Fermentazione

Per fermentazione si intendono i processi di trasformazione biochimica in cui microrganismi o enzimi degradano substrati organici formando prodotti metabolici quali acidi, alcoli, gas o sostanze aromatiche. La fermentazione viene utilizzata nell'industria alimentare, farmaceutica e biotecnologica per conservare e raffinare i prodotti o per produrre sostanze attive e aromatiche in modo mirato. Processi tipici di fermentazione sono la produzione di yogurt, crauti, birra, vino, aceto, enzimi o principi attivi farmaceutici.

Dal punto di vista chimico, i microrganismi trasformano substrati ricchi di energia (ad es. zuccheri) in condizioni prevalentemente anaerobiche o microaerobiche. Una reazione di fermentazione fortemente semplificata (fermentazione lattica) può essere rappresentata, ad esempio, come segue:

C₆H₁₂O₆ → 2 · C₃H₆O₃

Il glucosio viene convertito in acido lattico, rendendo disponibile energia sotto forma di ATP nel microrganismo. Nella fermentazione alcolica, una formula molecolare comune è:

C₆H₁₂O₆ → 2 · C₂H₅OH + 2 · CO₂

Qui il glucosio viene trasformato in etanolo e anidride carbonica.

Dal punto di vista tecnico, la fermentazione avviene solitamente in bioreattori o serbatoi di fermentazione. Le variabili di processo importanti sono la temperatura, il valore del pH, l'apporto di ossigeno (aerato o non aerato o poco aerato), l'intensità di agitazione, la composizione dei nutrienti e la durata. La cinetica della crescita dei microrganismi viene spesso descritta con la seguente relazione semplificata:

μ = (1/X) · (dX/dt)

• μ: tasso di crescita specifico
• X: Concentrazione di biomassa
• t: Tempo Tempo

La formazione del prodotto può essere considerata con approcci di bilancio simili, ad esempio:

r_P = (dP/dt)

• r_P: tasso di formazione del prodotto
• P: Concentrazione del prodotto

Nei miscelatori e nei serbatoi di processo, per i processi di fermentazione è fondamentale una distribuzione omogenea dei microrganismi, del substrato e, se necessario, dei gas aggiunti. Un'agitazione efficace garantisce che la temperatura e il valore del pH rimangano uniformi, che i nutrienti siano ben distribuiti e che le condizioni di reazione siano il più possibile simili in tutti i punti del fermentatore. Ciò favorisce una qualità riproducibile del prodotto, un profilo aromatico definito e rese costanti.

A seconda dell'obiettivo del processo, la fermentazione può essere eseguita in modo discontinuo, fed-batch o continuo. Nella fermentazione discontinua, viene preparato un lotto che viene portato al grado di conversione desiderato. Nel processo fed-batch, l'alimentazione del substrato durante la fermentazione può essere controllata in modo mirato per evitare reazioni collaterali indesiderate (ad esempio a causa di concentrazioni troppo elevate di zucchero). Gli apparecchi Amixon® sono particolarmente adatti ai processi di fermentazione. Questo aspetto viene spiegato nel post del blog "Fermentazione nel reattore fermentatore amixon".