I bioreattori

I BIOREATTORI

Cosa sono e da cosa sono composti

Un bioreattore è un contenitore progettato per coltivare microorganismi o cellule vegetali in condizioni controllate. Può essere utilizzato per la produzione di biomasse, prodotti chimici, farmaci o biocarburanti. La struttura di base di un bioreattore include: 1. Camera di coltura: è il luogo in cui vengono coltivati i microorganismi o le cellule vegetali. Può essere realizzata in diversi materiali, come vetro, acciaio inossidabile o plastica, a seconda delle esigenze di sterilità e resistenza chimica. 2. Sistema di agitazione: è responsabile di mescolare il mezzo di coltura e garantire una distribuzione uniforme dei nutrienti e dell'ossigeno all'interno del bioreattore. Può essere realizzato con un agitatore magnetico, un sistema di agitazione a elica o con un sistema di agitazione a palette. 3. Sistema di aerazione: è utilizzato per fornire ossigeno alle cellule in coltura, essenziale per la respirazione cellulare. Può essere realizzato con un sistema di bolle d'aria o con un sistema di diffusione dell'ossigeno.

4.Sistema di controllo della temperatura: è necessario per mantenere la temperatura ottimale per la crescita dei microorganismi o delle cellule vegetali. Può essere controllato attraverso un sistema di riscaldamento e di raffreddamento. 5. Sistema di monitoraggio e controllo: è utilizzato per monitorare i parametri di coltura, come la temperatura, il pH, la concentrazione di ossigeno e la densità cellulare. Può essere automatizzato per regolare automaticamente i parametri di coltura in base alle esigenze del processo. 6. Sistema di prelievo e scarico: è utilizzato per prelevare campioni di coltura per analisi e per scaricare il prodotto finale. Può essere dotato di valvole, portelli o tubi di scarico.Inoltre, alcuni bioreattori possono essere dotati di sensori per la misurazione di altri parametri, come la densità ottica, la concentrazione di metaboliti o la produzione di gas. La progettazione e la configurazione di un bioreattore dipendono dalle specifiche esigenze del processo di coltura e del tipo di microorganismi o cellule vegetali da coltivare.

I metodi di coltura

In generale, esistono bioreattori di diverse dimensioni, da quelli di 1L di volume, utilizzati sui banconi dei laboratori di ricerca, fino a quelli da 1 milione di litri, usati per le grandi produzioni industriali. Il passaggio della produzione da un bioreattore più piccolo a uno più grande viene chiamato scale-up. I metodi di coltura delle cellule in un bioreattore sono essenzialmente cinque, classificabili sulla base del metodo di somministrazione del terreno di coltura. 1) Colture in batch (a sistema chiuso), in cui il volume di terreno liquido nel quale le cellule crescono è essenzialmente costante. Le cellule, crescendo, aumentano la loro biomassa, riducono la quantità di nutrienti disponibile, producono metaboliti da eliminare. Le cellule raggiungono così un livello (detto stato stazionario) tale da impedire di aumentare ulteriormente il loro numero. 2) Colture in fed-batch (sistema chiuso alimentato), in cui è possibile prolungare il tempo di crescita delle cellule prima di raggiungere lo stato stazionario. Il terreno viene infatti continuamente addizionato alla coltura.

3) Colture in perfusione in cui oltre all’aggiunta di terreno fresco, viene anche prelevato il terreno usato (privo di cellule) ed i metaboliti escreti. È un metodo ampiamente usato nelle colture di cellule animali. 4) Colture continue in cui ad una coltura in batch in fase di crescita esponenziale si addiziona una certa quantità di terreno fresco e se ne sottrae una equivalente di terreno usato con cellule. In questo modo, restando costante la biomassa, si ottiene una crescita pressoché bilanciata: anche le concentrazioni di sostanze nutrienti e di metaboliti, infatti, restano essenzialmente costanti. 5) Colture su strato solido che si svolgono in assenza di acqua allo stato libero (in alcuni casi l’acqua è presente in quantità ridotte). Tra i substrati solidi più utilizzati figurano legumi, cereali, ed altri materiali di origine vegetale come paglia o segatura.

I terreni di coltura

I terreni di coltura possono essere: • sintetici: utilizzati in laboratorio, contengono materie prime pure • complessi: impiegati in microbiologia industriale, contengono materie prime grezze che richiedono pretrattamenti Fonti di carbonio: CO2, carboidrati in forma pura (es. lattosio o glucosio) o grezza (derivano da diverse fonti es. melasse, cellulosa ecc.) Fonti di azoto: composti inorganici (sali di ammonio), composti organici (aminoacidi e proteine, urea), materie prime grezze (es. acqua di macerazione del mais) Fonti di vitamine: ingredienti delle materie prime grezze utilizzate. Possono essere integrate con altre sorgenti (es. estratto di lievito).

Minerali: dall’acqua di fonte e dalle materie prime grezze impiegate. Se necessario, si possono aggiungere sali di calcio, fosforo, potassio, cloro, magnesio.Agenti antischiuma: sostanze ad azione tensioattiva che riducono la tensione superficiale, limitando la formazione di schiuma. Si impiegano oli naturali e sintetici. Precursori: sono incorporati dai microrganismi e andranno a formare parti della molecola che il microrganismo è chiamato a produrre; la resa è altamente potenziata (es. acido fenilacetico, precursore della molecola di penicillina G). Acqua: importante per il calcolo dei volumi necessari alla preparazione dei terreni di coltura, la conduzione degli impianti, le sue caratteristiche e composizione in oligoelementi.

I sistemi tampone

I sistemi tampone nei bioreattori sono utilizzati per mantenere costante il pH all'interno del sistema in modo da garantire condizioni ottimali per la crescita e la produzione dei microorganismi presenti nel bioreattore. Questi sistemi tampone sono costituiti da sostanze che possono assorbire o rilasciare ioni H+ in risposta alle variazioni del pH, mantenendolo entro valori stabili. Alcuni esempi di sistemi tampone comuni utilizzati nei bioreattori sono il fosfato di potassio, il fosfato di sodio e il tampone citrato. Questi sistemi aiutano a prevenire variazioni brusche del pH che potrebbero compromettere il funzionamento del bioreattore e influenzare negativamente la crescita dei microorganismi. In generale, è importante mantenere il pH costante all'interno del bioreattore per garantire la massima efficienza del processo biologico e ottenere i risultati desiderati in termini di produzione di biomassa o composti di interesse.

Preparazione dell'inoculo

In ogni processo biotecnologico intervengono due componenti fondamentali: • la materia prima che costituisce il substrato • i biocatalizzatori con cui esso è inoculato Il ceppo microbico deve rispettare alcune caratteristiche: • facilità di coltivazione e manipolazione • assenza di qualsiasi carattere di patogenicità • alta velocità di riproduzione • elevata capacità produttiva (ceppo alto-produttore) • stabilità genetica (bassa frequenza di mutazione)

Le fasi dei processi di produzione biotecnologica

Le fasi dei processi di produzione biotecnologica possono essere suddivise in diversi tipi di approcci, tra cui: 1. Produzione continua: In questo tipo di processo, la produzione avviene in modo continuo, senza interruzioni. Questo metodo è spesso utilizzato quando c'è una costante domanda di prodotto e quando la produzione su vasta scala è necessaria. 2. Produzione a lotti: In questo approccio, la produzione avviene in lotti separati. Ogni lotto può essere controllato e monitorato individualmente, il che permette una maggiore flessibilità nel processo di produzione. 3. Produzione semicontinua: Questo metodo combina elementi di produzione continua e a lotti. Alcune parti del processo possono essere eseguite in modo continuo, mentre altre possono essere effettuate in lotti separati. 4. Standardizzazione dei processi: La standardizzazione dei processi è un elemento chiave nel garantire la qualità e la ripetibilità dei processi di produzione biotecnologica. Ciò significa che i processi vengono ottimizzati e standardizzati in modo da garantire che ogni lotto di prodotto sia uniforme e di alta qualità. Spesso, le aziende utilizzano una combinazione di questi approcci per ottimizzare la produzione e garantire la massima efficienza e qualità del prodotto finale.

Il recupero dei prodotti

I Il recupero dei prodotti nei bioreattori può essere suddiviso in diverse fasi: 1. Separazione del brodo di coltura: dopo la fermentazione del substrato nel bioreattore, il brodo di coltura contenente i prodotti desiderati e i biomasse cellulari viene separato dalle cellule mediante centrifugazione, filtrazione o sedimentazione. 2. Concentrazione del brodo di coltura: il brodo di coltura ricavato dalla separazione può essere diluito e quindi sottoposto a distillazione, ultrafiltrazione o altri processi di concentrazione per aumentare il contenuto di prodotto desiderato. 3. Purificazione del prodotto: una volta concentrato, il prodotto desiderato può essere purificato mediante tecniche di separazione come cromatografia, cristallizzazione o precipitazione selettiva per isolare il composto di interesse dai contaminanti presenti nel brodo di coltura. 4. Stabilizzazione del prodotto: il prodotto purificato viene infine sottoposto a trattamenti di stabilizzazione come sterilizzazione, liofilizzazione o congelamento per preservarne la qualità e la stabilità durante lo stoccaggio e il trasporto. 5. Imballaggio e distribuzione: una volta ottenuto il prodotto finale, esso viene confezionato in modo appropriato e distribuito ai clienti o utenti finali.

Lavoro realizzato da: Alessia Giannoccaro