Microbiologia industriale con slide per l'esame, prof. Rollini

Microbiologia industriale Lezione 1 26/02

Esami: 21 giugno - 3 luglio - 23 luglio - 19 settembre

Esame unico scritto di 8 CFU

Non ce salto di appello

Domande aperte

Microbiologia industriale:

Tratti della microbiologia industriale:

Come nasce e in quale ambito scientifico si applica. La microbiologia è una disciplina recente dal punto di

vista dell’evoluzione delle popolazioni, tuttavia il settore alimentare ha origini ben più antiche fin da quando

l’uomo si è ritrovato a vivere in popolazioni. La microbiologia industriale nasce applicando elementi

microbici selezionati per chiare esigenze di processo.

Nel 1780 primo processo selezionato per fare cellule che lievitino un impasto, vendere queste cellule e avere

un ricavo. Tra gli egizi e il 1780 abbiamo l’evoluzione delle metodiche di laboratorio e degli accessori utili

all’analisi.

Il lievito da pane una volta non si vendeva così selezionato, ma si usava un residuo che proveniva dalla

lavorazione della birra.

Alla fine del 1800 per la prima volta viene allestito un impianto industriale di un prodotto derivato da un

microrganismo che è l’acido lattico.

Tale acido è un acidulante e viene

prodotto dai batteri lattici.

Scoperta della penicillina:

Nel 1928-29 viene scoperta la

penicillina da Fleming , un

microbiologo clinico che si

occupava di streptococchi, cocchi

che si trovano nella gola. Un giorno

trovò una piastra con colonie di

streptococchi e una muffa

(inquinante). Nota che ad una certa

distanza dalla muffa non c’era più

neanche una colonia di streptococco,

capendo cosi che la muffa andava a

uccidere gli streptococchi.

Prese un ansa e piastrò su una nuova

piastra Petri la muffa ottenendo cosi

una coltura di un ceppo particolare

di Penicillium da cui è stata poi

estratta la penicillina. Questa muffa

era in grado di produrre un

composto, da noi definito

penicillina, in grado di eliminare gli

streptococchi. Nascono cosi gli

antibiotici.

Nel 1940 ci sono le prime aziende

che in America riescono ad usare la

penicillina per curare le malattie

infettive da microrganismi. 1

Quaderno di Alessandro Magro

Intorno agli anni 70’ nasce la tecnologia del DNA ricombinante è stata un importante applicazione

biotecnologica.

La biotecnologia la definiamo come l’applicazione deliberata e controllata di agenti biologici semplici

cellule microbiche, vegetali, animali, vive o morte, o componenti cellulari in operazioni tecnologiche utili,

per la produzione sia di BENI che di SERVIZI.

Un processo biotecnologico non è solamente un processo di applicazione tecnologica al DNA,

anche la produzione di lievito da pane è un processo biotecnologico. La depurazione degli effluenti

è essa stessa un processo di natura biotecnologia, sto lavorando sui microrganismi.

• Beni:

I. Biomasse per la nutrizione umana o animale, faccio crescere cellule microbiche che vengono

usate nell’alimentazione umana o animale.

II. Commodities chimiche: Es. acido citrico, acido glutammico

III. Specialità quali vitamine e antibiotici

IV. Starters ed enzimi prodotti da batteri

V. Probiotici e vaccini: un probiotico è un microorganismo che se ingerito è in grado di arrivare

fino all’intestino e riuscire a colonizzare l’intestino con effetti benefici sulla salute dell’uomo.

L’activia è per esempio un probiotico contenenti batteri.

VI. Inoculanti del suolo e delle piante

• Servizi:

I. Trattamento di depurazione degli effluenti: Un acqua inquinata va depurata, si usano microrganismi

che si cibano degli inquinanti presenti nell’acqua riducendone la loro concentrazione.

II. Valorizzazione dei residui agro-industriali: Il settore agricolo ha degli scarti che possono diventare

importanti. Nelle insalate di IV gamma che sono già pronte e lavate da mangiare. Le aziende che

producono tali vegetali si trovano nella parte est della Lombardia. Tali aziende hanno il 50% di cio che

raccolgono dal campo scartato. Si utilizzano le parti scartate per produrre qualcosa di utile come per

esempio produzione di metano a partire dai residui del settore agro-alimentare. Anche i produttori di

succhi di frutta, aziende in Emilia Romagna, hanno frutta che deve diventare succo e hanno grandissime

quantità di scarto come nocciolo e buccia. Posso valorizzare tali prodotti di scarto trattandoli con dei

microorganismi.

III. Diagnostica e terapia mirata: Anticorpi monoclonali

Fermentazione:

La fermentazione è una via metabolica che si instaura in assenza di ossigeno producendo per esempio acido

lattico, butirrico o propionico.

La definiamo in senso lato affermando che una fermentazione è un processo che prevede l’impiego di un

microorganismo sia in condizioni di aerobiosi che di anaerobiosi. 2

Quaderno di Alessandro Magro

L e

fermentazioni tradizionali sono quelle che si conoscono dalle scienze di base e con tale termine intendiamo i

processi di produzione della birra, vino, yogurt e lievito.

Le fermentazioni moderne nascono con il secondo dopoguerra e prevedono impiego di un bio-reattore

controllato nelle condizioni delle variabili di processo e l’uso consapevole dei microorganismi.

In un processo microbiologico industriale possiamo semplificare ciò che avviene in un industria con un

equazione banale.

Equazione di un processo biotecnologico:

Il prodotto che si porta sul mercato deve produrre profitto. Se per produrre P spendiamo più di quello che

ricaviamo dalla sua vendita allora stiamo sbagliando. Il processo deve essere economicamente conveniente,

dobbiamo sfruttare il microrganismo per produrre qualcosa che poi possiamo vendere.

In un processo controllato non è un solo microrganismo che viene impiegato, ma una popolazione mista; ad

esempio nella produzione di formaggio ho una coltura mista di batteri lattici. In altri casi tuttavia ho bisogno

di una coltura pura, contenente un solo tipo di microrganismo, che sia mantenuto in un modo per cui posso

far ripartire il processo tutte le volte e ottenere sempre lo stesso tipo di prodotto.

Con determinate restrizioni posso utilizzare degli organismi geneticamente modificati, che hanno subito una

manipolazione genetica. Nel settore alimentare questo non sempre è consentito, oppure lo solo se si conduce

il processo con una serie ristretta e limitata di procedure. Spesso nel settore alimentare è necessario che i

3

Quaderno di Alessandro Magro

micrororganismi appartengono a determinate categoria come per esempio la GRAS (Generally recognize as

safe).

Nella produzione di yogurt non posso acidificare con un escherichia coli perche non sono organismi sicuri,

posso usare batteri lattici GRAS, ovvero microorganismi che sono sicuramente sicuri e non portano

all’instaurarsi di patologie e nella loro famiglia di microorganismi non hanno nessuno che abbia anche una

patogenicità limitata.

Dove prende l’azienda i microrganismi?

1. Isolo da un ambiente naturale: posso isolare una serie di micro e vedere se qualcuno fa al caso mio per

il processo che devo attuare.

2. Acquisto tramite società che si occupano di collezionare, classificare e mantenere i microrganismi. Si

chiamano collezioni ufficiali, sono sparse per tuto il mondo e sono enti a cui ci si può rivolgere per avere

un microrganismo. ATCC —> importante americana

Ci si rivolge alle collezioni per acquistare dei ceppi. Un ente che fa didattica e ricerca per i microrganismi

può averli dalle collezioni pagando una cifra irrisoria. Una azienda tuttavia non ha un accesso cosi facile,

deve concordare un prezzo con la collezione perche l’azienda ricava un profitto da un processo

microbiologico e la cessione di un ceppo non è cosi immediata. La collezione contratta con l’azienda il costo

in relazione al ricavo che l’azienda avrà da quell’utilizzo. Per alcune aziende l’unica alternativa è

l’isolamento da habitat naturale.

AUDIO RIELABORATO!

Microbiologia industriale lezione 2 5/03/2019

NON SERVE RISENTIRE AUDIO!

Possibilità di sfruttare i microrganismi su larga scala per produrre un bene o fare in modo che ci diano un

servizio.

Equazione del processo biotecnologico —> substrato + microrganismo a dare un prodotto.

Un microrganismo può essere una popolazione mista, quindi batteri diversi muffe o funghi. Posso avere

colture pure, per la maggior parte dei processi industriali sono cosi.

Posso isolarli da habitat particolari o acquistarli da collezioni ufficiali e servono a mantenere la biodiversità

fra i microrganismi. Ci sono dei siti web, ogni collezione ufficiale si specializza in microorganismi, posso

selezionare e acquistare quelli che voglio. In Italia più usata è la collezione europea.

Le aziende cercano di isolare un ceppo che serve da sole senza acquistarlo per risparmiare i costi.

Substrato per i microrganismi:

Serve per la crescita del microorganismo per ottenere il prodotto che vogliamo. Il substrato è fondamentale

nell’efficienza del processo fermentativo.

Formulando un terreno culturale in azienda si tratta di 1000 metri cubi, un milione di litri. Se abbiamo un

ingrediente con 100g per litro devo avere 100g per un milione. Si lavora con numeri grandi e dobbiamo

essere accurati.

Il costo sul processo fermentativo è elevato. Il 50 percento del costo del processo deriva dalla formulazione

degli ingredienti. Se sbaglio a scegliere un ingrediente posso far costare di più il processo ed ottenere un

ricavo ridicolo andando in perdita. Tutte le aziende che operano nel settore della micro industriale sono alla

ricerca de substrati più economici in assoluto e contemporaneamente il substrato deve essere economico e

funzionale al mio microrganismo. L’organismo deve riuscire ad utilizzare al meglio il substrato.

Le aziende li possono recuperare dai residui del settore agroalimentare. 4

Quaderno di Alessandro Magro

Se serve del lattosio non comprerò il lattosio in polvere ma recupero il siero di latte, un residuo del settore

lattiero-caseario e riutilizzo recuperandolo e facendo crescere i miei microorganismi con esso. È

fondamentale la scelta del substrato.

Nella scelta del substrato devo tenere in considerazione:

1. Il costo

2. La disponibilità: se devo fare una purea di frutta devo considerare che c’è un periodo in cui posso

raccogliere le albicocche come maggio/giugno. Recupero il residuo della purea delle albicocche, ma io

devo lavorare anche quando non è più presente questo residuo quindi negli altri mesi. L’azienda deve

avere possibilità di stoccarlo, ovvero di conservarlo. Stiamo parlando di tir di residuo.

3. Facilità di trasporto e stoccaggio

4. Sterilizzabile: in un processo di microbiologia la sterilizzazione è fondamentale, eliminare i micro

presenti in un terreno colturale e mettere dentro solo quello che mi interessa. Devo eliminare altri

microrganismi per non rischiare di incombere in uno spreco per danni al processo.

Uno dei problemi più grossi è la gestione del processo fermentativo in un fermentatore. Se ho un brodo con

dentro parecchi ingredienti, se ho un micro aerobio che necessita aria allora devo insufflare aria nel

fermentatore enorme. La conseguenza è la formazione di schiuma all’interno del fermentatore.

Gli ingredienti che scelgo devono fornire le più alte rese di conversione e fermentazione —> approfondiamo

dopo.

Devo avere la minima formazione di prodotti secondari ovvero prodotti che fa il microrganismo insieme a

ciò che a me interessa per la mia produzione, più produce prodotti secondari e più disperde energia e rende

difficoltoso il recupero di cio che mi interessa.

Il substrato non deve presentare problemi di tossicità, possibilità di esplosione e che prenda fuoco.

Devo scegliere il micro, un substrato con caratteristiche particolari.

Prodotto:

Qualsiasi cosa ottenga, il suo ottenimento deve essere un processo economicamente conveniente. Per

esempio prendo micro per produrre acido glutammico, esaltatore di sapidità nei dadi da brodo. Posso

produrre acido glutammico per via microbica o per sintesi chimica a partire da substrati di sintesi.

Se voglio il mio acido glutammico per via microbica allora questo deve essere economicamente conveniente,

deve essere competitivo con la via della sintesi chimica. La biotecnologia applicata su scala industriale ha a

che fare con le aziende e pertanto le società devono guadagnare e sfruttare i procedimenti economicamente

convenienti.

I costi di produzione sono quelli relativi al processo e alla fine alla purificazione del prodotto. Tutta la filiera

deve essere conveniente.

I prodotti che possiamo avere dalla micro industriale sono composti:

1. Metaboliti primari: sono prodotti dalla cellula che sto considerando mentre la cellula si sta

sviluppando. Ad esempio acido lattico per un batterio lattico.

2. Metaboliti secondari: composti che il micro sintetizza non durante lo sviluppo delle cellule ma in fase

stazionaria. Ricordiamo la curva di sviluppo microbico.

Se vogliamo fare cellule o metaboliti primari devo spegnere il fermentatore quando finisce la fase

esponenziale. Se voglio i metaboliti secondari devo portare avanti nel tempo il processo fermentativo e dare

tempo al microrganismo di entrare in fase stazionaria e di iniziare ad aprire quelle vie metaboliche che fino

alla fine della fase esponenziale sono interrotte. 5

Quaderno di Alessandro Magro

Prodotti della microbiologia industriale:

Posso recuperare i prodotti e venderli a qualcun altro.

Le biomasse le posso far crescere perche voglio vendere

ciò che c’è dentro, ad esempio ci sono biomasse del

genere candida utilis che si prelevano per inserirle nei

mangimi per accrescerne il valore nutrizionale. Produce le

candide per vendere al settore della mangimistica. Posso altrimenti fare biomasse di funghi, i funghi sono

macrorganismi che non sono organizzati in tessuti e cellule.

Posso fare biomasse di lievito, lisare le cellule per fare estratti vitaminici che usiamo come integrazione.

Oppure faccio lievito da pane che poi vendo al supermercato in panetti e chi vuole lo usa per far lievitare la

pizza.

Posso produrre batteri lattici e venderli a chi fa yogurt formaggio ecc…

Le colture insetticide sono colture di microorganismi che si usano sperse sul suolo e hanno un azione

specifica e selettiva su alcuni insetti, oppure posso fare colture da inserire nei fanghi di depurazione per far

funzionare un depuratore

In tutti i casi se faccio biomassa io scarico il fermentatore quando vedo la fase di decelerazione. Non ha

senso portare avanti il processo fermentativo se non ho un aumento di biomassa consistente.

Per i metaboliti primari stessa cosa, sono prodotti sempre nel corso dello sviluppo microbico come l’acido

lattico dei batteri lattici.

I batteri lattici rilasciano acido lattico nel terreno e alla fine del processo posso separare la biomassa ed

estrarre l’acido lattico dalla parte liquida. Anche qui fermo il processo industriale quando vedo la

decelerazione.

Esempi di metaboliti primari:

- Acido lattico

- Butirrico

- Citrico

- Amminoacidi e intermedi

- Alcoli

- Polialcoli

- Carboidrati

- Vitamine

- Nucleotidi

- Lipidi

- Proteine

Metaboliti secondari hanno processo industriale più lungo, devono raggiungere la fase stazionaria perché si

attivano delle vie metaboliche tipiche degli organismi aerobi o delle muffe e funghi, sono loro che fanno

metaboliti secondari.

I metaboliti ad un certo punto del loro sviluppo, quando hanno tante molecole di acetato possono agganciare

l une alle altre e formare delle strutture complesse che poi vengono carbossilate o metilate e danno composti

con un interesse farmaceutico.

Le statine sono farmaci che hanno attività che abbassa colesterolo nel sangue, sono metaboliti secondari

prodotti da delle muffe. Esistono processi microbiologici che portano alla formazione del farmaco.

Un altra classe di prodotti della microbiologia industriale è quella dei prodotti complessi.

Sono quei prodotti in cui a fine processo il microrganismo non è più separabile dal terreno di coltura in cui è

cresciuto perche ha una forma diversa. 6

Quaderno di Alessandro Magro

I prodotti complessi sono preparazioni alimentari a basse di latte fermentato come lo yogurt, alla fine non

separo i batteri dal latte ma ho un prodotto unico.

Il formaggio partendo dal latte con aiuto di caglio e batteri lattici mi fa ottenere un prodotto solido.

Tutti i cibi orientali fermentati come il tempeh, la salsa di soia, i crauti, le olive. Le olive contengono una

sostanza amara e solo la fermentazione con batteri lattici porta una sua riduzione e diventa più buona al

gusto.

I microrganismi si usano per fare i jeans stone wash, si usano enzimi di natura microbica per scolorire le

fibre.

Trattamento dei rifiuti liquidi e solidi, sono prodotti complessi.

Un altra categoria che si è formata negli ultimi anni è quella di prodotti formati da DNA ricombinante. La

maggior parte di questi composti hanno un interesse farmaceutico, ad esempio insulina è prodotta da DNA

ricombinante. Ci sono lieviti come il cluiverimices che produce la chimosina, responsabile della

coagulazione del latte —> caglio.

Alcuni ceppi di bacillus fanno amilasi

Bacillus subtilis fa la riboflavina

Le tabelle nelle slide riportano alcuni dei generi più usati nel settore industriale:

- Acetobacter

- Gluconobacter

- Azetobacter

- Lieviti

- Funghi

- Muffe

- Alghe —> ricche di pigmenti e composti interessanti usate per integratori alimentari

- …

L’impiego di microrganismi per fare molte cose è diffuso.

Le diverse forme di resa:

Domanda d’esame!! Da approfondire!!

Esistono due forme di espressione di un efficienza di un processo di microbiologia applicata:

1. Resa di conversione: Definita con “Y” ed è un rapporto tra i grammi di prodotto formato e i grammi di

substrato consumato. È una misura adimensionale che va ad 0 ad 1. S