Microbiologia industriale

Microbiologia industriale

Evoluzione scientifica

La microbiologia è una disciplina abbastanza recente dal punto di vista dell'evoluzione delle popolazioni. Nel settore alimentare, da quando l'uomo si è organizzato in un ambiente civile, ha avuto a che fare con microrganismi: il latte non può essere conservato per lungo tempo perché altrimenti, se bevuto, causava problemi di salute; inoltre, se un impasto viene conservato per la lavorazione successiva, si ha la possibilità di ottenere un prodotto con caratteristiche simili. Osservando questi eventi, la popolazione ha capito che le trasformazioni nei prodotti alimentari potevano essere utili o che invece portavano allo scarto di un prodotto.

La produzione dei formaggi e latti fermentati è molto antica: nel museo degli Egizi di Torino sono presenti reperti che testimoniano la produzione di un alimento in cui microrganismi avevano un certo ruolo. La produzione di determinati alimenti, di un mosto fermentato, era però un utilizzo inconsapevole, non si sapeva che nell'impasto ci fosse il lievito, ma soltanto che conservando parte dell'impasto si aveva la possibilità di ottenere la stessa lievitazione. La microbiologia nasce con l'invenzione del microscopio, ovvero verso la seconda metà del sedicesimo secolo quando nasce un sistema per ingrandire un campo visivo; una volta che il microrganismo è stato individuato, viene isolato e studiato e così si è potuto capire il suo ruolo nella produzione alimentare e provvedere a uno sfruttamento consapevole applicando agenti microbici selezionati per esigenze specifiche. Oltre a capire il microrganismo responsabile, lo si seleziona per specifiche esigenze di processo.

L'evoluzione cronologica che ha portato alla conoscenza in ambito microbiologico e industriale e allo sfruttamento dei microrganismi ha origini antichissime: la lievitazione e la produzione di vino nascono con gli Egizi molti anni avanti Cristo. È necessario arrivare fino al 1780 per avere un processo selezionato per fare cellule che lievitino un impasto e per venderle in modo da avere un ricavo; tra gli Egizi e il 1780 ci sono di mezzo il microscopio, l'allestimento di colture di laboratorio, la preparazione dei terreni, serie di prove, la valutazione e la classificazione dei microrganismi.

Il lievito da pane non si vendeva selezionato ma per fare il pane si usava un residuo che proveniva dalla lavorazione della birra perché la biomassa usata per fare la birra veniva separata e usata poi per fare il pane; nella birra c'è il luppolo che è una sostanza amaricante. Si è poi selezionato un lievito apposta per la vendita: si tratta di cellule di lievito vendute in panetti 70% di acqua 30% di cellule vive e vitali.

Alla fine del 1800 viene allestito il primo impianto industriale di produzione di un prodotto derivato da un microrganismo, ovvero l'acido lattico, un acidulante prodotto dai batteri lattici; si ha poi la scoperta della penicillina da Fleming, un microbiologo clinico che ha studiato l'effetto dei microrganismi sulla salute umana, in particolare gli streptococchi che stanno fondamentalmente in gola. Egli per caso trovò una piastra in cui erano presenti le colonie di streptococchi e una muffa, ovvero un inquinante; notò che intorno alla muffa a una certa distanza non c'era neanche una colonia in quanto essa era riuscita a uccidere gli streptococchi. Utilizzando un'ansa e depositando la muffa in un'altra piastra di coltura riuscì a ottenere il Penicillium, un ceppo particolare da cui è stata poi estratta la penicillina.

La muffa è in grado di produrre un composto in grado di eliminare gli streptococchi: nascono così gli antibiotici che colpiscono alcuni tipi di microrganismi, posseggono uno spettro d'azione. Intorno agli anni 40 negli Stati Uniti sono poi nate le prime aziende in cui si produceva penicillina offrendo la possibilità di curare le ferite dei militari al fronte favorendo la vittoria degli Stati Uniti nella guerra mondiale. Da qui è poi nata la ricerca sugli antibiotici grazie all'isolamento di tantissimi microrganismi; molti batteri sono diventati resistenti agli antibiotici quindi in questi ultimi anni la ricerca si è rivolta verso il ritrovamento di ceppi particolari per produrre nuovi antibiotici.

Tra il 1972-73 nasce la tecnologia del DNA ricombinante dando il premio Nobel a Cohen e Boyer; successivamente negli anni 2000 venne pubblicata la sequenza del genoma umano a cui sono seguite moltissime scoperte e invenzioni che hanno contribuito all'evoluzione dello studio dei microrganismi, al loro sfruttamento e all'applicazione in ambito industriale.

Biotecnologia

La biotecnologia è l'applicazione consapevole di agenti biologici semplici, quindi cellule microbiche, vegetali, animali vive o morte, o dei loro componenti per allestire operazioni tecnologiche utili per le produzioni di beni o servizi. Avere un processo biotecnologico significa usare in maniera controllata e consapevole un microrganismo o le sue cellule o una sua parte per fare beni, ovvero cose che si possono prendere, o servizi per effettuare azioni che sono di interesse per la comunità.

La biotecnologia non deve essere confusa come attività relativa alla ricombinazione del DNA; un processo biotecnologico è ad esempio la produzione di lievito da pane o di acido citrico (da muffa) quindi non significa ricombinare il DNA ma applicare un microrganismo per produrre qualcosa. La depurazione degli effluenti è un processo biotecnologico utilizzato per depurare l'acqua.

I beni che si possono produrre sono:

• Biomasse microbiche per la nutrizione animale o umana, come ad esempio in un foraggio per incrementare l'acido glutammico prodotto dai batteri
• Commodities chimiche come l'acido citrico, glutammico e alcuni amminoacidi
• Starters ed enzimi usati per fare partire un processo biotecnologico; quando si hanno detersivi biodegradabili è perché contengono enzimi che sono prodotti da batteri
• Probiotici, ovvero un microrganismo che se ingerito è in grado di arrivare fino all'intestino e colonizzarlo con effetti benefici sulla salute dell'uomo
• Vaccini, inoculanti del suolo o delle piante
• Specialità come antibiotici e vitamine

I servizi che possono essere forniti dalla biotecnologia sono la depurazione degli effluenti: nell'acqua (es. della pasta amido) gli inquinanti vengono messi a contatto con i microrganismi che si cibano delle sostanze presenti in essa favorendo la depurazione. La valorizzazione di residui agro-industriali in quanto gli scarti possono diventare anche molto importanti: le insalate di quarta gamma sono già pronte, impacchettate e lavate; molte aziende che fanno vegetali di quarta gamma nella parte est Lombardia scartano il 50% di quello che raccolgono. Questo perché da 100 kg di vegetali ne finiscono 50 kg; si cerca di valorizzare gli scarti utilizzando microrganismi in impianti che riescono a produrre il metano. Molte ricerche di chi fa microbiologia industriale si basano sul trovare qualcosa di interessante; si ha quindi una diagnostica mirata e la terapia mirata. Con questi sistemi si creano anticorpi a partire da cellule microbiche.

Quando si allestisce un processo biotecnologico sono tante le competenze da avere in gioco come la biochimica, la chimica, la finanza, l'economia, l'ingegneria ecc.

La fermentazione

La fermentazione è una via metabolica che si instaura in assenza di ossigeno; la definizione in senso lato è la seguente: la fermentazione è un processo che prevede l'impiego di un microrganismo sia che si trovi in anaerobiosi che in aerobiosi. Le fermentazioni tradizionali sono quelle usate per produrre birra, vino, yogurt, lievito, aceto, prodotto latteo-caseari; le fermentazioni moderne nascono con il secondo dopoguerra (1945) e prevedono l'impiego di un bioreattore controllato nelle condizioni e nelle variabili di processo e l'uso consapevole dei microrganismi. Importante è ricordare che coltivare significa trattare i microrganismi e che la popolazione microbica si identifica come microbiota.

In un processo microbiologico industriale si può separare ciò che avviene in un'industria con equazione in forma semplificata:

→ S + X P

Dove S sta per substrato (ingredienti, terreno colturale), X sta per cellule microbiche, la freccia sta per processo produttivo e P è il prodotto che si vuole vendere. Se per produrre si spende più di quello ricavato nella sua vendita non conviene; il processo deve essere economicamente conveniente, bisogna avere un ricavo.

X = microrganismo

Spesso in un processo poco controllato non è un solo microrganismo quello che viene impiegato ma una popolazione mista; ad esempio, quando si fa un formaggio si può avere una coltura mista di batteri lattici. In altri casi si ha bisogno di una coltura pura, caratterizzata da un solo microrganismo non inquinato mantenuto in un modo per cui si può far ripartire il processo e si sa che viene sempre la stessa cosa. Altre volte si può utilizzare microrganismi geneticamente modificati (con restrizioni) che hanno subito una manipolazione genetica; nel settore FOOD questo non sempre è consentito: se la manipolazione è condotta deve essere fatto applicando una serie di procedure ristrette. Spesso nel settore alimentare è necessario che i microrganismi appartengano a una determinata categoria come ad esempio GRAS - Generally Recognized As Safe; per fare lo yogurt non si utilizza la Salmonella perché non sono microrganismi sicuri ma si possono usare batteri lattici GRAS ovvero che sono sicuramente sicuri e che non portano all'instaurarsi di patologie e che nella loro genealogia non hanno nessuno individuo che abbia caratteristiche di patogenicità.

Un'azienda prende un microrganismo isolandolo da un habitat naturale (suolo, aria, acqua, prodotto alimentare) per vedere se è presente qualche microrganismo utile per il processo; in alternativa, esiste la possibilità di rivolgersi a una serie di società che si occupano di collezionare i microrganismi, ovvero le collezioni ufficiali che sono sparse per tutto il mondo, sono enti a cui ci si può rivolgere per avere un microrganismo. Ad esempio, ATCC è americana, alcune sono specializzate come la Pasteur che colleziona solo batteri; CABI in UK fa solo funghi superiori; Yeast lieviti. Si tratta di enti a cui ci si rivolge per acquistare ceppi; per allestire una prova, essi sono ordinabili se si è ricercatori mentre un'azienda non ha un accesso così facile perché ci ricava un profitto e quindi la cessione di un ceppo non è immediata. La collezione ufficiale contratta con l'azienda il costo; ecco perché per alcune aziende l'unica alternativa è l'isolamento da un habitat naturale.

Il microrganismo può essere una popolazione mista o una coltura pura (maggior parte processi industriale); i microrganismi si possono isolare da habitat naturali o da collezioni ufficiali che servono a mantenere la biodiversità tra i vari microrganismi. Se si lavora per un ente di ricerca si ha la possibilità di ottenere facilmente il ceppo rivolgendosi alla collezione europea/Francia/Germania; se però questa si trova negli Stati Uniti possono verificarsi problemi in dogana perché un ceppo di batteri non può muoversi come vuole. Ogni stato che ha una dogana centrale e per muovere i microrganismi deve avvenire il passaggio; mentre all'interno delle macro-aree è più facile. Si paga un prezzo simbolico per i ceppi utilizzati per le esercitazioni fino a 200-300€, mentre un'azienda con il processo produttivo ha un ricavo e chi fornisce il ceppo non vuole far pagare solo fornitura ma anche quello che poi il ceppo produce quindi si hanno degli accordi più complessi. Molte aziende cercano di isolarli perché così sono svincolate dal contratto.

S = Substrato

Il substrato ha un ruolo fondamentale nell'efficienza del processo fermentativo quando si formula un terreno colturale. I fermentatori sono grandi anche di 1 milione di litri; il quantitativo di substrato necessario per il fermentatore è enorme, come anche la massa di ingredienti e quindi è molto significativo sul costo dell'intero processo. Circa il 40% del costo dell'intero processo deriva dalla formulazione degli ingredienti; se si sbaglia si può far costare molto di più il processo e quindi ottenere un ricavo ridicolo e andare in perdita. Tutte le aziende della microbiologia industriale provvedono alla ricerca di substrati più economici in assoluto; il substrato deve essere economico ma funzionale al microrganismo. Le aziende sono sempre alla ricerca degli ingredienti e li recuperano dai residui del settore agro-alimentare: ad esempio, il saccarosio come fonte di carbonio non viene utilizzato puro ma si mette il residuo della produzione dei succhi di frutta che contengono carbonio; allo stesso modo, non si utilizza il lattosio puro ma si recupera il siero del latte che è un residuo del settore latteo-caseario. Si ha quindi una possibilità di recupero per far crescere i microrganismi; è fondamentale la scelta del substrato.

I fattori che bisogna tenere in considerazione sono:

• Il costo
• La disponibilità, ovvero se si fa una purea di frutta che può essere raccolta in un solo periodo si recupera il residuo della purea ma non si può lavorare solo nel periodo quando c'è il residuo, non si può procedere alla chiusura dell'azienda, si devono avere le possibilità di stoccarlo e conservarlo
• Si tratta di tir cisterne di residuo quindi bisogna avere il posto dove stoccarlo in maniera appropriata in quanto non si deve alterare, inquinare, essere soggetto a muffe
• Deve essere facilmente trasportabile, sterilizzabile; bisogna eliminare tutti i microrganismi presenti nel terreno e metterci solo quello voluto

La presenza di un altro microrganismo comporta il rischio di buttare tutti i soldi spesi per fare il processo. Uno dei problemi più grossi è la gestione del processo produttivo in un fermentatore su grande scala; se il microrganismo è aerobio bisogna insufflare aria nel fermentatore con la conseguenza diretta della formazione di schiuma. È fondamentale che le schiume non interferiscano con il processo produttivo. Bisogna fornire le più alte rese di fermentazione e di conversione. La formazione di prodotti secondari deve essere minima, bassa rispetto a quello che interessa. Il substrato non deve presentare problemi in relazione a tossicità, infiammabilità, esplosione ecc.

P = Prodotto

Qualsiasi cosa che si ottiene deve essere economicamente conveniente; ad esempio, l'acido glutammico è un esaltatore di sapidità nei dadi per il brodo ed è prodotto per via microbica o per sintesi chimica con reazioni a partire da substrati di sintesi. Se si vuole l'acido glutammico per via microbica il processo deve essere conveniente in termini di costi e competitivo con la via di sintesi chimica altrimenti non ha senso su scala industriale. I costi di produzione non sono solo relativi al terreno ma anche a fine processo per la purificazione del prodotto. Tutto deve essere economicamente conveniente: dalla scelta degli ingredienti alla purificazione. I prodotti che si possono ottenere sono due gruppi di composti: metaboliti primari e secondari.

I metaboliti primari vengono sempre prodotti dalla cellula mentre si sta sviluppando in quanto sono essenziali per la vita della cellula; l'acido lattico è un prodotto del metabolismo primario di un batterio lattico. I metaboliti secondari sono i composti che il microrganismo sintetizza non durante lo sviluppo ma in fase stazionaria, non sono essenziali per la crescita e la riproduzione della cellula; quando sta finendo il substrato o si accumula qualche componente tossico per il microrganismo ha inizio una fase di decelerazione a cui segue quella stazionaria dove le cellule morte equivalgono quelle vive; dopo di che si ha la fase di morte o nuovamente di crescita.

Le ultime fasi dal punto di vista produttivo non hanno senso: quando inizia fase di decelerazione si ferma il fermentare perché non ha più senso e in quel punto si può avere la biomassa e i metaboliti primari massimamente prodotti; se si vogliono i metaboliti secondari bisogna portare avanti nel tempo il processo fermentativo per il tempo necessario ad entrare nella fase stazionaria e di iniziare ad aprire le vie metaboliche che fino a alla fine della fase di crescita erano interrotte.

I prodotti della microbiologia industriale

Il primo prodotto è la biomassa, ovvero le cellule prodotte per essere vendute; le biomasse vengono cresciute per essere vendute. Ci sono biomasse di lieviti del genere Candida utilis che sono prodotte per essere inserite nella formulazione dei mangimi per aumentare il valore nutrizionale in termini di proteine; oppure alcune biomasse di funghi che sono microrganismi; oppure esiste la possibilità di fare biomasse per recuperare all'interno ciò che serve, si applica la lisi di alcuni lieviti per fare estratti vitaminici che vengono messi in commercio; si riproducono biomasse perché utili in quanto posseggono un'attività che viene sfruttata da chi li compra, come il lievito da pane che viene venduto in panetti; si producono batteri lattici per venderli a chi fa yogurt/formaggi; c'è anche la possibilità di usare colture insetticide di microrganismi che vengono poi usate sul suolo e hanno un'azione molto specifica e selettiva su alcuni insetti; infine, le colture possono essere usate nelle fasi di depurazione. In tutti i casi se si fa una biomassa si scarica il fermentatore quando si vede la fase di decelerazione perché non ha senso portare avanti il processo fermentativo quando non si ha un incremento di biomassa significativo. Questo vale per i metaboliti primari in quanto vengono prodotti sempre nel corso dello sviluppo microbico (esempio acido lattico).