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.

Microbiologia industriale Branca della microbiologia che si occupa della produzione di sostanze utili con i microrganismi o parti di essi Fermentazione ( dal latino fervĕre) Processo energetico in cui l’accettore ultimo di elettroni è una sostanza organica 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 (O 2, o altro accettore inorganico, ad es: SO 4 2-, NO 3 - )

Tecnologie che usano organismi viventi, allo scopo di produrre sostanze utili all'uomo o di migliorare le caratteristiche originali degli organismi stessi Perché darsi la pena di sintetizzare composti chimici quando una bestiolina può farlo per noi ? (J.B.S. Haldane, 1929) Che cos’è la biotecnologia? Biotecnologie industriali White biotechnologies

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 inquinamentoproduzione E nzimiAntibioticiamminoacidiAlcolAcido citricoacetoneInsulinaVacciniormoni

Louis Pasteur, Craigg Venter, 1946-viv. 1857: la fermentazione alcolica è associata a cellule vive di lievito 2010: la prima cellula artificiale

vino, birra, yoghurt, crauti, formaggi, aceto etanolo, acetone, butanolo, lievito per panificazione, acido citrico, acido glutammico, vitamine, enzimi, antibiotici proteine ricombinanti/biofarmaci Biotecnologie industriali tradizionali (>6000 a.C.) innovative (1954) moderne (1900)

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 primarieAntibiotici Tossine Alcaloidi Ormoni

impianto di fermentazione fermentatore

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$ Proteine ricombinanti

Microbiologia industriale Perché usare i microrganismi ? batteri funghi (lieviti e muffe) alghe 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