Fermentazioni industriali

VIE METABOLICHE

Lineare

Si tratta di meccanismi di controllo semplici che funzionano basandosi su due processi che agiscono in sinergia:

1. Inibizione

Esplicata dal prodotto finale sull'attività del primo enzima della via metabolica, detta anche inibizione da feedback: quando P si accumula in quantità consistenti, si inibisce l'attività del primo enzima dell'attività metabolica, bloccando la produzione. Quindi quando P si accumula, blocca l'attività di E1 e la produzione di B, e quindi a catena di tutto il resto. Ciò avviene in un metabolismo fisiologico.

2. Repressione

Esplicata dal prodotto sulla sintesi di uno o più enzimi della via metabolica, quindi si blocca o reprime la sintesi dei vari enzimi della via metabolica, non solo il primo, quindi si può bloccare la produzione di E1, E2 o E3 a seconda di ciò che si vuole produrre e ottenere.

A B C P

-----E1----- -----E2----- -----E3------

Ramificate

Sono meccanismi...

di controllo complessi. I metaboliti prodotti non sono generalmente necessari in livelli analoghi equindi sono sintetizzati in diversa concentrazione. Sia P1 che P2 danno inibizione da feedback sul primo enzima mapossono agire anche come repressori o con entrambe le funzioni contemporaneamente.Facendo così bloccano però E1, causando un rischio e un possibile blocco nella produzione di entrambi i prodotti,anche di quello interessato. L’inibizione dei singoli prodotti sul primo enzima causa una inibizione della rispettiva viametabolica dopo la ramificazione (E2-E3). Il gioco sta nel capire come inibire una ramificazione e l’altra no, quindiinibendo solo E2 o E3. E’ un meccanismo che permette l’accumulo di uno dei due prodotti in funzione delle esigenzedella cellula.Se voglio che il prodotto finale si accumuli senza modificare l’attività o la sintesi del primo enzima, è possibileallontanare il prodotto finale tramite modificazione

dell'enzima iniziante, con conseguente accumulo. Il blocco di un enzima "a valle" ha un certo successo. Si accumula D ma bisogna capire se ha un certo effetto sugli enzimi a monte.

Il blocco metabolico fa si che il microorganismo diventi incapace di sintetizzare il prodotto finale, i cui livelli controllano l'attività di un enzima con ruolo chiave sulla via metabolica.

Accumulo di un metabolita non associato allo sviluppo

Se il metabolita è un prodotto finale è necessario controllare che non inibisca o reprima gli enzimi che si trovano coinvolti all'inizio della reazione, se invece il metabolita di interesse è un intermedio è possibile bloccare il primo enzima a valle, controllando che la via metabolica fino all'accumulo di interesse continui. Per quanto riguarda i metaboliti, è necessario verificare quando vengono prodotti dal metabolismo.

Seguendo la curva di sviluppo microbico, si può vedere come la

Quantità di un determinato microrganismo incrementa nel tempo fino ad una fase stazionaria in cui il microorganismo non cresce più. Nell'accumulo di un metabolita si riscontrano due fasi:

• Trofofase: è la fase di sviluppo del microorganismo e finisce quando la curva di sviluppo inizia a rallentare
• Idiofase: segue la trofofase ed è la fase di biosintesi, dove inizia la stazionaria.

Bisogna capire in quale delle due fasi è prodotto il metabolita e quindi se esso è classificabile come primario o secondario. Se primario, quando diminuisce l'accelerazione del microorganismo, è terminato il processo industriale. Se si vuole un secondario, il processo deve continuare fino a dopo la fase stazionaria, nel quale viene prodotto il composto di interesse.

I prodotti del metabolismo secondario sono detti dell'idiofase, una fase molto specifica per ogni gruppo microbico. I batteri hanno poco metabolismo nell'idiofase, altri...

chiara e lineare per la via metabolica. Per capire bene la via metabolica e ottimizzarla si effettuano studi di biogenesi. Si cerca di capire che cosa arrivi a cosa, scomponendo la struttura finale e cercandone la genesi. Solitamente si usano dei marker, come gli isotopi, che emettono radiazioni. Fornendo queste sostanze al microorganismo, si cerca di capire in che modo sfrutti il substrato e le sue componenti in modo da produrre la sostanza di interesse. Sono alla base per la scelta del terreno colturale e per ottimizzare le condizioni di sviluppo del processo.

PROCESSO DI FERMENTAZIONE INDUSTRIALE

In Europa esiste un ente no profit definito come EFB (federazione biotecnologia europeo) che raggruppa tutte le scienze che lavorano con la biotecnologia, come la microbiologia e l'ingegneria degli impianti, al fine di ottimizzare l'utilizzo di un microorganismo, di tessuti e le loro parti. E' necessario affinché ci sia l'uso controllato del materiale biologico. Se si

Considerando la tecnologia, la microbiologia e la biochimica, si possono ottenere biomasse, molecole sia extracellulari (che produce la molecola e riversa nella parte liquida della sua struttura) che intracellulari (trattenuta all'interno) e prodotti di biotrasformazione (per esempio trasformo glucosio in acido gluconico, con trasformazione selettiva sul C1 trasformando l'aldeide in un acido) che poi sono disponibili per la vendita.

Da un lato dell'impianto si hanno i serbatoi e i magazzini dove si stoccano le materie prime (carbonio, azoto, minerali e acqua), ad una determinata umidità. Gli ingredienti liquidi si stoccano in silos (come il melasso). L'acqua non può essere distillata se non quella che si usa per sterilizzare un impianto, mentre per il resto si utilizza acqua di rete, eventualmente corretta nel contenuto salino. Tutti questi stoccaggi convogliano in un serbatoio per il terreno colturale, e dopodiché tutto nel fermentatore di utilizzo.

Il terreno può essere sterilizzato dentro il fermentatore o nel passaggio dal serbatoio al fermentatore. Una volta che tutto è sterile, inoculo. Procede la fermentazione. Si stoppa l'impianto, il processo è concluso.

Dal fermentatore la coltura viene spostata con separazione della biomassa solida rispetto alla fase liquida. Tutte le operazioni che vanno dalla fase di preparazione del terreno fino alla fermentazione compresa prendono il nome di upstream, mentre il downstream è tutto ciò che va dallo spegnimento del fermentatore fino alla vendita del prodotto sul mercato.

Upstream

Oltre l'approvvigionamento della materia prima, che è insito nel processo, bisogna mantenere e controllare la coltura microbica. È necessario avere una piccola parte dell'impianto munita di laboratorio, cappa, e vari strumenti sterilizzati al fine di prevenire eventuali inquinamenti delle colture. Queste colture sono controllate periodicamente.

quantopossono essere anche selezionate a seconda di ciò che si necessita, aumentando per esempio una sezione delle colonie che risulta essere più resistente o maggiormente produttore del metabolita che mi interessa. Ciò consente di ottenere sempre un prodotto definito.

Downstream

È fondamentale mettere a punto correttamente la purificazione. Infatti, a seconda di chi lo compra e del suo utilizzo, può avere una purezza diversa (come l'etanolo fino al 96% o fino al 70%). Più un prodotto è puro, più è costoso.

Una volta ottenute le colture, è necessario controllare pH e temperatura. Generalmente il pH scende per l'aumento di acidi organici, mentre la temperatura cresce per reazioni esotermiche.

Inoltre microorganismi come i miceliari creano viscosità nel terreno, facendo si che si crei ingombro e non funzionino correttamente i dispositivi con conseguenza in alcuni casi di blocchi, per esempio,

Nell'impianto e nella produzione bisogna mantenere la sterilità. Il tutto tenendo conto dei costi di manutenzione, pulizia e controllo. Una delle problematiche più importanti è il recupero del prodotto da questo "brodo" di coltura, con aspetto disomogeneo, viscoso e difficile da gestire. Il tutto senza mettere in pericolo impianto e operatori.

Brodocoltura: sospensione di cellule o micelio in fase liquida. Se il microorganismo è unicellulare, la sospensione risulta essere uniformemente torbida. Se micellare, si forma il suddetto Pellet (sfere, con sviluppo dell'ifa formando piccole sfere, da pochi mm a quasi 1 cm) o micelio lasso (l'ifa a un certo punto si frammenta, non si avvolge e si forma una miscela molto viscosa con frammenti di ife). La differenza fondamentale sta nella movimentazione; nell'unicellulare e con la formazione di pellet si ha buona mobilità, mentre con il micelio lasso è molto.

difficoltoso.

Recupero del prodotto

Una biomassa, se deve essere recuperata e venduta, è necessario per prima cosa separarla. Prima si spegne il fermentatore, poi l'agitatore, e infine la biomassa viene separata tramite mezzi diversi che possono essere:

• filtraggio
• centrifugazione
• sedimentazione