Microbiologia alimentare e industriale - microbiologia industriale

Processi fermentativi

Introduzione

La moderna microbiologia industriale deriva dall’applicazione di agenti microbiologici selezionati per specifiche esigenze di processo. Le biotecnologie classiche hanno radici antichissime e il settore alimentare è uno dei campi di applicazione più vasto e più remoto, consentendo di convertire le biotecnologie classiche da tecnologie sfruttate passivamente a sistemi di trasformazione pilotati e controllati (identificata come pro tecnologia).

La nascita della microbiologia industriale coincide con gli studi effettuati da Luis Pasteur sulla fermentazione lattica e alcolica; il risultato fu la scoperta di un’attività microbica e non un processo chimico.

Le biotecnologie microbiche trovano ampia applicazione nella microbiologia industriale. Si identifica l’applicazione deliberata e controllata di agenti biologici semplici, quali cellule vive o morte o loro componenti, in operazioni tecnologiche utili per la produzione sia di beni che servizi.

Lo studio dei processi fermentativi dà origine allo sviluppo di una nuova disciplina: la biotecnologia delle fermentazioni.

Processi fermentativi

Con il termine fermentazione si intende:

• In senso storico: comprendono processi relativi all’ottenimento di prodotti del settore alimentare.
• In senso stretto: si intendono i processi anaerobici associati alle vere fermentazioni (lattica, propionica, butirrica e aceton-butilica).
• In microbiologia industriale: identifica un processo che utilizza m.o. sia in anaerobiosi che in aerobiosi, come mezzo di produzione di beni e servizi in condizioni controllate.

Un processo microbiologico comprende diversi step:

• Di reazione: fase di fermentazione (upstream).
• Di isolamento del prodotto: tutte le fasi che seguono la fermentazione (downstream).

SUBSTRATO + CELLULE → PRODOTTO

Microrganismo

I processi fermentativi sono basati sulle attività dei m.o. consentendo di ottenere un’ampia gamma di prodotti. Si possono avere popolazioni miste o di colture pure (ottenute inizialmente screeming) e spesso sottoposti a procedure di mutagenesi al fine di incrementare la produttività. L’ingegneria ha messo a punto processi che prevedono l’impiego di m.o. ricombinanti. Possono essere anche ottenuti da collezioni ufficiali e possono essere di piccole dimensioni (per risalire a una specie) o di grosse per una produzione industriale.

Substrato

Varia a funzione del m.o. e dal prodotto da ottenere. Frequentemente è dall’accoppiata m.o./substrato che dipende l’economia del processo. Composti principalmente da prodotti grezzi (da residui agroalimentari o surplus agricoli). Numerosi sono i fattori da considerare:

• Costo e disponibilità.
• Facile trasporto e stoccaggio.
• Sterilità senza modificare tramite denaturazioni.
• Caratteristiche chimico-fisiche che non influenzano negativamente il processo.
• Ottenimento di alte rese.
• Minima formazione di prodotti secondari.
• Assenza di problemi di tipo igienico-sanitario.

Prodotto

I fattori da cui dipende l’economia di un processo sono influenzati dalla resa associata alla procedura di isolamento e purificazione in relazione al valore del prodotto. È inoltre fondamentale l’approccio interdisciplinare tra microbiologi, chimici e ingegneri per ottimizzare il processo, dall’idea al prodotto sul mercato.

Criteri di classificazione dei processi fermentativi

In base all’attività metabolica si possono suddividere in:

• Metaboliti primari: essenziali per la vita e la riproduzione della cellula e sono simili in tutti i m.o.
• Metaboliti secondari: non sono essenziali per lo sviluppo e la riproduzione.

Le biomasse microbiche appartengono alla classe di prodotti più facilmente ottenibili come risultato di una catena di reazioni degradative-energetiche (cataboliche) e assimilative-biosintetiche (anaboliche). Più eterogenea appartiene alla classe di prodotti derivanti dal metabolismo energetico primario. Un’altra classe comprende i metaboliti secondari detti di biosintesi, ottenibili dalla catena di reazioni del metabolismo biosintetico secondario accumulati nella fase che segue lo sviluppo microbico. Una classe particolare è costituita dai prodotti complessi che comprende in larga scala i prodotti del settore alimentare. In questo caso i m.o. producono una notevole modificazione del substrato di partenza trasformandolo in toto che generalmente comprende anche i m.o.

Biomasse microbiche

Le biomasse microbiche sono prodotte in funzione del loro contenuto o della loro attività su substrati diversi. Le biomasse possono essere impiegate integralmente (non vitali) in funzione al loro contenuto proteico vitaminico. Oppure possono essere estratti prodotti diversi destinati al settore alimentare e farmaceutico. Le biomasse possono essere inoltre impiegate (in forma vitale) per la loro attività su substrati complessi o ambienti particolari o biotrasformazione su molecole particolari.

Metaboliti primari: prodotti finali o intermedi del metabolismo energetico riservati al terreno colturale, ove si accumulano e da cui vengono estratti (etanolo).

Metaboliti secondari: è riconosciuta anche come prodotti di biosintesi derivati da meccanismi di biosintesi microbica, in molti casi complessi, possono avere un ruolo ben preciso o in ogni caso individuale e vengono generalmente prodotti a partire da metaboliti primari o loro intermedi che fungono quindi da precursori. Sono prodotti prevalentemente da muffe, batteri filamentosi e sporigeni.

Il coefficiente di resa è uno dei parametri impiegati per la caratterizzazione dei processi fermentativi: Y = prodotto formato / substrato consumato. Un altro parametro ai fini dell’economia di processo è la resa di fermentazione in peso secco.

Terreni culturali e materie prime

Introduzione

La necessità nutrizionale dei vari m.o. sono diverse in base ai meccanismi di produzione dell’energia:

• Autotrofi fotolitotrofi
• Autotrofi chemiolitototrofi
• Eterotrofi fotorganotrofi
• Eterotrofi chemiorganotrofi

Anche l’ossigeno rappresenta un componente nutritivo essenziale nei processi aerobi. Un terreno colturale deve fornire al m.o. tutte le sostanze nutritive necessarie alla crescita, alla produzione di energia e alla produzione di metaboliti desiderati. I terreni possono essere divisi in:

• Sintetici: costituiti da materie prime chimicamente pure impiegati a livelli di laboratorio. Più facile standardizzazione qualitativa e quantitativa. Di solito forniscono poca crescita microbica e produzione di metaboliti limitata, ma ci sono delle eccezioni.
• Complessi: contengono anche materie prime grezze e utilizzati su larga scala.

N.B: la composizione di terreni per la produzione degli inoculi è generalmente più semplice di quella dei terreni impiegati nella fase di produzione.

Fonti di carbonio

La CO₂ è la più semplice e rinnovabile fonte di carbonio disponibile utilizzabile dai m.o. I carboidrati utilizzati come fonti di carbonio sono principalmente:

• Monosaccaridi (glucosio)
• Disaccaridi (saccarosio e lattosio)
• Oligosaccaridi (malto destrine)
• Polisaccaridi (amido e cellulosa)

Le fonti di carbonio in forma grezza più comunemente impiegate sono il melasso (di barbabietola e di canna) e il corn molasse. Con il termine melasso si intende il residuo finale della cristallizzazione del saccarosio, in altri termini si intendono sottoprodotti o residui di processi estrattivi per l’ottenimento di zuccheri diversi dal saccarosio. Esso è un sottoprodotto dell’industria saccarifera, che residua dalla cristallizzazione del saccarosio ottenuto dalla estrazione dalla barbabietola o dalla canna da zucchero.

BARBABIETOLA/CANNA → ESTRAZIONE (estrazione acquosa) → ESTRATTO ACQUOSO → PURIFICAZIONE (per rimuovere le sostanze diverse dal saccarosio) → CONCENTRAZIONE (eliminazione di acqua) → CRISTALLIZZAZIONE → SACCAROSIO CRISTALLIZZATO → MELASSO

Fonti di azoto

Possono essere di tipo inorganico (Sali d’ammonio, ammoniaca gassosa, idrato d’ammonio, solfati e cloruri) che organico (amminoacidi, proteine e urea), nonché materie prime grezze di varia origine (farine di origine vegetale e animale). Altri componenti per la produzione di un terreno sono le vitamine e minerali. Gli antischiuma agiscono riducendo la tensione superficiale con conseguente abbattimento della schiuma. L’antischiuma ha come caratteristiche principali le seguenti:

• Rapida dispersione all’interno della coltura
• Buona attività anche a bassa concentrazione
• Attività prolungata nel tempo
• Tossicità
• Buona termo stabilità
• Costi contenuti
• Compatibilità con processi fermentativi

Nei terreni vi sono anche correttori di pH che possono avere un effetto significativo sulla resa finale tramite dei sistemi tamponi. I precursori sono sostanze che, aggiunte al terreno coltura, vengono incorporate dal m.o. nel prodotto di fermentazione aumentando le rese. Sono cioè parti metaboliche che il microorganismo produttore non è in grado di formare in quantità sufficientemente elevata, rispetto al resto della molecola. L’acqua è un ingrediente importante, non solo in relazione ai volumi necessari per la preparazione del terreno e la termostatazione, ma anche per le sue qualità e per il contenuto di singoli oligominerali.

Il fermentatore

I processi che prevedono l’impiego dei m.o. vengono comunemente condotti in fermentatori (o bireattori). Il volume utile è 2/3 del volume totale e lo spazio non occupato costituisce la testata (o cupola). N.B: se i m.o. devono lavorare in anaerobiosi non vi è insufflazione di aria, mentre se lavora in aerobiosi vi è insufflazione di aria e agitazione (con frangiflutto) per non creare zone senza ossigeno e altre con troppo.

È dotato anche di entrate e uscite utilizzabili per scopi e momenti diversi del processo e possono essere automatiche o manuali. L’uscita è di solito dotata di sistema refrigerante. È inoltre provvisto di valvola per i prelievi di brodo cultura eventualmente necessari durante il processo.

Il fermentatore è dotato di sistemi per il controllo delle diverse variabili; queste variabili dipendono le une dalle altre e tutte dal tempo di processo. Alcune variabili vengono, oltre che misurate anche regolate cioè governate entro certi limiti prefissati e serve per standardizzare un processo (facilità di ripeterlo).

Delle variabili che vanno controllate nel corso di una fermentazione, la formazione di schiuma è molto importante; si opera sui fattori che la originano (es. agitazione) e producendo il suo abbattimento perché può portare a rischi di inquinamento, perdita di materiale e riduzione di rese.

L’andamento di un processo fermentativo è direttamente collegato alla temperatura dalla quale dipendono:

• Solubilità dei gas e dei singoli nutriliti
• Diffusione dei soluti nell’ambito della coltura
• Costante d’equilibrio delle reazioni chimiche e biochimiche e quindi loro velocità
• Viscosità e caratteristiche chimico-fisiche del brodo cultura

L’aerazione in un processo aerobio è fondamentale: in una beuta avviene tramite semplice diffusione tramite un tappo di cotone, mentre in un fermentatore è possibile controllare il flusso che la pressione dell’aria che solubilizza l’ossigeno. Nel corso di questo processo l’ossigeno è rifornito attraverso una linea dell’aria che può essere più o meno complessa:

La velocità di risalita delle bolle d’aria è pressoché costante e di circa 25 cm/s. L’aria, salendo attraverso la fase liquida rimescola il brodo coltura con moti dipendenti da fattori quali:

• Velocità di risalita del gas
• Pressione e volume specifici dell’aria fornita
• Differenza di pressione tra base del fermentatore e superficie

In reattori privi di agitazione meccanica risulta fondamentale il rapporto larghezza/lunghezza ed è per questo motivo che i fermentatori si sviluppano in verticale.

Trattamento microbiologico delle acque reflue

L’inquinamento delle acque è l’effetto dello scarico nell’ambiente di acque, di sostanze o di energie tali da compromettere la salute umana, da nuocere alle risorse dei viventi e, più in generale, al sistema ecologico idrico e da costituire ostacolo a qualsiasi legittimo uso delle acque, comprese le attrattive ambientali. Su questo hanno creato:

• Valori limite di emissione
• Classificazione degli scarichi
• Controlli e sanzioni

Esiste anche un inquinamento naturale dovuto alle acque piovane che si arricchiscono di elementi di origine minerale e biologica. In tale situazione generalmente si instaura un equilibrio tra livelli di inquinamento e auto depurazione. Si hanno poi forme di inquinamento indotto di tipo permanente: quando la quantità di inquinanti è talmente elevata che l’ecosistema non riesce più a rigenerarsi autonomamente.