Microbiologia generale - fermentazione industriale

La fermentazione

La fermentazione, da un punto di vista strettamente chimico, è un processo ossidativo-anaerobico svolto da numerosi organismi a carico di carboidrati e, più raramente, amminoacidi, per la produzione di energia necessaria alla loro sopravvivenza. La respirazione è un altro processo che consente di ottenere energia, nel quale l’accettore finale di elettroni è una sostanza inorganica; la fermentazione invece è caratterizzata da un accettore finale di elettroni organico.

Processo di fermentazione

In termini più specifici, è un processo attraverso il quale gli elettroni e gli ioni idrogeno dal NADH prodotti nella glicolisi sono donati ad altre molecole organiche per rigenerare NAD⁺. Si ha quindi l’ossidazione parziale di una molecola organica in cui il NAD⁺ è sempre ridotto a NADH e svolge il ruolo di trasportatore di elettroni, le rese energetiche sono basse.

Tipi di fermentazione

Esistono diversi tipi di fermentazione, tra le più conosciute, la fermentazione lattica e la fermentazione alcolica.

Fermentazione lattica

Nella fermentazione lattica, messa in atto da batteri detti lattobacilli e nelle cellule umane in condizioni di anaerobiosi, precisamente nelle cellule muscolari, i due atomi di idrogeno vengono trasferiti sul carbonio 2 dell’acido piruvico in modo da ottenere acido lattico:

CH₃COCOO^- + (NADH + H⁺) → CH₃CHOHCOO^- + NAD⁺

(Ac. piruvico + NADH → Ac. lattico + NAD⁺)

Fermentazione alcolica

La fermentazione alcolica ha come risultato la trasformazione degli zuccheri in alcol etilico ed anidride carbonica. Tale processo è alla base della produzione delle principali bevande alcoliche, ma anche alla base della lievitazione del pane. Il processo viene svolto solo da funghi unicellulari, detti lieviti. Tali organismi, inizialmente messi a contatto con il terreno di coltura, svolgono una respirazione aerobica, utilizzando quindi l’ossigeno e trasformando gli zuccheri in anidride carbonica e acqua. Poi dall’interno della massa in fermentazione, a causa della scarsità di ossigeno, i lieviti passano alla fermentazione sfruttando l’energia degli zuccheri ed ossidandoli anaerobicamente in alcol etilico ed anidride carbonica.

Fermentazione industriale

Come già detto tale processo è molto usato nell’industria alimentare, da qui si rende quindi necessario lo sviluppo di tecnologie che possano gestire tale processo in grande numero ed alla massima efficienza per poterne trarre i vantaggi aspettati. Grazie ad una fermentazione continua industriale, i vantaggi sono infatti molteplici: La produzione di biomassa ed altri prodotti avviene in condizioni ottimali e costanti, la produzione risulta superiore poiché si evitano i tempi morti di una produzione discontinua, il tasso di crescita specifico può essere variato ed inoltre si può studiare la cinetica del processo e valutarne le rese al variare dei principali parametri.

Esiste anche un risvolto della medaglia, infatti la fermentazione continua presenta anche degli svantaggi o comunque delle problematiche che devono essere gestite, come: la necessità di mantenere costante la sterilità per lunghi periodi, bisogna inoltre evitare la degenerazione di ceppi, bisogna recuperare il prodotto da grossi volumi di brodo in cui esso è presente in concentrazione molto bassa, ed inoltre bisogna limitarsi ad ottenere prodotti associati allo sviluppo dei microrganismi, i metaboliti primari e mai quelli formatosi durante lo stato stazionario di crescita, i metaboliti secondari.

Classificazione delle fermentazioni industriali

Le fermentazioni industriali si dividono in 3 tipi:

• Le fermentazioni del primo tipo sono quelle in cui il prodotto principale è il risultato diretto del metabolismo energetico primario con correlazione ponderale tra substrato e prodotto, come: fermentazione alcolica dei lieviti, fermentazione batterica omolattica, e la biomassa.