lez. 1 Introduzione
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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 anniSoluzioni acquose a pH=7, riduzione corrosione impiantoTemperatura modesta, minor domanda energeticaSpecificitàdi 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
