microbiologia industriale - riassunto

Biotecnologie microbiche

Impiegate nella produzione industriale, si tratta di applicazione deliberata e controllata di agenti biologici semplici o loro componenti cellulari, in operazioni tecnologiche utili alla produzione di beni e servizi. I beni possono essere:

• Biomasse microbiche per nutrizione animale e inoculati nel suolo (azoto fissatori) e piante (lotta umana biologica).
• Commodities microbiche (acido citrico, acido glutammico, alcuni amminoacidi).
• Specialità (antibiotici, vitamine).

I servizi possono essere:

• Trattamento di rifiuti liquidi e solidi.
• Valorizzazione di residui agro-industriali.
• Starters, enzimi (agenti chiave di tecnologie alimentari).
• Diagnostica mirata (anticorpi mononucleati).
• Terapia mirata (anticorpi come carriers di farmaci).
• Probiotici e vaccini.

Un processo per essere espandibile su larga scala deve essere competitivo.

Fermentazione

Processo microbico di trasformazione di zucchero in etanolo e CO₂.

Substrato Microrganismi → Prodotto

Microrganismo

Fermentazioni tradizionali:

• Sfruttano una popolazione mista di microrganismi già presente nelle materie prime o in ambienti particolari e solitamente la fermentazione è spontanea (es. vino, aceto, alimenti fermentati).

Processi su larga scala:

• Vengono impiegate colture pure a seguito dell’individuazione ed isolamento, a partire da habitat naturale, dei responsabili dei processi microbiologici.

Ingegneria genetica

Messa a punto di processi che prevedono l’impiego di microrganismi ricombinanti, in cui il DNA è stato modificato. Si tratta di ceppi delicati non direttamente utilizzati nel settore alimentare, ma sfruttati per la produzione di sostanze utili (es. enzimi), le quali verranno utilizzate anche in settore alimentare.

Microrganismi GRAS

I microrganismi Generally Recognised As Safe sono quelli che hanno assenza di mutanti patogeni e che quindi sono sicuri dal punto di vista alimentare (es. Saccharomyces cerevisiae, Lactobacillus bulgaricus, Streptococcus thermophilus).

Per recuperare i microrganismi:

• Li isolo dall’habitat naturale (è utile isolarli da ambienti diversi così da trovarne di più resistenti a determinate condizioni).
• Li chiedo alle collezioni ufficiali (enti specializzati che mantengono la biodiversità).

Substrato

Dall’affinità microrganismo-substrato dipende l’economicità dell’intero processo, però devo stare attento nella scelta del substrato, evitando di adoperare substrati preziosi o ricercati, che mi andrebbero a costare troppo. I substrati impiegati su larga scala sono materie prime grezze, residui agro-industriali o surplus agricoli.

Quindi i fattori da considerare nella scelta sono:

• Costo e disponibilità.
• Consentire alte rese.
• Assenza di problemi igienico-sanitari.
• Minima formazione di prodotti secondari.
• Facilità di trasporto e stoccaggio.
• Sterilizzabile.
• Ininfluente con il processo.

Prodotto

Prima di ottenere un prodotto devo fare una ricerca di mercato per valutare cosa viene già offerto e poi calcolare l’economicità del processo (influenzata dalla resa associata alla procedura di isolamento e purificazione) in modo da stabilire il valore del prodotto e verificarne la competitività. Il prodotto può essere:

• Biomassa.
• Metaboliti primari (essenziali per la cellula).
• Metaboliti secondari (non essenziali).
• Prodotti complessi.
• Prodotti da DNA ricombinante.

Prodotti della microbiologia industriale

Biomassa

In funzione del contenuto:

• Impiego integrale: funghi superiori commestibili, biomasse per dietetica, alghe, biomasse proteiche per mangimistica.
• Impiego per estrazione: lisati di lievito (forniscono vit. del gruppo B), estratti proteico-vitaminici, lipidi, enzimi (es. lattasi), RNA e derivati.
• Se produco biomassa per la sua attività posso ottenere: substrati o ambienti complessi lievito per panificazione, starters (selezione per un processo es Penicillium per gorgonzola), fermenti lattici, colture azotofissatrici, vaccini molecole particolari biomasse impiegabili in biotrasformazioni.

Metaboliti primari

Sono prodotti di degradazione isolabili, finali o intermedi del metabolismo energetico e riversati nel terreno colturale. Derivano dalla degradazione del substrato fonte di C ed energia presente in elevate concentrazioni:

• Acidi organici (lattato, butirrato, propionato, acetato, fumarato…)
• Alcoli (etanolo)
• Nucleotidi ed acidi nucleici
• Polialcoli (glicerolo, mannitolo…)
• Lipidi
• Carboidrati
• Proteine
• Amminoacidi e loro intermedi (glutammato, lisina…)
• Vitamine

Metaboliti secondari

Prodotti di biosintesi con un ruolo metabolico definito o secondario (non precisabile). Sono prodotti durante la fase stazionaria del microrganismo e sono collegati con il metabolismo primario, infatti solitamente sono prodotti a partire da metaboliti primari o loro intermedi. Possono avere attività antibiotica, antitumorale, addensante (es Aspergillus terreus può attaccare unità di acetato a dare polichetidi, come le statine, che sono anticolesterolemici).

Prodotti complessi

Molto usati nel settore alimentare sono prodotti non isolabili, ottenuti dall’insieme del substrato trasformato e i microrganismi.

Preparazioni alimentari:

• Bevande alcoliche, aceto, latte fermentato, prodotti caseari, cibi orientali fermentati

Conservazioni alimentari:

• Vegetali fermentati, foraggi insilati, stagionatura carni essiccate

Lavorazioni diverse:

• Macerazione di fibre tessili (canapa, lino, juto), trattamento di rifiuti liquidi e solidi

Prodotti da DNA ricombinante

Sono gli OGM e sono prodotti da microrganismi nel cui DNA sono stati inseriti geni che codificano per la sintesi di specifici composti, di difficile classificazione per la loro eterogeneità.

Diverse forme di resa

Di conversione (Y):

• Esprime l’efficienza di conversione del substrato in prodotto ed è espressa come il rapporto tra la quantità di prodotto formato e il substrato consumato. È un numero adimensionale tra 0 e 1 che può essere espresso anche in percentuale.
• Prodotto formato = Y substrato consumato

Di fermentazione:

• Esprime i grammi di prodotto (espressi in peso secco generalmente), per litro di brodo-coltura.
• g prodotto resa di fermentazione = L brodo coltura

Nel caso delle biomasse microbiche la resa di conversione è 0,5 per substrati carboidratici, mentre raggiunge 1 nel caso di substrati ridotti. La resa di fermentazione invece varia tra 20-40 g/L, con eccezione di Saccharomyces cerevisiae che ha 60 g/L. Per i prodotti complessi non è possibile determinare la resa di conversione e di fermentazione perché è complicato distinguere la biomassa prodotta.

Composizione terreni colturali

In ambito industriale sono liquidi, mentre quelli solidi sono usati solo per il mantenimento della coltura iniziale, evitando la perdita del ceppo. Il terreno colturale deve fornire tutte le sostanze nutritive necessarie alla crescita, alla biosintesi dei metaboliti desiderati, per questo deve sempre contenere C, N, sali inorganici (soprattutto solfato di magnesio MgSO₄), vitamine o altri fattori di crescita, eventuali precursori.

Sintetici:

• Formati da materie prime chimicamente pure e quindi con un costo maggiore, generalmente impiegati in laboratorio perché facilmente standardizzabili. Forniscono una crescita microbica e produzione di metaboliti limitata.

Complessi:

• Formati da materie prime grezze sono quindi più economici e utilizzabili su larga scala, ma difficilmente standardizzabili. Favoriscono la crescita microbica e la produzione di metaboliti.

Fattori da considerare nella creazione di un terreno colturale:

• Massima resa di conversione.
• Minima formazione di prodotti secondari indesiderati.
• Rifornimento costante delle materie prime.
• Massima resa di fermentazione.
• Standardizzazione delle materie prime.
• Inconvenienti legati alle materie prime (aerazione, agitazione…).
• Massima velocità di formazione del prodotto.
• Costi.

Fonti di carbonio

Le fonti di carbonio possono essere rinnovabili (origine naturale) in cui la CO₂ è la più semplice e disponibile, oppure non rinnovabili (di origine petrolchimica) che ne fanno esempio gli alcoli a catena corta (alcani).

Carboidratiche:

• Pure: sono più costose e comprendono monosaccaridi (glucosio prevalentemente), disaccaridi (saccarosio e lattosio), oligosaccaridi (maltodestrine o intermedi di degradazione dell’amido) e polisaccaridi (amido e cellulosa).
• Amido: si differenzia in base alla solubilità: quello insolubile con catena più lunga, mentre quello solubile più corta, ma un costo maggiore.
• Cellulosa: polimero di glucosio con legami β-1,4-glicosidici, difficilmente utilizzata dai batteri, mentre è utilizzata per lieviti e muffe.

Grezze:

• Coincidono con le fonti rinnovabili e sono:
• Melasso: residuo del processo di cristallizzazione del saccarosio, si presenta come viscoso e bruno che in base all’origine (da barbabietola o canna da zucchero) presenta composizione chimica diversa. La biotina ad esempio, importante per i microrganismi, è maggiore nel melasso da canna da zucchero.
• Corn molasse: è un residuo di acque dall’estrazione dell’amido di mais, composto al 60% di zuccheri, con molto glucosio. Non è utilizzabile come substrato a causa dell’elevata pressione osmotica dovuta all’elevato contenuto di minerali.
• High test molasses: prodotto principale dell’evaporazione con parziale inversione a partire dalla canna da zucchero. È uno sciroppo con un contenuto zuccherino dell’80-85%.
• Liscivio solfitico: residuo del processo di produzione della cellulosa dal legname, contenente il 20% di zuccheri fermentescibili, tra cui anche pentosi come xilosio e arabinosio che non sono metabolizzati da tutti i microrganismi.
• Estratto di malto: deriva dal processo di aumento del contenuto zuccherino dell’orzo, così da renderlo un substrato ottimo in fase di produzione della birra. È ricco di pentosi ed è ottimo per lieviti e muffe.
• Destrine: si ricavano dall’idrolisi dell’amido e sono solubili. Sono le ramificazioni e quindi ricche di legami α-1,6-glicosidici, ma la capacità di liberare glucosio dipende dai legami α-1,4.