I bioprocessi

Bioprocessi tradizionali:	sono quelli più importanti sul piano commerciale, con essi si ottengono bevande ed alimenti.
Bioprocessi non tradizionali con microrganismi:	si producono metaboliti primari essenziali come
	acido acetico, acido lattico, glicerolo, acetone, alcol butilico, acidi organici, amminoacidi, vitamine e polisaccaridi
	si producono metaboliti secondari quali
	la penicillina, streptomicina, cefalosporine, gibberelline ed altri
	si producono enzimi esocellulari come
	le amilasi, le pectinasi e le proteasi  enzimi endocellulari come l'invertasi, l'asparaginasi, le endonucleasi di restrizione
Bioprocessi non tradizionali con cellule vegetali:	si producono aromi alimentari, profumi, sostanze farmacologiche ed altro ancora..
Bioprocessi non tradizionali con cellule di mammifero:	si ottengono anticorpi e vaccini si ottengono particolari proteine come gli interferoni e le interleuchine
I prodotti dei bioprocessi organizzati per settore industriale Settore Attività Industria chimica   organica (di base) Etanolo, acetone, butanolo   Acidi organici (citrico, itaconico) organica (fine) Enzimi   Essenze per l’industria cosmetica   Polimeri (soprattutto polisaccaridi)      Inorganica Bioestrazione, bioaccumulazione e biolisciviazione di metalli   (Cu, U)      Industria farmaceutica Antibiotici   Reagenti per la diagnostica (enzimi, anticorpi monoclonali)   Inibitori di enzimi   steroidi   Vaccini      Industria dei combustibili Etanolo (benzina all’etanolo)   Metano (biogas)   Biomassa      Industria alimentare Prodotti caseari (formaggi, yogurt)   Bevanda (alcolici, tè, caffè)   Lievito da panificazione   Additivi alimentari (antiossidanti, coloranti, aromi, stabilizzanti)   Cibi esotici (salsa di soia, tempeh, miso)   Funghi coltivati   Amminoacidi, vitamine   Prodotti amilacei   sciroppi di glucosio e ad elevato contenuto di fruttosio   Modificazione funzionale di proteine, pectine     Agricoltura Mangimi per animali (SCP)   Vaccini veterinari   Processi di insilamento e compostaggio   Pesticidi microbici   Inoculanti di Rhizobium e di altri batteri azotofissatori   Inoculanti di micorrize   Colture di cellule e dl tessuti vegetali (propagazione vegetativa,produzione di embrioni, miglioramento genetico)

 Quali sono i vantaggi e gli svantaggi di un bioprocesso rispetto ad un processo chimico?

Dove avviene un bioprocesso? In un bioreattore (o fermentatore)

Il bioreattore

È un opportuno sistema fisico/termico di contenimento, dove si mantengono le cellule in coltura nelle condizioni ambientali più favorevoli alla crescita.

I modelli di bioreattore vanno da semplici recipienti che possono o meno funzionare anche da agitatori, fino a complessi sistemi asettici, regolati e integrati a vari livelli dagli input che giungono dall'unità centrale di un computer.

Di base i bioreattori sono quindi di due tipi:

1° tipo: contenitori non asettici (es. per la fabbricazione della birra, per lo smaltimento delle acque reflue)

2° tipo: contenitori asettici (es. produzione di antibiotici, vitamine e polisaccaridi)

Le modalità principali con cui si coltivano i microrganismi all'interno di un bioreattore sono 5:

Lo scopo ultimo di ogni processo di fermentazione è assicurare che ogni parte del sistema sia soggetto alle stesse condizioni:

• tutti i nutrienti, compreso l'O₂ , devono essere somministrati in modo che possano diffondere in ogni cellula, mentre deve essere possibile rimuovere i prodotti di rifiuto, come la CO₂, e gli altri cataboliti escreti.

• la concentrazione dei nutrienti deve mantenersi entro un preciso intervallo di variazione

• i parametri ambientali devono trovarsi nel range ottimale per la determinata reazione biologica.

• tutti i reattanti devono essere immediatamente mescolati e distribuiti in modo uniforme. Le fermentazioni sono infatti processi multifasici, coinvolgono una fase gassosa (N₂, CO₂ e O₂), una o più fasi liquide, una microfase solida (microrganismi e altro).

L'operatività di un bioreattore viene ottimizzata se si rispettano i seguenti principi guida:

 1. il bioreattore deve essere progettato e costruito in modo da impedire l'ingresso di organismi contaminanti e, al tempo stesso, la fuoriuscita degli organismi produttori;

 2. il volume della coltura deve rimanere costante, ovvero non devono esserci né perdite né evaporazione;

 3. nel caso di colture di organismi aerobici, l'ossigeno disciolto deve rimanere al di sopra del livello critico e la coltura deve essere costantemente agitata;

 4. i parametri ambientali, come temperatura, pH ecc., devono essere strettamente controllati, e tutti i componenti ben miscelati nell'intero volume della coltura.

Il problema dell'ossigenazione,

ha trovato due diversi tipi di soluzione:

Lo sviluppo di un processo di fermentazione

La messa a punto dei terreni di coltura per processi di fermentazione

Bisogna tener conto:

	dell'acqua, la componente dominante nella maggior parte dei casi; il suo approvvigionamento ed il suo uso devono essere sottoposti a costante monitoraggio e attenti controlli.
	delle esigenze metaboliche del microrganismo.
	del costo delle materie prime.
	delle procedure di sterilizzazione (devono arrecare il minor danno possibile ai componenti del terreno ed il maggior danno possibile ai microrganismi).

Tecnologia delle colture di cellule vegetali e di cellule di mammifero

-Attualmente sono disponibili processi su larga scala per coltivare in sospensione le cellule di molte specie vegetali, con rese eccezionali dei prodotti caratteristici delle piante intere, ad esempio alcaloidi, nicotina e ginseng. I metodi per crescere le cellule vegetali in coltura in fase liquida agitate sono derivati dalle tecniche microbiologiche.

-La coltivazione di cellule e tessuti di mammifero è ormai una tecnica assai diffusa nella citologia e nella biotecnologia moderna. La gamma dei tipi cellulari che oggi si possono far crescere in coltura, già molto ampia e comunque in rapida espansione, comprende cellule derivate da numerosi organi e tessuti - osso, cartilagine, fegato, polmoni, mammella, epidermide, vescica, rene, sistema nervoso, ipofisi - e da vari tipi di cancro. Fra i problemi principali che ancora ostacolano la coltivazione massiva di cellule di mammifero vi sono l'estrema sensibilità di queste cellule alle impurità dell'acqua, i costi e i controlli di qualità richiesti dai terreni di coltura, e la necessità di evitare la contaminazione di microrganismi, che crescono più rapidamente. Le colture di cellule di mammifero fresche vengono definite colture primarie. Dopo esse­re stata suddivisa e trasferita su terreni freschi per avviare sottocolture, una linea cellulare muore oppure «si trasforma», dando origine a una linea cellulare continua. L'effetto principale della trasformazione in vitro è l'immortalità delle cellule. La crescita delle colture monostrato di cellule animali dipende dall'area della superficie a cui le cellule possono aderire; la ricerca di nuovi sistemi per questo tipo di colture si è quindi rivolta allo sviluppo di metodi che aumentano l'area di superficie disponibile. I primi sistemi impiegavano provette o recipienti rotanti per garantire l'efficienza degli scambi di sostanze nutritive e di gas. Di recente è stato messo a punto un sistema molto sofisticato, in cui la crescita delle cellule avviene in tubi di Teflon spiralizzati e gas-permeabili. Tra le innovazioni più recenti e più rilevanti in questo campo vi è un metodo che combina la coltura in sospensione con la coltura su superfici, e che consiste nell'utilizzo di microsferette come supporti per le cellule. In sostanza, le cellule che crescono solo se ancorate a superfici che aderiscono a speciali sfere di DEAE-Sephadex  capaci di flottare, cioè di restare in sospensione.

Le lavorazioni a valle

Si  occupano di estrarre e purificare il prodotto finale desiderato. Queste lavorazioni dovrebbero rispettare sempre il criterio di ridurre al minimo la quantità di prodotto che va perduta. Le lavorazioni a valle rappresentano una voce che incide in misura rilevante sui costi complessivi dei bioprocessi, nonostante siano anche l'aspetto meno affascinante della biotecnologia. Qualunque miglioramento apportato a questa fase della produzione si risolverà in un aumento dell'efficienza complessiva dei bioprocessi e contribuirà a ridurne i costi.

La prima delle lavorazioni a valle è la

separazione in fase liquida e fase solida del brodo contenuto nel bioreattore;

quindi seguono la

concentrazione e la purificazione del prodotto,

che implicano di norma molteplici operazioni. I metodi effettivamente in uso o soltanto proposti, che variano dai più convenzionali alle tecniche più astruse, comprendono tra gli altri: la distillazione, la centrifugazione, la filtrazione, l'ultrafiltrazione, l'estrazione con solventi, l'adsorbimento, la filtrazione con membrane selettive, l'osmosi inversa, la gel filtrazione, l'elettroforesi e la cromatografia di affinità.

Per essere adatti alla distribuzione commerciale, i prodotti finali dei processi di purificazione devono possedere un certo grado di stabilità. In generale, il mezzo migliore per

conferire stabilità

consiste in un processo di disidratazione, per ottenere il quale si può ricorrere a varie tecniche: l'essiccazione di liquidi nebulizzati (spray-drying), l'essiccazione a letto fluido o la liofilizzazione; il metodo prescelto dipende dal tipo di prodotto e dai costi. Fra i prodotti venduti in forma disidratata vi sono acidi organici, amminoacidi, antibiotici, polisaccaridi, enzimi, SCP e molti altri ancora.