microbiologia industriale - riassunto

PRECURSORI

Sostanze che sono incorporate dal microrganismo e aumentano le rese.

• L'acido fenolico che aggiunto nel terreno, non deve essere sintetizzato dal microrganismo e quindi viene direttamente usato a dare la penicillina G
• Cobalto per la produzione di cianocobalamina (B12)

ACQUA

Si usa generalmente acqua di rete o di fonte, mentre per i trattamenti viene utilizzata quella distillata. È importante il contenuto di oligoelementi per le rese di fermentazione e dove è possibile, si ricorre al riciclo. L'acqua viene usata principalmente per termostatare, lavare, sterilizzare, portare in soluzione sostanze del terreno colturale.

TERMINOLOGIA

• Terreno colturale: soluzione o sospensione che contiene tutti gli ingredienti per lo sviluppo microbico
• Inoculo: sospensioni di microrganismi da impiegare nel processo
• Brodocoltura o coltura liquida: ciò che si ottiene inoculando i microrganismi nel terreno colturale e incubando in condizioni idonee. A fine processo la

coltura si separa in biomassa (cellule cresciute) e filtrato colturale (terreno esaurito dei nutrienti ed eventualmente arricchito con metaboliti).

TIPI DI COLTURA

• solida (1,5-2% agar): aerobia
• semisolida (0,2-0,3% di agar): anaerobia in cui i microrganismi vengono inoculati per infissione con un ago
• liquida: areata/agitata o stazionaria ottima per anaerobi obbligati/facoltativi, ad alto strato 50% del Vtot della beuta o basso 10%

FERMENTATORE

Reattore cilindrico ad asse verticale, munito di entrate ed uscite provviste di valvole, il cui volume utile è circa 2/3 del volume totale e lo spazio non occupato prende il nome di testata o cupola.

I microrganismi aerobi utilizzano ossigeno, entrando dall'ingresso A, mentre l'uscita è costituita dal sistema sparger B.

Il fermentatore può essere dotato di un albero motore C con agganciate delle giranti D che muovono la coltura.

Per evitare la formazione di un vortice centrale che da effetto centrifuga c'è un

frangiflutti E. Nella parte alta ci sono ingressi F per addizionare gli ingredienti. C'è uno sfiato per l'uscita del gas G sempre in alto, la cui valvola è regolata da un manometro H. C'è anche un punto di osservazione o botola I e una camicia di termostatazione L per quei reattori che devono tenere controllata la T.

SISTEMI DI CONTROLLO

Durante il processo possono variare pH, T, O2 disciolto, livello di schiuma, CO2, che sono tutti parametri interdipendenti tra loro e dipendenti dal t di processo.

Le variabili possono essere misurate e regolate, manualmente o automaticamente.

Il meccanismo di regolazione è un elemento sensibile dotato di sonda, che manda il segnale elettrico ad un componente che fa rilasciare l'agente controllante (es. antischiuma) contenuto in un serbatoio in modo continuo o discontinuo.

Antischiuma

Posso avere dispositivi chimico-fisici (sostanze antischiuma) oppure meccanici (giranti e turbine sulla cupola o cicloni).

(esterni)Temperatura

Parametro da cui dipendono la solubilità di ossigeno e nutrienti, la diffusione dei soluti nella coltura e la viscosità.

La T tende ad oscillare e viene pertanto controllata con:

1. Camicia esterna
2. Serpentina interna
3. Scambiatore a piastre

La T tende a risalire grazie a reazioni esotermiche microbiche e alla trasformazione dell’energia meccanica dell’agitatore in calore.

Ossigeno

Il controllo dell’ossigeno viene fatto mediante sistemi di areazione e agitazione

SISTEMA DI AGITAZIONE

Formato da un albero a motore e una girante, ma in fermentatori molto grandi viene sfruttata la spinta dell’aria insufflata dal basso.

SISTEMA DI AREAZIONE

Tenuto spento in caso di processo anaerobio, fornisce aria immagazzinata in un compressore a 2 atm, alla cui uscita c’è una valvola riduttrice che riduce la P fino a 0,5-1atm.

L’aria che passa attraverso una serie di ste di purificazione deve essere disoleata e

deumidificata. Viene poi sterilizzata per filtrazione poi viene insufflata nel fermentatore attraverso un flussimetro. La portata dell'aria si misura in vvm ossia volume di aria per volume di brodocoltura al minuto (generalmente si usa 1vvm). L'aria viene dispersa grazie allo sparger che facilità la dispersione delle bolle di aria, ma più le bolle sono piccole e maggiore è il rischio di schiuma. Gli sparger possono essere anulari o a pettine.

STERILIZZAZIONE DEL FERMENTATORE

Viene mantenuta comunque una blanda agitazione per evitare la formazione di zone surriscaldate e per avere un scambio uniforme di calore.

1. Contemporanea di fermentatore e brodo colturale

Può avvenire per iniezione diretta di vapore (diluisco il terreno) o con vapore compartimentato (camicia, serpentina...)

2. Separata di fermentatore e terreno colturale

Riduco i tempi morti perché il contenitore vuoto si sterilizza prima (con vapore). Il terreno lo sterilizzo o in continuo o in discontinuo.

Tenendo presente che il primo metodo non comporta danno termico.

TIPI DI COLTURA E IMPIEGHI

Batch (sistema chiuso)

Il microrganismo è inoculato nel bioreattore, il quale contiene un V fisso di terreno colturale.

Vi=Vf

Nel corso del processo non ci sono aggiunte di terreno, né prelievi e lo sviluppo avviene a spese dei nutrienti, con formazione di biomassa.

Feed-batch (aperto in ingresso)

Il microrganismo è inoculato nel bioreattore, nel quale è presente una quantità limitata di terreno colturale.

>Vf Vi

Nel corso del processo ci sono aggiunte di terreno colturale, ma non si hanno prelievi e lo sviluppo avviene a spese dei nutriliti, con formazione di biomassa in livello superiore rispetto alla coltura batch.

Continua (aperto)

Nel corso del processo ci sono continue aggiunte di nutrienti, con contemporaneo prelievo di coltura e lo sviluppo cellulare procede nel tempo a velocità costante (a condizioni costanti).

LINEA DI

BIOMASSE MICROBICHE

processo di produzione