La fermentazione industriale è un processo che utilizza microrganismi per produrre vari prodotti su larga scala. Questo processo è stato utilizzato per secoli per produrre bevande alcoliche, pane e latticini.
Con i progressi della tecnologia e della scienza, la fermentazione industriale si è evoluta per produrre un’ampia gamma di prodotti, tra cui additivi per alimenti e bevande, prodotti farmaceutici e biocarburanti.
Il processo di fermentazione industriale si basa sulla capacità dei microrganismi di scomporre materiali organici complessi in composti più semplici. Questi composti possono quindi essere utilizzati come materie prime per produrre vari prodotti.
La fermentazione industriale avviene in genere in grandi fermentatori o bioreattori che forniscono un ambiente controllato per la crescita dei microrganismi.
Sommario
1. La scienza alla base della fermentazione industriale
La scienza alla base della fermentazione industriale si basa su una profonda comprensione dei processi biologici coinvolti.
Il primo passo nella fermentazione industriale è la selezione dei microrganismi appropriati. I microrganismi utilizzati nella fermentazione industriale sono in genere batteri, lieviti o funghi e vengono selezionati per la loro capacità di produrre il prodotto desiderato.
I microrganismi devono anche essere in grado di crescere e moltiplicarsi rapidamente nell’ambiente controllato di un bioreattore o fermentatore.
Una volta selezionati i microrganismi appropriati, il passo successivo è fornire loro i nutrienti necessari per supportare la loro crescita e il loro metabolismo. Questi nutrienti includono fonti di carbonio, azoto e altri minerali essenziali.
Anche il terreno di coltura deve essere attentamente controllato per mantenere condizioni ottimali per la crescita dei microrganismi.
Man mano che i microrganismi crescono e si moltiplicano, producono vari metaboliti come acidi organici, alcoli ed enzimi. Questi metaboliti sono fondamentali per produrre il prodotto desiderato. I percorsi metabolici specifici coinvolti nella produzione del prodotto variano a seconda del microrganismo e del prodotto ottenuto.
Uno dei fattori più critici nella fermentazione industriale è il controllo del processo di fermentazione. Per garantire una crescita e un metabolismo ottimali dei microrganismi, le condizioni nel fermentatore o nel bioreattore devono essere attentamente monitorate e controllate. Ciò comporta il controllo di fattori quali temperatura, valore del pH e concentrazione di ossigeno.
La scienza alla base della fermentazione industriale richiede anche una profonda comprensione della genetica dei microrganismi. Le tecniche di ingegneria genetica possono essere utilizzate per modificare la composizione genetica dei microrganismi per migliorare la loro capacità di produrre determinati prodotti.
Questa tecnologia ha rivoluzionato la fermentazione industriale e ha consentito la produzione di un’ampia gamma di prodotti di alta qualità che in precedenza erano difficili o impossibili da produrre.
2. Tipi di microrganismi utilizzati nella fermentazione industriale
I microrganismi svolgono un ruolo cruciale nel processo di fermentazione industriale scomponendo materiali organici complessi in composti più semplici che possono essere utilizzati per produrre un’ampia gamma di prodotti. Il tipo di microrganismo utilizzato nella fermentazione industriale dipende dal prodotto ottenuto.
2.1. Batteri
I batteri sono spesso utilizzati nella produzione di additivi per alimenti e bevande come acido lattico, acido citrico ed enzimi. Questi microrganismi vengono selezionati in base alla loro capacità di produrre in modo efficiente il prodotto desiderato.
I batteri comunemente utilizzati nella fermentazione industriale includono Lactobacillus, Streptococcus e Bacillus.
I batteri sono organismi unicellulari che possono essere suddivisi in due gruppi: archaea ed eubatteri. Gli eubatteri sono il gruppo più comunemente utilizzato nell’industria.
Gli eubatteri possono essere ulteriormente suddivisi in 12 sottogruppi, ma solo due di questi sottogruppi sono importanti per l’industria: Proteobacteria ed Eubatteri Gram-positivi.
I Proteobacteria sono un ampio gruppo di batteri Gram-negativi che include sia batteri fotosintetici che non fotosintetici. Alcuni esempi di proteobacteria utilizzati nell’industria sono E. coli, Pseudomonas e Streptomyces.
Gli eubatteri Gram-positivi possono essere suddivisi in due sottogruppi principali. La prima divisione include batteri il cui DNA ha un basso contenuto di coppie di basi di guanina (G) e citosina (C). Esempi di batteri in questo sottogruppo sono Bacillus, Staphylococcus e Lactobacillus.
Il secondo sottogruppo include batteri il cui DNA ha un alto contenuto di coppie di basi di guanina (G) e citosina (C). Esempi di batteri in questo sottogruppo sono Actinomycetes e Mycobacterium.
La principale differenza tra batteri gram-negativi e gram-positivi è la composizione dei loro involucri cellulari. I batteri gram-negativi hanno una parete cellulare relativamente sottile circondata da una membrana esterna. I batteri gram-positivi hanno una parete cellulare più spessa che non è circondata da una membrana esterna.
2.2. Lievito
Il lievito è un altro tipo di microrganismo comunemente usato nella fermentazione industriale. Il lievito è usato nella produzione di bevande alcoliche come birra e vino. È anche usato nella produzione di pane e altri prodotti da forno. Saccharomyces cerevisiae è il lievito più comunemente usato nella fermentazione industriale.
2.3. Funghi
I funghi sono microrganismi eucarioti che possono essere suddivisi in ife filamentose (muffe) e funghi unicellulari (lieviti). I funghi filamentosi sono chemioeterotrofi e non fotosintetici. Secernono una varietà di enzimi idrolitici che possono scomporre vari polimeri in molecole più piccole che possono essere facilmente assorbite e metabolizzate.
I lieviti sono funghi unicellulari eterotrofi che crescono meglio in presenza e assenza di O2. Non sono esigenti dal punto di vista nutrizionale e possono riprodursi in una composizione del mezzo relativamente semplice.
Sia i funghi filamentosi che i lieviti vengono utilizzati nei bioprocessi industriali per vari scopi, come:
- Produzione di enzimi, antibiotici, vitamine e altri metaboliti
- Fermentazione di alimenti e bevande
- Degradazione biologica di inquinanti
Per essere idoneo all’uso industriale, un ceppo microbico deve soddisfare determinati criteri, come:
- Capacità di crescere rapidamente su substrati organici poco costosi
- Capacità di eseguire le trasformazioni desiderate con elevata efficienza e consumo energetico minimo
- Stabilità genetica
- Produzione di prodotti facili da estrarre e separare
- Non patogenicità
I ceppi selvatici spesso non soddisfano tutti questi criteri e pertanto potrebbero dover essere modificati geneticamente prima di poter essere utilizzati nei bioprocessi industriali.
Esempi di modifiche genetiche che possono essere apportate per migliorare i ceppi microbici per uso industriale:
- Sovraespressione di geni che codificano enzimi coinvolti nel percorso di segnalazione desiderato
- Interruzione di geni che codificano enzimi coinvolti in percorsi di segnalazione concorrenti
- Introduzione di geni da altri organismi per conferire nuove capacità
Tramite modifica genetica, sono stati creati ceppi microbici in grado di produrre una varietà di prodotti preziosi, tra cui amminoacidi (ad esempio L-valina, L-treonina, L-lisina e L-arginina), sostanze chimiche di base (ad esempio 1,4-butandiolo, 1,4-diaminobutano, 1,5-diaminopentano, 1,3-propandiolo, butanolo, isobutanolo e acido succinico) e farmaci (ad esempio artemisinina).
2.4. Alghe
Le alghe sono un’aggiunta relativamente nuova all’elenco dei microrganismi utilizzati nella fermentazione industriale. Sono utilizzate nella produzione di biocarburanti, tra cui biodiesel e bioetanolo. Le alghe più comuni utilizzate nella fermentazione industriale includono clorella e spirulina.
2.5. Attinomiceti
Gli attinomiceti sono un tipo di batteri che vengono spesso utilizzati nella produzione di antibiotici. Questi microrganismi vengono selezionati per la loro capacità di produrre il composto antibiotico desiderato. Streptomyces è l’actinomicete più comunemente utilizzato nella fermentazione industriale.
2.6. Protozoi
I protozoi sono un tipo di organismo unicellulare utilizzato per produrre enzimi e altri bioprodotti. Questi microrganismi vengono selezionati in base alla loro capacità di produrre in modo efficiente il prodotto desiderato. Trichomonas ed Entamoeba sono tra i protozoi più comunemente utilizzati nella fermentazione industriale.
3. Prodotti ottenuti dalla fermentazione industriale
La fermentazione industriale è un processo versatile che può essere utilizzato per produrre un’ampia gamma di prodotti, tra cui additivi per alimenti e bevande, prodotti farmaceutici, biocarburanti e prodotti chimici industriali.
3.1. Bevande alcoliche
Le bevande alcoliche come birra, vino e liquori sono alcuni dei prodotti più ampiamente prodotti utilizzando la fermentazione industriale. Il processo prevede l’uso di lievito per convertire gli zuccheri in alcol, producendo un’ampia gamma di sapori e aromi.
3.2. Acidi organici
Gli acidi organici come l’acido lattico, l’acido citrico e l’acido acetico sono comunemente prodotti utilizzando la fermentazione industriale. Questi acidi sono utilizzati in un’ampia gamma di applicazioni, tra cui additivi per alimenti e bevande, detergenti e prodotti farmaceutici.
3.3. Enzimi
Gli enzimi sono proteine utilizzate per catalizzare reazioni chimiche. La fermentazione industriale è utilizzata per produrre un’ampia gamma di enzimi, tra cui proteasi, lipasi e amilasi. Questi enzimi sono utilizzati in un’ampia gamma di applicazioni, tra cui la produzione di alimenti e bevande, detersivi per bucato e prodotti farmaceutici.
3.4. Antibiotici
Gli antibiotici sono un tipo di farmaco utilizzato per trattare le infezioni batteriche. La fermentazione industriale è utilizzata per produrre un’ampia gamma di antibiotici, tra cui penicillina, eritromicina e streptomicina. Questi antibiotici sono fondamentali nel trattamento delle infezioni batteriche e hanno salvato innumerevoli vite.
3.5. Biocarburanti
I biocarburanti come l’etanolo e il biodiesel sono prodotti utilizzando la fermentazione industriale. Il processo prevede l’uso di microrganismi come lieviti e alghe per convertire il materiale organico in biocarburanti, che possono essere utilizzati per alimentare veicoli e macchinari.
3.6. Prodotti chimici industriali
I prodotti chimici industriali come butanolo, acido propionico e metanolo sono prodotti utilizzando la fermentazione industriale. Questi prodotti chimici sono utilizzati in un’ampia gamma di applicazioni, tra cui la produzione di materie plastiche, solventi e prodotti farmaceutici.
4. I vantaggi della fermentazione industriale
La fermentazione industriale è un processo che prevede l’uso di microrganismi per convertire materiali organici in prodotti utili. Questo processo presenta una serie di vantaggi, tra cui una maggiore efficienza, una riduzione degli sprechi e una maggiore sostenibilità.
4.1. Maggiore efficienza
La fermentazione industriale è un processo altamente efficiente che consente la produzione di grandi quantità di prodotti in un lasso di tempo relativamente breve. Questo perché i microrganismi possono convertire rapidamente materiali organici in prodotti utili, spesso a una velocità molto più elevata rispetto ai tradizionali processi chimici.
4.2. Riduzione degli sprechi
La fermentazione industriale è un processo a scarto relativamente basso rispetto ai tradizionali processi chimici. Questo perché il processo utilizza materiali organici come materia prima, che sono spesso facilmente disponibili e rinnovabili. Inoltre, molti dei sottoprodotti della fermentazione industriale possono essere riciclati o riutilizzati, riducendo ulteriormente gli sprechi.
4.3. Maggiore sostenibilità
La fermentazione industriale è un processo sostenibile che ha un impatto molto inferiore sull’ambiente rispetto ai tradizionali processi chimici. Questo perché il processo utilizza materiali organici come materia prima, che sono spesso rinnovabili e biodegradabili. Inoltre, il processo produce meno emissioni di gas serra e richiede meno energia rispetto ai tradizionali processi chimici.
4.4. Versatilità
La fermentazione industriale è un processo versatile che può essere utilizzato per produrre un’ampia gamma di prodotti, tra cui additivi per alimenti e bevande, prodotti farmaceutici, biocarburanti e prodotti chimici industriali. Questa versatilità consente una vasta gamma di applicazioni, rendendo la fermentazione industriale uno strumento prezioso in molti settori.
4.5. Conveniente
La fermentazione industriale può essere un processo conveniente, in particolare per la produzione di prodotti di alto valore come prodotti farmaceutici ed enzimi. Questo perché il processo è altamente efficiente e può produrre grandi quantità di prodotti in un lasso di tempo relativamente breve, riducendo il costo per unità.
5. Le sfide della fermentazione industriale
La fermentazione industriale è un processo altamente efficiente e versatile che presenta molti vantaggi. Tuttavia, come qualsiasi processo di produzione, presenta anche una serie di sfide.
5.1. Contaminazione microbica
Una delle sfide più significative nella fermentazione industriale è il rischio di contaminazione microbica. La contaminazione può verificarsi quando microrganismi indesiderati come batteri o funghi entrano nel processo di fermentazione e competono con i microrganismi desiderati. Ciò può portare a una riduzione dell’efficienza, a una riduzione della qualità del prodotto e persino al fallimento completo del processo di fermentazione.
5.2. Controllo del processo
Mantenere un controllo rigoroso sul processo di fermentazione è fondamentale per garantire una qualità e una resa del prodotto costanti. Ciò può essere difficile poiché il processo di fermentazione dipende fortemente da fattori ambientali come temperatura, pH e disponibilità di nutrienti. Qualsiasi deviazione dalle condizioni ottimali può portare a una riduzione dell’efficienza o della qualità del prodotto.
5.3. Aumento della scala
Aumentare la scala del processo di fermentazione da scala di laboratorio a scala industriale può essere una sfida significativa. Le differenze nelle attrezzature, nelle condizioni ambientali e nella disponibilità di nutrienti possono portare a cambiamenti inaspettati nel processo di fermentazione. Sono necessarie un’attenta pianificazione e ottimizzazione per garantire un aumento della scala di successo.
5.4. Elaborazione a valle
I prodotti della fermentazione industriale spesso richiedono un’elaborazione a valle, come purificazione o estrazione, prima di poter essere utilizzati. Questo può essere un processo complesso e costoso, in particolare per prodotti di alto valore come i prodotti farmaceutici.
5.5. Conformità normativa
La fermentazione industriale è soggetta a una serie di normative e standard, in particolare per i prodotti destinati al consumo umano. La conformità a queste normative può essere complessa e richiedere molto tempo, richiedendo un’ampia documentazione e misure di controllo della qualità.
Riferimenti
- Introduction to Conventional Fermentation Processes. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9781119505822.ch1
- Industrial Fermentation: Principles, Processes, and Products. – https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-94-011-7691-0_24
- Industrial fermentation: its contribution to the bioeconomy and renewable chemistry
- Microbial Enzymes with Special Characteristics for Biotechnological Applications
- Industrial Enzymes – Present status and future perspectives for India
