lez. 1 Introduzione

PROGRAMMA
CHIMICA DELLE FERMENTAZIONI E MICROBIOLOGIA INDUSTRIALE
Parte prima:
Concetto di biotecnologia: le biotecnologie tradizionali ed innovative. I principali prodotti ottenuti per via fermentativa.
I microrganismi di importanza industriale: caratteristiche principali di eubatteri, archeobatteri, streptomiceti, funghi, lieviti.
Tecniche di microbiologia: isolamento, coltivazione, conservazione.
Esigenze nutrizionali ed ambientali. I terreni di coltura: la formulazione del mezzo di crescita. I terreni industriali.
Metabolismo: processi catabolici ed anabolici. Fermentazione e respirazione. Cenni alle principali vie metaboliche.
Il miglioramento dei ceppi industriali: mutazione, ricombinazione, ingegneria genetica.
Classificazione delle fermentazioni industriali. Metaboliti primari e secondari. Fermentazioni anaerobiche. Fermentazioni
ossidative. Bioconversioni.
Parte seconda:
Cinetica delle fermentazioni. Coltura batch. Resa di crescita. Modello di Monod. Metodi di misurazione della crescita microbica:
determinazione della biomassa e del numero di cellule. Coltura continua. Coltura fed-batch. Produttività.
Tecnologia delle fermentazioni: il fermentatore.
Operazioni a monte e a valle del processo fermentativo. Formulazione del terreno di fermentazione. Sterilizzazione. Sviluppo
dell'inoculo. Aerazione ed agitazione. Recupero del prodotto. Trattamento degli effluenti.
Alcune applicazioni: cibi fermentati e bevande alcoliche. Lievito per panificazione. Enzimi. Proteine ricombinanti.
Testi consigliati:
Appunti delle lezioni
Donadio S., Marino G. Biotecnologie microbiche, Casa Editrice Ambrosiana.
Polsinelli M. Microbiologia, Bollati Boringhieri.
Enfors S.O. Bioprocess Technology: fundamentals and applications, Hogskoletryckeriet, Stockholm.
Fermentazione ( dal latino fervĕre)
Processo energetico in cui l’accettore ultimo di elettroni è una sostanza organica
Microbiologia industriale
Branca della microbiologia che si occupa della produzione di sostanze utili
con i microrganismi o parti di essi
Fermentazione industriale
Processo su larga scala operato da (micro)organismi o loro parti che conduce ad un prodotto
avente valore economico
Fermentazione industriale = bioprocesso = processo biotecnologico
Fermentazione
Processo energetico in cui l’accettore ultimo di elettroni è una sostanza organica
Rappresentazione schematica della fermentazione lattica
Respirazione
Processo energetico in cui l’accettore ultimo di elettroni è una sostanza inorganica
(O2, o altro accettore inorganico, ad es: SO4 2-, NO3 -)
Che cos’è la biotecnologia?
Tecnologie che usano organismi viventi, allo scopo di produrre sostanze utili all'uomo o di
migliorare le caratteristiche originali degli organismi stessi
Biotecnologie industriali
White biotechnologies
Perché darsi la pena di sintetizzare composti chimici
quando una bestiolina può farlo per noi ?
(J.B.S. Haldane, 1929)
VANTAGGI DEI PROCESSI BIOTECNOLOGICI
anni􀂾Soluzioni acquose a pH=7, riduzione
corrosione impianto􀂾Temperatura modesta,
minor domanda energetica􀂾Specificitàdi
reazione, elevata purezza del prodotto􀂾
Materie prime provenienti da altre lavorazioni,
smaltimento 􀂾Scarti di lavorazione
completamente riciclabili e minor
inquinamentoproduzione1980200019401965E
nzimiAntibioticiamminoacidiAlcolAcido
citricoacetoneInsulinaVacciniormoni
Louis Pasteur, 1822-1895
Craigg Venter, 1946-viv.
1857: la fermentazione alcolica è
associata a cellule vive di lievito
2010: la prima cellula artificiale
tradizionali
(>6000 a.C.)
Biotecnologie
industriali
moderne
(1900)
innovative
(1954)
vino, birra, yoghurt, crauti, formaggi, aceto
etanolo, acetone, butanolo, lievito per
panificazione,
acido citrico, acido glutammico,
vitamine, enzimi, antibiotici
proteine ricombinanti/biofarmaci
Nelle fermentazioni industriali produzione di :
Biomassa
Metaboliti primari
Sostanze prodotte da cellule viventi come intermedi o prodotti finali delle vie metaboliche di
base
Alcoli
Acidi organici
Vitamine
Amminoacidi
Nucleotidi
Enzimi
Polisaccaridi
Proteine ricombinanti
Metaboliti secondari
Sostanze prodotte da cellule viventi attraverso vie metaboliche specifiche , diverse da quelle
primarie
Antibiotici
Tossine
Alcaloidi
Ormoni
fermentatore
impianto di fermentazione
Proteine ricombinanti
Nel 2009, 151 biofarmaci sono stati approvati da FDA e EU
Agenti terapeutici:
Insulina
Eritropoietina
Ormone della crescita
Fattore di coagulazione del sangue
Interferoni
Interleuchine
Vaccini:
antigene di superficie
del virus dell’epatite B
5000 milioni US$
Microbiologia industriale
batteri
funghi (lieviti e muffe)
alghe
Perché usare i microrganismi ?
•
•
•
•
Elevata velocità di crescita
Ampia varietà metabolica
Resistenza
Possibilità di manipolazione
Il mondo dei microrganismi: il regno invisibile?
Da Focus, 25 maggio 2005
La cellula (dal latino, piccola camera) è l'unità morfofunzionale, cioè di forma e di funzione, degli
organismi viventi, la più piccola struttura ad essere classificabile come vivente
Organismi unicellulari
Organismi pluricellulari : tessuti, organi