in un deoliatore e in un deumidificatore (per eliminare

eventuali residui di olio e acqua).

L’aria viene poi sterilizzata grazie a un prefiltro e in un filtro.

Il flusso d’aria è regolato da un flussimetro e viene introdotto dal basso del