I microrganismi nei processi di fermentazione

Orientamento Consapevole
“Biotecnologie Innovative”
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BARI
“ALDO MORO”
DIPARTIMENTO DI BIOSCIENZE, BIOTECNOLOGIE E BIOFARMACEUTICA
CLASSI DI LAUREA IN BIOTECNOLOGIE
I MICRORGANISMI NEI PROCESSI DI FERMENTAZIONE
Dott.ssa Isabella Pisano
BARI, 5 FEBBRAIO 2016
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Piano degli Studi “Biotecnologie per l’Innovazione di Processi e Prodotti”
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II Anno
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III Anno
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Biotecnologie dei microrganismi
Esperimento di Pasteur con fiasca a collo di cigno
MICROBIOLOGIA A.A. 14-15
La “teoria microbica delle malattie”: postulati di Koch
MICROBIOLOGIA A.A. 14-15
Biotecnologie = “BIO” + “TECNOLOGIA”
Tasso di morte relativo alle
prime 10 cause di morte negli
USA nel 1900 e oggi
BIO = microbiologia  scienza antica o moderna?  nata dallo studio degli
agenti eziologici delle malattie infettive.
Oggi la microbiologia studia anche ciò che di positivo fanno i microrganismi
verso l’uomo.
MICROBIOLOGIA A.A. 14-15
L’impatto della microbiologia sull’uomo (1)
… in natura il ruolo dell’infinitamente piccolo è infinitamente grande (L. Pasteur)
Microrganismi nell’agricoltura moderna
MICROBIOLOGIA A.A. 14-15
L’impatto della microbiologia sull’uomo (2)
… in natura il ruolo dell’infinitamente piccolo è infinitamente grande (L. Pasteur)
MICROBIOLOGIA A.A. 14-15
L’impatto della microbiologia sull’uomo (3)
… in natura il ruolo dell’infinitamente piccolo è infinitamente grande (L. Pasteur)
MICROBIOLOGIA A.A. 14-15
PERCHE’ LE BIOTECNOLOGIE INDUSTRIALI?
TIME
790 000 anni fa
LEGNO
Light
200 d.c. ad oggi
GRASSI
(animali o vegetali)
Heat
BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A. 14-15
1830
PARAFFINA
(1st distillation)
Today
RESINE
da PETROLIO

Materiale non vivente

NON RINNOVABILE
ENERGY from BREAKAGE of C-C bonds:
oils vs sugars
TALLOW
PARAFFIN WAX
COMBUSTION
FERMENTATION
ENERGY
BIOFUELS
BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A. 14-15
Dal petrolio non si produce solo ENERGIA!
US DEPT. OF ENERGY – TOP ADDED VALUE CHEMICALS FROM BIOMASS (AUGUST 2004)
Biotecnologie = “BIO” + “TECNOLOGIA”
Biotecnologie delle Fermentazioni
Fermentazione  trasformazione di materiale organico in prodotti di vario
interesse ad opera di microrganismi  Bioprocesso
BIOPROCESSI TRADIZIONALI: 5000 anni fa  pane, birra e vino
Oggi  formaggi, yoghurt …. vini pregiati
BIOPROCESSI NON TRADIZIONALI: da microrganismi ma non solo (cellule
vegetali, cellule mammifero). Esempi di prodotti:
• cellule microbiche (biomasse, mangimi e integratori alimentazione)
• enzimi e/o proteine (insulina, vaccini)
• metaboliti primari (etanolo, acido citrico)
• metaboliti secondari (antibiotici)
• molecole complesse funzionalizzate (antibiotici, dolcificanti)
BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A. 14-15
APPLICAZIONI DELLE FERMENTAZIONI
MICROBICHE
Settori industriali
Industria
Chimica
Organica
Di Base
Industria
Chimica
Inorganica
Fine
Industria
Farmaceutica
Industria
Combustibili
Industria
Alimentare
Agro-Industria
Bioestrazione
Antibiotici
Etanolo
Additivi
alimentari
Mangimi
Biolisciviazione
Diagnostica
Metano
Integratori
alimentari
Compostaggio
Biomasse
Etanolo
Enzimi
Acetone
Essenze e
Aromi
Vaccini
Acidi Organici
Polimeri
Cosmetica
BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A. 14-15
Scarti
Aspetti socio-economici
delle “biotecnologie fermentative”
 nuove fonti di energia (bioetanolo e biodiesel)
Sostenibilità ambientale
 nuovi materiali (polimeri biodegradabili)
 nuovi enzimi alternativi a processi chimici sintetici
 nuovi farmaci, vaccini e additivi alimentari
Bioprocessi vs Processi chimici
Vantaggi:
•Produzione molecole complesse
•Rese superiori
•Condizioni operative blande (T, pH)
•Catalisi specifica
•Prodotti isomerici
Svantaggi:
•Facile contaminazione
•Lavorazione a valle
•Approvvigionamento, gestione e scarico grandi
volumi di acqua
•Lentezza del processo
BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A. 14-15
Fermentazione = processo microbiologico
S
+
substrato
X
cellule

P
prodotto
1. Upstream  fase di fermentazione/biotrasformazione
2. Downstream  fase di isolamento del prodotto
SOSTENIBILITA’ DI PROCESSO
•Resa: rapporto tra quantità di prodotto e quantità di substrato
•Produzione: quantità di prodotto ottenuto
•Produttività: quantità di prodotto ottenuta nell’unità di tempo
BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A. 14-15
… la macchina “cellula”
•Come una cellula si procura la
materia di cui è costituita?
•Come una cellula si procura
l’energia?
•Quali istruzioni la cellula deve
seguire?
MICROBIOLOGIA A.A. 14-15
Cellula procariotica vs eucariotica
MICROBIOLOGIA A.A. 14-15
Composizione elementare delle macromolecole
cellulari
MICROBIOLOGIA A.A. 14-15
Come si costruisce una cellula batterica?
Macro
molecole
MICROBIOLOGIA A.A. 14-15
Polimeri
Strutture
cellulari
Allestimento di una coltura batterica
1.
2.
3.
Inoculo in appropriato terreno di coltura (nutrienti, pH) con 1
colonia batterica (~ 106 cells) ;
Incubazione in condizioni appropriate (T, aerazione, agitazione);
Osservazione della coltura microbica (torbidità, contenuto).
MICROBIOLOGIA A.A. 14-15
… quindi
… sono necessarie “poche ore” per trasformare la materia presente nel
terreno di coltura e riorganizzarla in molecole e strutture sofisticate che
compongono le cells.
1.
2.
3.
Di cosa necessita la cell per fare tutto questo?
Come caratterizzare i microrganismi in base alle loro esigenze metaboliche?
Diversità metabolica?
MICROBIOLOGIA A.A. 14-15
… dalla beuta al fermentatore industriale
BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A. 14-15
Saccharomyces cerevisiae
 Organismo GRAS (Generally Recognized As Safe)  nessun pericolo per
l’uomo
 Elevata flessibilità metabolica (metabolismo fermentativo vs respiratorio)
 Elevata duttilità (facile ed economico da crescere in laboratorio; facile
manipolazione genetica)
BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A. 14-15
S. cerevisiae: ANAEROBIO FACOLTATIVO
↓
capacità di utilizzare glucosio in presenza e in assenza di O2
BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A. 14-15
PRODUZIONI INDUSTRIALI ATTUALI
1. Produzione di biomassa (lievito per panificazione)
2. Produzione di bevande alcoliche (starter: lieviti selezionati per particolari
caratteristiche fermentative)
3. Produzione di bioetanolo
4. Produzione di proteine ricombinanti (vaccino epatite B; insulina)
BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A. 14-15
Fermentazione alcolica: schema a blocchi
BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A. 14-15
… ASPETTI METABOLICI
Prodotto 2ario
ENZIMI CHIAVE
1. Piruvato decarbossilasi
2. Alcol deidrogenasi
3. Acetaldeide
deidrogenasi
4. Glicerolo-3Pdeidrogenasi
Fermentazione
± O2
Respirazione
+O2
BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A. 14-15
Prodotto 2ario
Cinetica di fermentazione in S. cerevisiae
Glucosio  Cellule + Etanolo
Stop
Etanolo  Cellule
BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A. 14-15
LIMITI DELLA PRODUZIONE DI BIOETANOLO DA
S. cerevisiae
•Limitazione nutrienti (es. azoto)
•Inibizione da substrato (es. stress osmotico da elevate concentrazioni zuccherine
nelle materie prime)
•Inibizione da prodotto (es. etanolo ad alte concentrazioni forte inibitore)
•No metabolismo di pentosi e zuccheri più complessi (lattosio, amido, ecc)
•Inibizione da composti tossici rilasciati dal pretrattamento delle materie prime
… la ricerca continua!
BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A. 14-15
“Messaggeri della Conoscenza”
Bando ministeriale del
2012
350 proposte di cui 113
finanziate
€ 5.300.000 stanziati
BIOTECNOLOGIE per la
BIORAFFINERIA
produrre carburanti e prodotti chimici sostenibili
da materie prime rinnovabili
Universitá degli Studi di Bari Aldo Moro
Dipartimento di Bioscienze, Biotecnologie e Biofarmaceutica
“Messaggeri della
della Conoscenza”
“Messaggeri
Conoscenza”
43
“Messaggeri della
della Conoscenza”
“Messaggeri
Conoscenza”
Struttura del Corso
SEMINARI di Ricercatori in Biotecnologie
Industriali
LAVORO di GRUPPO
“Messaggeri della Conoscenza”
Rosita
Erika
Maria
Vincenzo
Il periodo di studi all’estero ha previsto quattro fasi:
1. Studio di letteratura scientifica
2. Svolgimento di attività sperimentali
3. Stesura di una relazione finale
4. Presentazione finale del progetto di ricerca
A lot of work!!!
Il vostro futuro …