I microrganismi nei processi di fermentazione
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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 La nostra offerta formativa … ad oggi HTTP://WWW.BIOTEC.UNIBA.IT/AREA_PUBBLICA/CORSI.PHP Piano degli Studi “Biotecnologie per l’Innovazione di Processi e Prodotti” I Anno HTTP://WWW.BIOTEC.UNIBA.IT/AREA_PUBBLICA/CORSO_INNOVAZIONE_INDUSTRIALE.PHP Piano degli Studi “Biotecnologie per l’Innovazione di Processi e Prodotti” II Anno HTTP://WWW.BIOTEC.UNIBA.IT/AREA_PUBBLICA/CORSO_INNOVAZIONE_INDUSTRIALE.PHP Piano degli Studi “Biotecnologie per l’Innovazione di Processi e Prodotti” III Anno HTTP://WWW.BIOTEC.UNIBA.IT/AREA_PUBBLICA/CORSO_INNOVAZIONE_INDUSTRIALE.PHP 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 …