La produzione di biomasse microbiche è un processo chiave nelle industrie alimentari, con applicazioni che spaziano dalla produzione di lieviti alla sintesi di metaboliti di interesse commerciale.
In questo articolo esploreremo le diverse modalità di produzione e le caratteristiche dei bioreattori utilizzati, oltre a discutere le tecniche per il recupero della biomassa.
Cos’è una biomassa microbica?
Una biomassa è un materiale organico derivato da organismi viventi, come piante, animali e microorganismi. Può essere utilizzata come fonte di energia rinnovabile o per la produzione di prodotti biotecnologici, tra cui biocarburanti, alimenti, mangimi, e altri composti utili.
Nel contesto dei microorganismi, la biomassa microbica si riferisce alla quantità di cellule prodotte durante un processo fermentativo o di coltura. Questo tipo di biomassa può essere utilizzato per diverse applicazioni, come la produzione di lieviti per la panificazione, proteine unicellulari, o metaboliti secondari utili per scopi industriali o alimentari.
La biomassa è valutata in base alla sua resa (la quantità di biomassa prodotta per unità di substrato) e alla produttività, ossia quanto materiale viene generato per unità di tempo e volume.
Modalità di coltura delle biomasse
Coltura Batch
La coltura batch rappresenta un sistema chiuso, in cui il substrato viene sterilizzato e inoculato con microrganismi in un singolo ciclo. Una volta completato il processo di fermentazione, la biomassa viene raccolta e il ciclo termina. Il vantaggio principale di questo metodo è la semplicità impiantistica, ma è limitato da lunghi tempi di pre- e post-coltura e dalla necessità di operazioni manuali, come la pulizia e la sostituzione del substrato. Inoltre, elevate concentrazioni di carbonio possono inibire la crescita microbica e ridurre la resa.
Coltura Fed-Batch
Nella coltura fed-batch, il substrato viene aggiunto progressivamente durante il processo, consentendo un controllo più preciso sulla concentrazione di nutrienti, in particolare del carbonio. Questo sistema è spesso utilizzato per evitare l’effetto inibitorio di elevate concentrazioni di substrato, migliorando così la resa del processo. Un esempio pratico dell’uso del fed-batch è la produzione di lieviti da panificazione.
Coltura Continua
Il sistema continuo, o aperto, consente l’ingresso costante di substrato e la fuoriuscita continua di brodo di coltura. Grazie alla regolazione costante dei parametri, si può mantenere la coltura in una fase stazionaria, prolungando il ciclo produttivo all’infinito. Tra i vantaggi troviamo l’eliminazione dei tempi morti e la massimizzazione della velocità di crescita microbica. Tuttavia, la complessità impiantistica e il rischio di contaminazione rappresentano svantaggi significativi.
Tipologie e caratteristiche di bioreattori
I bioreattori, o fermentatori, sono dispositivi chiave nella produzione di biomasse. Possono essere suddivisi in fermentatori da laboratorio (2-40 litri), pilota (50-1000 litri) e industriali (fino a 200 m³). Indipendentemente dalla dimensione, tutti i bioreattori necessitano di un efficiente sistema di agitazione e aerazione per garantire omogeneità di temperatura e composizione, essenziali per il buon andamento del processo fermentativo.
Bioreattori convenzionali
Sono caratterizzati da un’agitazione meccanica ottenuta tramite turbine e pale meccaniche, la funzione di aerazione avviene grazie a sparger che immettono aria nel sistema e alle turbine che frammentano le bolle d’aria, migliorando lo scambio di ossigeno tra il gas e il liquido.
Lo svantaggio principale è l’elevato consumo energetico associato all’agitazione meccanica
Bioreattori ad agitazione pneumatica
L’agitazione avviene tramite immissione di aria, invece che con mezzi meccanici.
Comprendono due sottocategorie principali:
- Bubble column: l’aria viene insufflata dalla base del reattore, creando agitazione e migliorando il trasferimento di ossigeno e calore.
- Air lift: utilizzano un flusso d’aria che attraversa il reattore, generando circolazione del brodo di coltura attorno a un tubo centrale (draught tube) o attraverso una sezione periferica del bioreattore.
Questi bioreattori sono noti per l’alta efficienza nel trasferimento di massa e calore, e consumano meno energia rispetto ai bioreattori meccanici.
Bioreattori ad agitazione idraulica
Utilizzano l’energia cinetica del brodo di fermentazione per generare l’agitazione, attraverso l’uso di pompe e ugelli a flusso bifasico che miscelano gas e liquido.
Sono adatti per processi con un elevato fabbisogno di aerazione e trasferimento di ossigeno.
Tecniche per il recupero di biomassa
Le tecniche di recupero della biomassa variano a seconda del microrganismo trattato:
- La sedimentazione spontanea è una tecnica tradizionale applicata alla produzione di bevande alcoliche
- La flocculazione si ottiene modificando il pH o aggiungendo polimeri per favorire la formazione di aggregati cellulari
- La flottazione sfrutta l’adsorbimento delle cellule su bolle di gas, trasferendole in superficie
- Per i funghi filamentosi si utilizza la filtrazione su carta o tessuto, mentre per altri microrganismi si preferisce la microfiltrazione tangenziale, che riduce il rischio di intasamento delle membrane
- La centrifugazione è un metodo più efficiente rispetto alla filtrazione, in quanto permette di separare le componenti in base al loro peso specifico, ottenendo una maggiore quantità di biomassa
Esempio pratico: Produzione di Colture Starter di Lievito per Enologia Attraverso il Processo a Volumi Crescenti
Il processo per la produzione di colture starter di lievito per l’enologia parte con una coltura iniziale di laboratorio (10-50 ml), che deve essere aumentata per ottenere una quantità sufficiente di biomassa capace di fermentare ettolitri di mosto. Questo primo step è seguito da una prima moltiplicazione della coltura, passando a un volume di 100-200 ml, utilizzando il mosto come substrato. Tuttavia, questa quantità di biomassa non è ancora sufficiente, quindi i 200 ml di coltura vengono ulteriormente moltiplicati in 20-30 litri di mosto. Una volta ottenuto questo volume, è possibile inoculare ettolitri di mosto, aumentando ancora una volta la produzione di biomassa.
In alternativa, si possono ottenere preparati commerciali, dove i 20-30 litri di coltura vengono sottoposti a centrifugazione per raccogliere le cellule, seguita dal processamento del pellet tramite essiccazione.
Un altro metodo di moltiplicazione in cantina prevede la fermentazione di 5 ettolitri di mosto con una specifica coltura di lievito. Dopo due giorni, questo viene trasferito in un tino contenente 15-30 ettolitri di mosto e così via, in un processo ciclico fino al raggiungimento dei volumi desiderati. Questo metodo di moltiplicazione viene definito “processo a volumi crescenti” ed è utilizzato anche in altre filiere alimentari.