Ottimizzare la fermentazione con ossigeno, CO₂ argon e azoto

Cos'è la fermentazione di precisione?

Definizione di fermentazione di precisione

La fermentazione di precisione rappresenta un salto tecnologico fondamentale nella produzione di ingredienti alimentari e farmaceutici. Questa tecnica trasforma microrganismi ospiti (lieviti, funghi o batteri) in vere e proprie "micro-fabbriche cellulari" capaci di sintetizzare molecole organiche specifiche con un grado di purezza ineguagliabile.

A differenza della fermentazione tradizionale (quella di formaggi o yogurt) che trasforma una materia prima complessa, o della fermentazione di biomassa che punta sulla crescita del microrganismo stesso, la fermentazione di precisione si focalizza sulla biosintesi di precisione di composti target. Che si tratti di proteine funzionali (caseina, siero), enzimi, grassi o aromi, queste molecole sono bio-identiche a quelle di origine animale o vegetale, ma vengono prodotte eliminando le criticità etiche e ambientali dei sistemi di allevamento intensivo.

Principi della fermentazione di precisione

L'obiettivo centrale del metodo è la programmazione genetica: inserendo una sequenza di DNA specifica — il 'progetto molecolare' — nel genoma del microrganismo ospite, potrai ottenere la sintesi precisa della molecola desiderata.

Una volta programmato, l'ospite viene coltivato in un ambiente protetto e alimentato con fonti di carbonio (zuccheri). Il microrganismo "legge" il codice genetico per assemblare la proteina o il composto desiderato. Questa tecnologia ti offre una flessibilità totale: puoi produrre proteine del latte senza lattosio o collagene "vegan" inserendo i geni corrispondenti in ceppi di lievito selezionati. In condizioni ottimali, i microrganismi lavorano con una fedeltà assoluta, garantendo ingredienti con prestazioni (gusto, texture, stabilità) sovrapponibili a quelli convenzionali, ma con standard di sicurezza alimentare superiori grazie all'assenza di patogeni zoonotici.

Le fasi del processo di produzione

L’industrializzazione della fermentazione di precisione si articola in tre segmenti tecnici distinti:

• Fase di Upstream: comprende la selezione del target e l'ottimizzazione del ceppo produttivo tramite ingegneria metabolica. Qui definisci anche la composizione del feedstock (terreno di coltura), assicurandoti che sia nutriente e scalabile.
• Fermentazione (Bioprocessamento centrale): la biomassa viene moltiplicata all'interno di bioreattori sotto stretto controllo atmosferico. In questa fase, la gestione dei gas diventa l’asset critico: devi ottimizzare il trasferimento di massa per garantire la massima dissoluzione gassosa nel brodo di coltura. L’apporto bilanciato di ossigeno sostiene la crescita, mentre il monitoraggio costante di pH e temperatura permette alle cellule di secernere la molecola target al massimo della resa. Potrai ottimizzare queste variabili utilizzando sistemi di iniezione gas di alta precisione.
• Fase di Downstream (DSP): al termine della fermentazione, si passa al recupero e alla purificazione (Downstream Processing). Questa fase isola l'ingrediente target dal resto della biomassa e dal brodo esausto. Il risultato finale è un ingrediente puro, solitamente in polvere, pronto per il formulation design di nuovi alimenti, come analoghi caseari, gelati o integratori nutraceutici di nuova generazione.

Applicazioni nel settore alimentare

La fermentazione di precisione sta rivoluzionando numerosi settori offrendo soluzioni innovative per la produzione di proteine e altri ingredienti:

• Proteine alternative: La caseina può essere prodotta senza l'utilizzo di animali. Questo permette di creare prodotti lattiero-caseari alternativi, come formaggi e yogurt, con caratteristiche identiche a quelli di origine animale.
• Ingredienti funzionali: Grazie all'uso di microrganismi modificati, è possibile produrre enzimi, vitamine e altre molecole di interesse, come le proteine dell'uovo senza bisogno di galline, offrendo soluzioni alternative per l'industria dei prodotti da forno e dei derivati e sostituti della carne.
• Migliori sapori e consistenze: La fermentazione di precisione può anche migliorare il gusto e la consistenza degli alimenti creando specifici ingredienti che non sarebbe possibile produrre in modo naturale. 

Vantaggi della fermentazione di precisione

La fermentazione di precisione offre diversi vantaggi significativi rispetto ai metodi di produzione alimentare tradizionali:

• Efficienza e Sostenibilità: Producendo direttamente le molecole di interesse, la fermentazione di precisione riduce considerevolmente il fabbisogno di risorse e l'impatto ambientale delle emissioni legate all'agricoltura e all'allevamento intensivo.
• Qualità e Consistenza: I processi di fermentazione di precisione consentono di produrre in condizioni strettamente controllate, garantendo una qualità costante del prodotto finale. In questo modo, le variazioni naturali che si verificano negli allevamenti e nell'agricoltura, vengono eliminate.
• Flessibilità e Innovazione: Questa tecnologia offre una grande flessibilità, consentendo la produzione di nuove molecole che prima non erano disponibili. Ciò consente una continua innovazione nello sviluppo di prodotti alimentari, soddisfacendo le mutevoli esigenze del mercato e dei consumatori.

Ruolo essenziale dei gas nella fermentazione di precisione

Nella fermentazione di precisione, il controllo delle condizioni ambientali è essenziale per garantire una produzione ottimale e stabile degli ingredienti alimentari. Gas quali l'ossigeno, il diossido di carbonio, l’argon e l'azoto svolgono un ruolo essenziale in tale processo. Creano le condizioni ideali per la crescita dei microrganismi e lo sviluppo delle molecole di interesse. 

• Ossigeno: vitale per la respirazione cellulare 
  L'ossigeno (O₂) è fondamentale per la respirazione aerobica dei microrganismi utilizzati nella fermentazione di precisione. La concentrazione di ossigeno disciolto deve essere controllata con precisione per mantenere un ambiente ottimale per la crescita cellulare degli organismi e l'attività metabolica.
• Diossido di carbonio: regolatore chiave del pH e dell'ambiente
  Il diossido di carbonio (CO₂) è un acido debole molto facile da dosare e sicuro da maneggiare per regolare il pH nei bioreattori. Garantisce quindi un ambiente ideale per la crescita e la produzione delle molecole di interesse.
• Azoto e argon: protezione e stabilizzazione dell'ambiente
  L'azoto (N₂) e l’argon vengono principalmente usati per creare un'atmosfera inerte, riducendo al minimo le reazioni indesiderate e stabilizzando l'ambiente di fermentazione. Proteggono così i microrganismi e i prodotti dai danni dell'ossidazione.

Implementazione dei Gas: per gestire in modo efficace l'uso di questi gas nei processi di fermentazione, sono necessarie specifiche apparecchiature. Consulta il nostro catalogo di attrezzature o contatta il nostro personale specializzato per scegliere correttamente i sistemi di diffusione, di degassificazione o di controllo della pressione.

Grazie alla fermentazione di precisione, le industrie alimentari e del good food usufruiscono di un'innovazione tecnologica che consente di produrre ingredienti di alta qualità e di rispondere alle crescenti necessità in materia di sostenibilità e impronta ecologica. Tuttavia, la produzione su larga scala affronta molte sfide ed è ancora ostacolata dalle normative vigenti in molti paesi, dall'accettazione da parte dei consumatori e dai costi produttivi più elevati.
Il nostro personale esperto nel settore agroalimentare, e i ricercatori/le ricercatrici dei nostri Campus Innovation sono pronti/e a fornirti supporto e a lavorare insieme a te per superare questi ostacoli.