PRODUZIONE DI BIOMASSA

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Marco Di Mauro
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1 PRODUZIONE DI BIOMASSA Destino aerobico dello zucchero: 1. Completa ox a CO2 (Vass<Vcrit (ceppo dip)) PDH & TCA NADH prodotto riox dalla catena respiratoria con consumo di O2 2. Parziale ox a EtOH (Vass<Vcrit (ceppo dip)) overflow metabolico eccesso di piruvato a PDC produzione di EtOH/ox NADH 3. Assimilazione nella biomassa: PDH, TCA e ADH

2 Produzione di etanolo vs consumo di etanolo in S. cerevisiae La produzione di etanolo avviene fino ad una concentrazione critica di glucosio al di sotto della quale viene consumato. Arresto della crescita (~1h) per mancanza di zuccheri e induzione enzimi gluconeogenesi repressi da catabolita

3 q = velocità specifica 1. S= consumo dello zucchero 2. Os= consumo dell ossigeno 3. µ= crescita 4. Ep= produzione di etanolo 5. Ec= consumo di etanolo S crit Glucose Exponential Feed 0.3h -1 Glucose Exponential Feed 0.25h -1

4 STUDIO DI UN PROCESSO DI PRODUZIONE DI BIOMASSA Modello semplificato = processo ossidativo aerobico C 6 H 12 O 6 + O 2 + NH 4 + C 3.75 H 6.6 O 2.18 N CO 2 + H 2 O composizione biomassa media Quanto pesa 1 mole di biomassa? Se C=12g/mol; H= 1g/mol; O=16g/mol; N=14g/mol 1 mole di biomassa = 94,04 g + elementi (S, Fe..) 100g Parametri per la valutazione dei costi: 1. Vendita biomassa 2. Acquisto materie prime 3. Resa (determinata nel reattore pilota)

5 ESEMPIO Per produrre 100 g di biomassa con una resa di 0,5 g/g quanta ammoniaca dobbiamo acquistare? 1110 C 6 H 12 O 6 + O 2 + NH C 3.75 H 6.6 O 2.18 N CO 2 + H 2 O 100g biomassa = 1mole = 1000mmoli 0,5 =g biomassa/ 1 g glucosio per 100g biomassa necessitano 200g glucosio = 1110 mmoli 1110 C 6 H 12 O 6 + O NH C 3.75 H 6.6 O 2.18 N CO 2 + H 2 O 1000 x 0,54 = 540 mmoli 0,54 mol x 18 g/mol = 9,72 g NH 4 +

6 SCHEMA DI IMPIANTO PER LA PRODUZIONE DI LIEVITO

7 PRODUZIONE DI ACIDO LATTICO Fermentazione lattica = processo anaerobico più diffuso in natura Trasformazione omolattica Rese glucosio ---> acido lattico > 80% Principali produttori: 1. Batteri omolattici (Lactobacillus, Streptococcus, Pediococcus) 2. Cellule vegetali e animali Applicazioni: industria tessile (fibre tessili) industria alimentare (conservante e aroamtizzante) industria farmaceutica (additivo, anticoagulante) industria cosmetica (additivo di creme e detergenti) industria chimica (acido polilattico polimero impiegato nella sintesi materiale plastico)

8 TRASFORMAZIONE ETEROLATTICA Rese glucosio > acido lattico >50% prodotti secondari: etanolo, anidride carbonica, acido acetico La via metabolica può essere considerata una variante della via dei pentoso-fosfati: glucosio 6P ----> acido 6P gluconico ----> ribulosio 5P ----> xilulosio 5P ----> gliceraldeide 3P + acetil P gliceraldeide 3P (glicolisi) ---> piruvato ----> acido lattico acetil P ----> acetil CoA----->acetaldeide ----> etanolo I batteri lattici eterofermentanti : Brevibacterium Betabacterium alcuni Lactobacilli (L. brevis, L. buchneri)

9 BIOREATTORI E PROCESSO Fermentatori STR ad agitazione meccanica in acciaio (resistenza agli acidi) Sterilizzazione reattore con acqua calda Non necessaria sterilizzazione terreno (T processo= 50 C) CaCO3 e Ca(OH)2 nel terreno di coltura contrastano l acidificazione del terreno (ph processo 5-7) e favoriscono la formazione del lattato di calcio Recupero prodotto: 1. Inattivazione biomassa a 80 C 2. Filtrazione o centrifugazione 3. Chiarificazione brodo (carboni attivi) 4. H2SO4 5. Acido Lattico + CaSO4 6. Precipitazione CaSO4 7. Filtrazione e concentazione acido lattico 8. Purificazione (scambio ionico) 9. Concentrazione prodotto finito

10 LA PRODUZIONE DI LIEVITI Prodotto principale: impiego di ceppi altamente selezionati. Applicazioni: alimentazione umana lievito per panificazione Prodotto secondario: impiego di scarti di altre lavorazioni (es. siero di latte) Applicazioni: alimentazione animale integratori alimentari (lieviti secchi) produzione di materiale di base per terreni di coltura (estratto di lievito) Esempi: Saccaromyces cerevisiae (panificazione, vinificazione, integratori) Saccaromyces bayanus (vini frizzanti) Saccaromyces carlsbergensis (birra)

11 PRODUZIONE DI LIEVITO CON TECNOLOGIA FED-BATCH

12 SCHEMA A BLOCCHI DELLA PRODUZIONE DI LIEVITO Ricerca e selezione del ceppo S. cerevisiae Coltivazione in coltura pura Sterilizzazione materie prime Sterilizzazione fermentatore Immissione materie prime Inoculo Fermentatore Fermentazione Concentrazione del brodo Centrifugazione Filtrazione ph 3,5-5,5 T C Lievito fresco Essiccamento Lievito secco

13 PARAMETRI DEGLI STANDARD DI QUALITA DEL LIEVITO PER PANIFICAZIONE 1. Potere gasante (velocità di produzione CO2 in condizioni di cottura in forno 2. Osmotolleranza ( comportamento del lievito in pasta dolce) 3. Stabilità allo stoccaggio (4 settimane a 4 C) 4. Colore 5. Profumo 6. Reologia del prodotto disidratrato 7. Infezioni microbiche

14 PRODUZIONE DI ACIDI ORGANICI - ACIDO ACETICO Greci/Romani: vino > aceto Sintesi chimica: carbonilizazione del metanolo Sintesi microbiologica: ossidazione dell etanolo (Brasile) EtOH Acetaldeide Ac. acetico Microorganismi Utilizzati Gluconobacter oxyda (-----> aceto) Acetobacter aceti (-----> aceto ----> CO2 ed H2O) Acetobacter pasteurianus Produzione di Acido Acetico Industriale 2.5 milioni di ton/anno Applicazioni: Industria chimica: gomme plastiche fibre coloranti insetticidi materiali fotografici Industria farmaceutica (... additivo)

15 PRODUZIONE DI ACIDO ACETICO Il Processo Produttivo -Materiali grezzi (... contengono tutti nutrienti necessari) -Etanolo industriale (... richiede controllo nutrienti) -La concentrazione di etanolo: 0.2-5% v/v -Ossigeno (10 sec. senza ossigeno alterano resa del processo) Impianti a percolaizone (processi di superficie) sommerso (processi sommersi)

16 PRODUZIONE DI ACIDO ACETICO Processo di Superficie aceto per uso alimentare bioreattore in legno (60m3) trucioli di faggio (1 anno) rese di conversione : 90% temperatura: da 29 a 35 C durata del processo: 3-5 giorni

PRODUZIONE DI ACIDO ACETICO Processo Sommerso acido acetico per uso industriale Vantaggi maggior resa e produttività bioreattore controllato

17 PRODUZIONE DI ACIDO ACETICO Processo Sommerso acido acetico per uso industriale Vantaggi maggior resa e produttività bioreattore controllato ed automatizzato (T= 30 C; Agitazione 1500rpm) transfer di ossigeno (ossigenazione costante) filtrazione del terreno esausto e recupero prodotto

18 PROSPETTIVE DEL PROCESSO DI PRODUZIONE DELL ACIDO ACETICO Cellule immobilizzate (... ma: transfer di ossigeno) Utilizzo bioreattori a torre (... riduce perdita di etanolo) Sviluppo di nuovi bioreattori Sviluppo di tecniche di minitoraggio e controllo

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