Microbiologia Industriale con quesiti esame

BORLANDE DI DISTILLERIA

È un residuo del processo dell’estrazione dell’etanolo (ottenuto per fermentazione da zuccheri,

cereali o melassi).

Contiene oltre al terreno colturale esausto, le cellule del lievito, inoltre contiene vitamine (niacina e

inositolo).

Proteine contenute 25% con vitamine del gruppo B.

Fonti di vitamine e fattori di crescita

Sono rappresentati da ingredienti particolari con costi relativamente elevati, non impiegabili come

fonti di azoto.

• ESTRATTO di LIEVITO, in polvere o in pasta, è ottenuto per lisi delle cellule di lievito (costo

elevato). Ricco di fattori di crescita ed impiegato in quantità moderata.

• IDROLIZZATO di CASEINA, ottenuto per idrolisi acida o enzimatica. Costi variabili ed è impiegato

per microrganismi esigenti. Contiene azoto (anche in forma amminica), NaCl (idrolizzato acido o

enzimatico), ceneri.

• MINERALI, solitamente l’acqua contiene livelli sufficienti di minerali (rame, ferro, cobalto,

manganese, zinco, ...). Talvolta però, per specifiche esigenze, possono essere impiegati specifici

sali.

• AGENTI ANTISCHIUMA, quali caratteristiche deve avere un agente antischiuma ideale?

- Deve avere una rapida dispersione all’interno della coltura;

- Avere una buona attività, anche a bassa concentrazione e con attività prolungata nel tempo;

- Deve essere non tossico e con una buona termostabilità;

- Avere dei costi contenuti;

- Essere compatibile con i processi fermentativi (fase di recupero, trasferimento ossigeno, ...).

Sul mercato sono presenti molti agenti antischiuma, ma nessuno possiede tutte queste

caratteristiche sopra elencate, per questo motivo si raggiunge un compromesso in funzione delle

esigenze.

1. OLI NATURALI: possono essere di origine vegetale (di soia) oppure completamente

metabolizzati (non residuano alla fine del processo di fermentazione).

2. ANTISCHIUMA SINTETICI: sono attivi a bassa concentrazione, e solitamente non metabolizzati

(siliconi e polipropilenglicol -PPG-), (permangono nella coltura a fine della fermentazione). Di

conseguenza ci sono possibili interferenze con le procedure di recupero del metabolita prodotto.

Correttori di pH

È un prodotto che può incidere significativamente sulla resa finale del prodotto. Possiamo

distinguere:

1. Sistemi tamponati: vengono aggiunti alla formulazione del terreno per mantenere i valori di pH a

valori prefissati. In fermentazioni tendenti all’alcalinità usiamo sali inorganici quali fosfati. In

fermentazioni tendenti all’acidità usiamo carbonato di calcio.

2. Acidi/basi: aggiunta di acido (ac. Solforico) o di base (idrato d’ammonio) in risposta ad un

segnale di modificazione del pH, rispetto al valore di set point impostato.

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Precursori e acqua

Precursori

Aggiungendoli al terreno di coltura, vengono incorporate dal microrganismo nel prodotto

aumentandone le rese.

Per esempio:

- L’acido fenilacetico viene incorporato nella molecola della penicillina G.

- Il cobalto nella produzione di vitamina B12.

- Il cloro nella produzione di clorotetraciclina.

Acqua

A livello industriale viene usata l’acqua di fonte.

È fondamentale soprattuto in relazione a:

- Volumi necessari alle preparazioni dei terreni colturali.

- Termostatazione.

- Qualità e contenuto dei singoli oligoelementi (importanti agli effetti delle rese di feremntazione).

Dal momento che sono necessari grossi volumi a livello industriale, ove possibile, si ricorre al

riciclo/reimpiego.

Criteri di scelta del tipo di coltura

In base a: Batteri

Microrganismi Lieviti

TIPO DI Funghi

CELLULA Cellule vegetali

Cellule animali Coltura di superficie

Aerobi

RICHIESTA DI Coltura sommersa

OSSIGENO Anaerobi

Liquido

SUBSTRATO Gassoso

Solido

Assoluta

STERILITÀ Assente

Laboratori (fino a 10L)

DIMESIONE Pilota (fino a 100L)

Produzione

Batch

TECNOLOGIA Fed-batch

Continua

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I processi che prevedono dei microrganismi sono condotti in

fermentatore (o bioreattore)

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Il fermentatore

Reattore cilindrico, ad asse verticale, munito di un certo numero di entrate ed

I processi che prevedono l’impiego dei microrganismi sono condotti in fermentatore (o in

uscite provviste di valvole

bioreattore). Reattore cilindrico ad asse verticale dotato di un certo numero di entrate ed uscite con

Il volume utile è circa 2/3 della capacità totale

valvole.

Il suo volume utile è circa 2/3 della capacità totale, e lo spazio non occupato costituisce la testata

Lo spazio non occupato costituisce la testata (o cupola)

(o cupola). A: ingresso aria

B: sparger

C: albero motore

D: giranti

E: frangiflutto

F: ingressi per correttori pH, antischiuma, etc.

G: uscita gas

H: manometro

I: botola

L: camicia

M: valvola e punto di prelievo

N: massimo livello di riempimento

Entrate e uscite Sistemi di controllo Termostatazione

- Inoculo Elettrodi per: Dispositivi esterni:

- Correttori di pH - Temperatura - Camicia

- Antischiuma - pH - Scambiatore a piastre

- Nutriliti - Schiuma

- Ingresso aria - Ossigeno Dispositivi interni:

- Uscite gas - Anidride carbonica - Serpentina

- Prelievo - ...

I processi che prevedono condizioni di anaerobiosi vengono allestiti in fermentatori privi dei sistemi

di aerazione e spesso anche di quelli di agitazione.

Nei processi aerobi invece è fondamentale il trasferimento di ossigeno dalla fase gassosa (aria) alla

fase liquida contenente le cellule (brodocoltura). L’immissione di aria avviene generalmente

attraverso un dispositivo di distribuzione: sparger.

La funzione è anche quella di rendere omogeneo il sistema miscela gas-liquido-

dell’agitatore

solido. E quindi per evitare la formazione di zone a elevata e/o limitata ossigenazione; gradienti di

concentrazione di cellule o metaboliti.

Sistemi di controllo

Il processo microbiologico può essere considerato come una complessa equazione nella quale

compaiono molti fattori che variano:

- Temperatura;

- pH

- Concentrazione nutriliti, O , metaboliti, cellule, ...

2

Queste variabili dipendo le une dalle altre, ma tutte dipendo dal tempo di processo.

Le variabili le possiamo dunque dividere in: ed

misurate misurale e regolate.

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Ad esempio il controllo della schiuma avviene attraverso l’uso di una sonda che attiverà una parete

elettrica (o elettronica), la quale farà rilasciare l’agente controllante (antischiuma) contenuto in un

serbatoio.

Temperatura

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

• Solubilità dell’ossigeno e dei singoli nutriliti

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• Diffusione dei soluti nella coltura attraverso le membrane cellulari

di controllo - Temperatura

• Viscosità e caratteristiche chimico-fisiche della brodocoltura

Solitamente nel corso di un processo la temperatura della coltura tende a salire. Quali possono

essere le cause? Modalità

• Reazioni esotermiche del metabolismo microbico

• Trasformazione in calore dell’energia meccanica del sistema di agitazione

Possiamo controllare la temperatura mediante

l’uso di:

-Camicia esterna

-Serpentina interna

-Scambiatore a piastre

Camicia Serpentina Scambiatore a piastre

Agitazione

Camicia esterna Scambiatore esterno

Durante un processo fermentativo è necessario mantenere omogenea la brodocoltura al fine di:

• Evitare la sedimentazione delle cellule

Serpentino interno

• Evitare la formazione di gradienti di concentrazione di nutriliti o metaboliti

• Favorire il trasporto di ossigeno disciolto nei processi aerobici

In beuta l’agitazione è ottenuta dal movimento di un agitatore a più alloggiamenti; e il movimento

può essere lineare alternativo, oppure rotativo.

Il fermentatore è dotato di un apparato di agitazione formato da:

- Motore (in alto o in basso rispetto al fermetatore)

- Albero (con entrata a tenuta)

- Girante 13

A volte può non esserci il sistema di agitazione meccanico in quanto l’agitazione viene prodotta

dall’effetto secondario dell’aerazione, (come nella produzione del lievito da pane).

Aerazione

Con questo processo di fornisce un apporto costante si ossigeno alla brodocoltura.

L’aria atmosferica viene compressa e immagazzinata nel compressore a 2 atm. Nel momento in cui

l’aria esce dal compressore la sua pressione viene ridotta a 0,5-1 atm. A questo punto il flusso

dell’aria viene regolato attraverso il flussimetro.

Da 0,2 a 2 L di aria / L di brodocoltura / min -->VVM.

È grazie agli sparger che l’aria viene immessa nel fermentatore, e li possiamo distinguere in:

a pettine, anulare e a uscita sotto la girante.

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manometro deoliatore

v. deumidificatore

compressore prefiltro filtro

riduttrice fermentatore

Sterilizzazione del fermentatore

Nel corso di questa fase (sterilizzazione) nel fermentatore è mantenuta una blanda agitazione al fine

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Sterilizzazione del fermentatore

atmosferica viene compressa e immagazzinata nel compressore (2

di: Sterilizzazione separata di fermentatore e terreno colturale

- Evitare che si formino zone surriscaldate

All'uscita del compressore la pressione viene ridotta a 0,5 - 1 Atm.

- Per avere un uniforme scambio di calore

Possiamo anche avere una sterilizzazione contemporanea di fermentatore e terreno colturale che

La portata dell'aria viene regolata attraverso il flussimetro

Riduce i tempi morti ( il fermentatore vuoto si sterilizza in un tempo minore)

può avvenire in due modi: -1 -1

(da 0,2 a 2 L d'aria L brodocoltura min ) vvm

• Iniezione diretta di vapore (il terreno si diluisce per effetto condensa)

• Vapore compartimentato (camicia, serpentina)

il fermentatore è sterilizzato con vapore;

Possiamo inoltre avere una sterilizzazione separata di fermentatore e terreno; con questo

il terreno colturale secondo due tecnologie:

meccanismo si riducono i tempi morti in quanto il fermentatore vuoto si sterilizza in minore tempo.

- discontinua in recipiente separato

Il ferme