Utilizarea microorganismelor in biotehnologie (bioindustrie)

Utilizarea microorganismelor in biotehnologie (bioindustrie)

Domeniul microbiologiei industriale cuprinde ansamblul proceselor de biosinteza sau de bioconversie, realizate de microorganismele de importanta economica.

Prin bioindustrie sau biotehnologie se intelege exploatarea industriala a potentialitatii productive a microorganismelor, a celulelor vegetale sau animale sau a fractiilor subcelulare derivate, cu scopul de a obtine produse utile, cu valoare economica ridicata. Termenul este format din doua cuvinte: bios si tehnos si semnifica tehnologia unui proces de productie cu celule vii.

Stiinta Microbiologiei industriale este noua, deoarece a urmat progresului Microbiologiei generale, Biochimiei si Tehnologiei corespunzatoare, chiar daca microorganismele se folosesc din antichitate pentru    conservarea alimentelor vegetale, pentru producerea vinului, a laptelui fermentat si a branzeturilor. Inainte de tehnologia industriala a racirii, produsele alimentare erau conservate prin acidifiere (fermentatie lactica sau acetica), prin fermentatie alcoolica, desicare sau cresterea presiunii osmotice prin adaugarea zaharului.

In anul 1923, Pfizer in SUA, a inceput producerea bioindustriala a acidului citric, iar de atunci microorganismele sunt folosite pentru producerea industriala a acidului lactic, acetic, gluconic si a unor solventi (butanol). Cea mai spectaculoasa dezvoltare a microbiologiei industriale s-a produs odata cu descoperirea antibioticelor, penicilina fiind prima produsa pe scara industriala in 1943.

Utilizarea microorganismelor in scop bioindustrial (sau biotehnologic) este cunoscuta sub diferite denumiri: biotehnologia microorganismelor, ingineria microorganismelor sau ingineria biochimica.   

Biotehnologia se deosebeste de stiinta, prin obiectul preocuparilor sale, care este tehnica biologica, dar este stiintifica prin metoda de lucru.

Biotehnologia si bioindustria sunt termeni cu sens echivalent. Din punct de vedere practic, biotehnologia (bioindustria) nu reprezinta un domeniu nou. Ea a intrat de mult in sfera fortelor de productie a societatii. Toate tehnologiile fermentative alimentare (producerea vinului, a painii, a berii, a derivatelor lactate), precum si cele de biosinteza a aminoacizilor, a acizilor organici, a enzimelor si antibioticelor sunt biotehnologii clasice. Sunt excluse din sfera biotehnologiei, tehnologiile medicale (cu exceptia celor de obtinere a vaccinurilor si a produselor biologice de diagnostic), tehnologiile agricole conventionale si cele de ameliorare a plantelor si animalelor. Sectorul cel mai dinamic al biotehnologiei este acela care utilizeaza microorganismele. El a furnizat si bazele teoretice de modificare a zestrei genetice a organismelor.

Cultivarea microorganismelor in scop industrial se face in instalatii speciale, denumite bioreactoare.

Bioreactoarele sunt recipiente in care un substrat material este transformat de un catalizator biologic (enzime sau microorganisme). Bioreactoarele cele mai raspandite folosesc microorganismele sub forma libera sau imobilizata. O alta denumire a bioreactorului este aceea de fermentor.

Dimensiunile bioreactorului depind de procesul de biosinteza si de modul de operare. Procesele de biosinteza in culturi discontinui necesita fermentoare mai mari decat cele care sunt operate in regim continuu sau discontinuu. Trebuie sa se poata steriliza si sa ofere posibilitatea operatiilor aseptice.

Fermentoarele industriale sunt de doua tipuri: pentru procese aerobe sau anaerobe.

Fermentoarele anaerobe necesita putin echipament special, cu exceptia celui pentru indepartarea caldurii generate in timpul fermentatiei.

Un fermentor aerob este un recipient prevazut cu mecanisme de agitare, de aerare, incalzire si control al temperaturii, de masurare a pH, a O₂ dizolvat, a potentialului redox. Conditiile de cultivare sunt reglate automat, operatiile fiind asistate de un computer, care colecteaza si insumeaza datele primite de la diferiti senzori.

Aerarea este produsa prin pomparea aerului in fermentor, iar agitarea realizeaza o distributie uniforma a nutrientilor in mediu. Un fermentor industrial are capacitatea cuprinsa intre 10 000 - 500 000 litri.   

Fazele cultivarii unui microorganism industrial

Intr-o cultura stationara a unui microorganism industrial, in general, se succed doua faze:

a) Faza de crestere a culturii, denumita trofofaza, corespunzatoare perioadei de multiplicare rapida si de acumulare a masei celulare.

b) Faza de productie sau faza metabolismului secundar, denumita idiofaza, corespunzatoare incetinirii ritmului de crestere, desi celulele raman active metabolic.

Microorganismele de importanta industriala produc se folosesc pentru obtinerea unor     de metabolism si produsi de bioconversie.

Produsii de metabolism pot fi:

a) Produsi ai metabolismului energetic, rezultati in procesele fermentative (alcoolica, lactica, butirica, acetono-butilica, propionica, 2,3-butan-diolica). Alcoolul etilic se formeaza in faza primara.

b) Metaboliti primari: aminoacizi, vitamine, enzime(amilaze, celelulaze, proteaze), nucleotide, acizi organici. Sunt molecule mici, esentiale pentru celula si se sintetizeaza preponderent in timpul fazei de crestere primara (trofofaza). Unii metaboliti primari (acidul glutamic, vitamina B₁₂, acidul citric) se sintetizeaza in idiofaza.

c) Metaboliti secundari: antibiotice, alcaloizi (ergotina), stimulatori ai cresterii plantelor (gibereline). Apartenenta la grupul metabolitilor primari sau secundari nu se coreleaza strict cu faza in care ei sunt sintetizati, ci cu rolul lor in viata celulei.

Metabolitii secundari sunt substante neesentiale pentru viata celulei si se sintetizeaza la sfarsitul fazei de crestere primara, sau chiar in faza stationara a culturii, denumita idiofaza, cand o sursa nutritiva s-a epuizat si cresterea echilibrata nu mai este posibila. Sinteza metabolitilor secundari este expresia proceselor de diferentiere biochimica.

Cei mai importanti, din punct vedere industrial, sunt metabolitii secundari.

In conditiile cultivarii continui (in chemostat sau in turbidostat), cele doua faze nu sunt separabile, ci coexista.

Metabolitii secundari au urmatoarele caracteristici:

- au un grad relativ mare de specificitate (adica fiecare metabolit este sintetizat de un numar mic de tulpini de microorganisme);

- nu sunt esentiali pentru cresterea celulelor

- sinteza lor este dependenta de compozitia mediului

- sunt produsi ca un grup de compusi inruditi, cu mici variatii biochimice.

Daca un proces biotehnologic urmareste obtinerea unui metabolit primar, faza de crestere logaritmica va fi extinsa cat mai mult cu putinta. Pentru obtinerea metabolitilor secundari, fazele de lag si de crestere exponentiala, vor fi reduse ca durata, dar se va extinde faza stationara sau se va favoriza cresterea lenta pe toata durata procesului.

Cresterea celulelor si producerea metabo- In prima etapa se sintetizeaza

litilor primari sunt procese simultane. metabolitii primari, pe seama

carora celulele cresc. Metabolitii

secundari se sintetizeaza tardiv.

Cele mai raspandite biotehnologii sunt cele care exploateaza capacitatea microorganismelor

de a face biosinteze de mare interes practic.

Un microorganism industrial trebuie sa raspunda urmatoarelor criterii:

- sa creasca rapid pe un substrat ieftin, pe care sa-l transforme, producand cantitati maxime de produs final util si cantitati minime de produse secundare;

- sa tolereze concentratii mari de produs final, fara sa-l metabolizeze;

- sa realizeze transformarea metabolica a substratului in conditii cat mai economice, astfel incat produsul final sa nu necesite utilizarea metodelor de extractie complicate si costisitoare;

- microorganismele selectionate sau reprogramate genetic, sa-si pastreze in timp, proprietatile metabolice particulare, fara riscul variatiilor genetice.