Fermentazioni Industriali

Fermentazioni industriali Matteo Corradi

Fermentazioni industriali

a.a. 2018/2019

a cura di Matteo Corradi 1

Fermentazioni Industriali Matteo Corradi

2

Fermentazioni Industriali Matteo Corradi

Sommario

1. Introduzione ..................................................................................................................... 6

1.1 Processo fermentativo riproducibile: aspetti importanti ............................................................ 6

1.2 Prodotti ottenibili ..................................................................................................................... 7

1.3 Fasi del processo fermentativo e punti critici. Alcuni esempi ...................................................... 7

1.3.1 Fermentazione con recupero in continuo del prodotto ............................................................................. 8

1.3.2 Recupero selettivo di molecole apolari aderenti al lato esterno della parete ........................................... 9

1.3.3 Recupero selettivo di molecole polari presenti nella parete ...................................................................... 9

1.4 Produzione di metaboliti ......................................................................................................... 10

1.4.1 Come il metabolismo influenza i tipi di prodotti ottenuti ........................................................................ 10

1.4.2 Metabolismo anaerobio............................................................................................................................ 10

1.4.3 Metabolismo aerobio ............................................................................................................................... 11

1.4.4 Considerazioni inerenti i due metabolismi: regolazione del metabolismo ............................................... 11

1.5 Attività enzimatica, tipologie di vie metaboliche e loro regolazione: inibizione dell’attività,

repressione della sintesi, modificazione della permeabilità cellulare, blocco metabolico .................... 12

2. Produzione di Acidi Organici ............................................................................................ 14

2.1 L’acido lattico ......................................................................................................................... 15

2.2 L’acido citrico ......................................................................................................................... 16

2.2.1 L’impiego di Aspergillus niger ................................................................................................................... 16

2.2.2 L’impiego di Yarrowia lipolitica ................................................................................................................. 18

2.3 Acido gluconico ...................................................................................................................... 18

3. Gestione delle colture industriali ..................................................................................... 22

3.1 Gestione delle colture su larga scala: la coltura batch .............................................................. 22

3.1.1 Tipologie di colture: coltura in batch, in continuo e in fed-batch ............................................................. 23

3.1.2 Coltura batch ............................................................................................................................................ 23

3.1.2.1 Spiegazione dettagliata della curva di crescita in una coltura batch .................................................... 24

3.1.2.2 Analisi matematica della coltura batch: tempo di duplicazione, variazione della biomassa, velocità

specifica di sviluppo microbico, velocità volumetrica, resa di conversione ......................................................... 25

3.1.2.3 L’equazione di Monod .......................................................................................................................... 29

3.1.2.4 Il significato di ................................................................................................................................. 30

3.1.2.5 Classificazione secondo il criterio cinetico (Gaden, 1959) .................................................................... 31

3.1.2.6 Tabella riassuntiva dei tre processi classificati secondo il criterio cinetico .......................................... 33

.............................................................................................................................................................................. 33

3.1.2.7 La gestione dei tempi nella coltura batch ............................................................................................. 33

3.1.3 La coltura continua ................................................................................................................................... 34

3.1.3.1 La velocità di diluizione e il tempo di residenza (holding time) ............................................................ 35

3.1.3.2 Classificazione della coltura continua in funzione del sistema di controllo: chemostato e turbidostato

36

3.1.3.3 Bilanci .................................................................................................................................................... 36

3.1.3.3.1 Bilancio di biomassa ....................................................................................................................... 36

3.1.3.3.2 Bilancio di substrato ....................................................................................................................... 37

3.1.3.4 Rapporti tra e ................................................................................................................................. 37

3.1.3.5 Chemostato ........................................................................................................................................... 38

3.1.3.5.1 Il sistema di controllo del volume nel chemostato: sistema a troppo pieno ................................. 39

3.1.3.5.2 Il sistema di controllo del volume nel chemostato: sistema a pompa a due canali ....................... 39

3.1.3.5.3 Il sistema di controllo del volume nel chemostato: sistema a manometro ................................... 40

3

Fermentazioni Industriali Matteo Corradi

3.1.3.5.4 Il sistema di controllo del volume nel chemostato: sistema a load cell ......................................... 40

3.1.3.6 Andamento di biomassa e substrato in coltura continua ..................................................................... 40

3.1.3.7 Allestimento del chemostato ................................................................................................................ 40

3.1.3.8 Inconvenienti nella coltura continua .................................................................................................... 41

3.1.3.9 Influenza di D su x e S ............................................................................................................................... 41

3.1.3.10 Relazione tra D, e ............................................................................................................................... 42

3.1.4 Differenze tra coltura batch e continua .................................................................................................... 42

3.1.5 Colture continue multistadio .................................................................................................................... 42

3.1.5.1 Coltura continua multistadio con una sola alimentazione ............................................................... 42

3.1.5.2 Sistema multistadio con più alimentazioni ........................................................................................... 43

3.1.5.3 Sistema multistadio con riciclo ............................................................................................................. 43

3.1.6 Coltura fed-batch (aka extended culture o semi-batch) ........................................................................... 43

3.1.6.1 Considerazioni inerenti la coltura fed-batch: i metaboliti secondari e il feed di mantenimento ......... 44

3.1.6.2 Vantaggi della coltura fed-batch ........................................................................................................... 44

3.1.6.3 Osservazione sulla coltura fed-batch .................................................................................................... 44

3.2 Confronto tra i diversi sistemi colturali .................................................................................... 45

4. Lo sviluppo microbico ...................................................................................................... 45

4.1 Metodi di valutazione dello sviluppo microbico ....................................................................... 46

4.1.1 I metodi diretti .......................................................................................................................................... 46

4.1.1.1 La tecnica microscopica ........................................................................................................................ 46

4.1.1.2 Tecnica elettronica mediante citometro (coulter-counter) .................................................................. 47

4.1.1.3 Tecnica biologica ................................................................................................................................... 48

4.1.2 Metodi diretti: il volume cellulare umido ................................................................................................. 48

4.1.3 Metodi diretti: la massa cellulare ............................................................................................................. 48

4.1.4 I metodi indiretti ....................................................................................................................................... 49

4.1.4.1 La turbidimetria .................................................................................................................................... 49

4.1.4.2 Componenti non specifici e specifici ..................................................................................................... 49

4.1.4.3 Consumo di substrato e formazione di prodotto .................................................................................. 50

4.1.4.4 La viscosità della coltura ....................................................................................................................... 50

4.1.4.5 La calorimetria ...................................................................................................................................... 50

5. Immobilizzazione cellulare .............................................................................................. 50

5.1 Tecniche passive ..................................................................................................................... 51

5.1.1 Aggregazione ............................................................................................................................................ 51

5.1.1.1 Colonizzazione (sottocategoria dell’aggregazione) .............................................................................. 52

5.1.2 Adsorbimento ........................................................................................................................................... 52

5.2 Immobilizzazione attiva .......................................................................................................... 52

5.2.1 Legame covalente ..................................................................................................................................... 52

5.2.2 Intrappolamento ....................................................................................................................................... 53

5.2.2.1 I polimeri sintetici ................................................................................................................................. 53

5.2.2.2 Polimeri naturali: agar .......................................................................................................................... 53

5.2.2.3 Polimeri naturali: K carragenine ........................................................................................................... 53

5.2.2.4 Polimeri naturali: alginato..................................................................................................................... 53

5.2.3 Cross-linking intermolecolare ................................................................................................................... 54

5.2.4 Confinamento in sistemi semipermeabili ................................................................................................. 54

6. Bioreattori e scale-up ...................................................................................................... 54

6.1 Esigenze funzionali, esigenze economiche e scelta del reattore ................................................ 54

6.2 Le performance del bioreattore ............................................................................................... 55

6.3 Problemi legati ai reattori/processi di produzione ................................................................... 55

4

Fermentazioni Industriali Matteo Corradi

6.4 Classificazione dei reattori ...................................................................................................... 55

6.4.1 Fermentatori nei processi anaerobi .......................................................................................................... 56

6.4.2 Reattori convenzionali .............................................................................................................................. 56

6.4.3 Bioreattori per processi aerobi ................................................................................................................. 57

6.4.3.1 Reattori non convenzionali a circolazione ............................................................................................ 57

6.4.3.1.1 Reattori non convenzionali a circolazione per immissione di aria pressurizzata ........................... 57

6.4.3.1.2 Altri reattori .................................................................................................................................... 59

6.4.3.2 Rattori a circolazione tramite pompa nozzle reactor ........................................................................... 59

6.4.3.3 Reattori a circolazione tramite pompa tubolari .................................................................................... 59

6.4.3.4 Reattori per cellule immobilizzate ........................................................................................................ 59

6.4.3.4.1 Reattori di superficie a tamburo (Surface reactor) ........................................................................ 59

6.4.3.4.2 Reattori trickling filter .................................................................................................................... 59

6.4.3.4.3 Reattore a letto impaccato (packed o fixed bed reactor) .............................................................. 60

6.4.3.4.4 Reattore a letto fluido (fluidized bed reactor) ............................................................................... 60

6.5 Impianto pilota ....................................................................................................................... 60

7. Colture di cellule animali e vegetali ................................................................................. 60

7.1 Colture di cellule animali ......................................................................................................... 60

7.1.1 Caratteristiche delle cellule animali .......................................................................................................... 61

7.1.2 Condizioni colturali e esigenze nutrizionali ............................................................................................... 61

7.1.3 Tipologie di bioreattori per colture di cellule animali ............................................................................... 62

7.1.3.1 Roller bottles ......................................................................................................................................... 62

7.1.3.2 Reattori STR .......................................................................................................................................... 62

7.1.3.3 Spinner basket ...................................................................................................................................... 62

7.1.3.4 Air-lift e bubble column ........................................................................................................................ 63

7.1.3.5 Multiple membrane plate bioreactor ................................................................................................... 63

7.1.4 Problematiche relative l’impiego di cellule animali .................................................................................. 63

7.2 Colture di cellule vegetali ........................................................................................................ 63

7.2.1 Allestimento di una coltura di cellule vegetali .......................................................................................... 63

7.2.2 Il terreno colturale .................................................................................................................................... 64

7.2.3 Metaboliti secondari derivanti da cellule vegetali presenti sul mercato .................................................. 64

8. Aerazione e gestione delle problematiche dei microrganismi aerobi ................................ 65

8.1 La legge di Henry .................................................................................................................... 65

8.2 Parametri che influenzano la disponibilità di ossigeno in un processo microbico ...................... 65

8.3 Ottimizzazione e gestione della disponibilità di ossigeno ......................................................... 65

8.3.1 L’ossigeno come substrato limitante ........................................................................................................ 65

8.3.2 Andamento OUR in coltura batch ............................................................................................................. 66

8.3.3 Trasferimento di ossigeno in una coltura ................................................................................................. 66

8.3.3.1 La Teoria dei due film .........................................................................................................................