Biotecnologia e Bioreattori: il ruolo della regolazione della portata dei gas

Cos’è la biotecnologia?

La biotecnologia è una tecnologia presente nel mondo già da qualche migliaio di anni, ma che è finita sotto i riflettori solo nel corso degli ultimi 20 anni. Per quale motivo?

I processi biotecnologici vengono realizzati all’interno di un bioreattore, dove le sostanze vengono sintetizzate grazie all’intervento di ceppi batterici, di lieviti e cellulari. Il prodotto finale è utilizzato in molti ambiti delle nostre vite di tutti i giorni, come i processi di fermentazione della birra e dello yogurt. Oltre alle applicazioni nell’industria alimentare, è anche utilizzato nell’ambito della ricerca e della produzione di farmaci. I regolatori di portata svolgono un ruolo fondamentale in questi bioreattori. La sempre maggiore attenzione posa sulla biotecnologia e l’aumento dei suoi ambiti di applicazione sono ragioni sufficienti per voler conoscere più a fondo questa affascinante tecnologia.

Il bioreattore, l’anima del processo

In breve, un bioreattore è un contenitore all’interno del quale si verificano dei processi biologici. I bioreattori sono dotati o di un semplice comando manuale o di comandi su PLC complessi e completamente automatici. In genere, il processo di un bioreattore si articola in un processo a lotti, mentre l’intervallo di tempo tra l’avvio e la raccolta viene denominato campagna.

La maggior parte dei bioreattori necessita di un’alimentazione a gas e sostanze nutritive che permetta la proliferazione dei batteri, dei lieviti o delle cellule richiesti per la sintesi biologica desiderata. In genere, questi additivi vengono aggiunti in maniera continua in un periodo variabile da alcuni giorni a diverse settimane. I regolatori di portata svolgono un ruolo fondamentale nel controllo dei processi dei bioreattori. Le differenze nella portata di volume per le colture batteriche o cellulari sono significative.

Panoramica del processo di un bioreattore

La campagna di un processo contenente colture cellulari può richiedere fino a tre o quattro settimane prima della raccolta, mentre la campagna con colture batteriche ha spesso una durata di alcuni giorni.

La sfida consiste principalmente nell’eseguire il processo in maniera stabile durante tale periodo e, pertanto, è fondamentale dosare con attenzione i gas e le sostanze nutritive. Le differenze nella portata di volume per le colture batteriche o cellulari sono significative. Il dosaggio degli additivi viene eseguito in condizioni sterili, in modo da evitare eventuali contaminazioni con batteri indesiderati che potrebbero compromettere la coltura microbica o cellulare.

In breve, affidabilità e riproducibilità sono fattori chiave nei processi di un bioreattore, in particolare per il controllo della portata.

Aerazione dei bioreattori mediante regolatori di portata

I gas comunemente utilizzati per l’aerazione dei bioreattori sono: Aria, O2 (ossigeno), N2 (azoto) e CO2 (anidride carbonica). L’N2 viene utilizzato per calibrare il sensore dell’ossigeno (pO2) e per ridurre il contenuto di O2 all’interno del bioreattore all’inizio del processo. Maggiore è il numero di batteri o cellule, maggiore sarà il fabbisogno di O2. La CO2 serve a regolare l’acidità (pH) nella fase liquida. Per controllare un bioreattore, generalmente, è necessario verificare la pressione dell’ossigeno parziale pO2 e il pH in sospensione.

L’assorbimento di ossigeno e di tutte le altre sostanze da parte delle cellule avviene nella fase liquida. L’ossigeno deve, pertanto, essere presente nel liquido. A tal fine, si tenta di aggiungere dell’ossigeno, possibilmente come componente dell’aria, sotto forma di piccolissime bolle. Miscelare il liquido permetterà di distribuire e propagare l’ossigeno aggiunto.

La figura mostra la curva di proliferazione ideale di una coltura batterica all’interno di un bioreattore.

La storia dei bioreattori

La ricerca e la prima produzione di sostanze generate microbiologicamente in medicina risalgono alla seconda guerra mondiale, quando furono scoperti i vantaggi dell’uso della penicillina per il trattamento dei soldati feriti. All’epoca, si scoprì che l’uso dei batteri all’interno di processi microbiologici risultava essere più vantaggioso rispetto ai tradizionali processi di sintesi chimica. Le sintesi chimiche, infatti, generano una serie di sottoprodotti, alcuni dei quali in proporzioni ben maggiori rispetto a quelle della stessa sostanza desiderata.

Al contrario, le sintesi biologiche producono volumi nettamente superiori della sostanza target. Inoltre, questo tipo di sintesi offre spesso metodi più semplici di separazione. Senza contare che i batteri, al pari delle cellule umane o animali, sono in grado di sintetizzare sostanze specifiche difficili o perfino impossibili da ottenere con i processi di sintesi chimica tradizionali.

Negli ultimi 20 anni, l’applicazione di processi di isolamento dei ceppi batterici e altri metodi genetici ci hanno permesso di produrre, isolare e moltiplicare ceppi in grado di fare esattamente ciò per cui sono stati sviluppati: sintetizzare sostanze target in maniera specifica, selettiva ed efficiente. Nella maggior parte dei casi, queste sintesi avvengono all’interno dei cosiddetti bioreattori.

Applicazioni dei bioreattori

I bioreattori sono disponibili in forme e dimensioni diverse, ideali per una vasta gamma di applicazioni. Dai reattori più piccoli dotati di una capacità di alcuni millilitri ai grandi bioreattori da 100 m³. In linea di massima, si può ipotizzare un flusso di ossigeno pari a 0,1-0,15 volte il volume di lavoro al minuto per le colture cellulari e a 2 volte per quelle batteriche.

Industria alimentare e delle bevande

I bioreattori sono utilizzati nella produzione di cibi e bevande per fini di fermentazione, per l’aggiunta di vitamine, coloranti, aromi, alcol o antiossidanti.

Prendiamo, ad esempio, lo yogurt. Si tratta di un prodotto derivato dalla fermentazione del latte all’interno di bioreattori. Le colture dello yogurt sono i batteri dell’acido lattico. O la birra… per i processi di fermentazione sono utilizzate delle cellule di lievito che permettono di convertire gli zuccheri in alcol. O, ancora, il formaggio. Originariamente, il formaggio viene prodotto aggiungendo al latte del caglio naturale, ovvero un enzima prodotto da una pianta o da un animale. Al giorno d’oggi, il caglio per il formaggio viene prodotto da cellule di lievito sottoposte a proliferazione all’interno di un bioreattore. Questi sono tutti esempi di applicazioni dei bioreattori.

I microorganismi sono utilizzati già da molto tempo nella produzione di alimenti, ma quali sono i motivi dell’enorme aumento di popolarità delle biotecnologie a partire dalla seconda metà del XX secolo?

Sviluppo e produzione di farmaci

Le biotecnologie hanno assunto un ruolo sempre più importante nello sviluppo e nella produzione di farmaci e nella moltiplicazione delle cellule staminali. Entrambi sono utilizzati nei trattamenti medicali. Time to market, riduzione dei costi e buona qualità dei prodotti sono elementi fondamentali nella progettazione e nella produzione di ingredienti attivi a scopo farmaceutico. Pertanto, l’affidabilità dei bioreattori e la possibilità di estendere il processo da bioreattori di piccole a quelli di grandi dimensioni sono fattori chiave.