I microorganismi, sia Procarioti (batteri) che Eucarioti
(funghi e lieviti, ad esempio) sono sfruttati dall’uomo per produrre composti
di interesse industriale. I processi produttivi che prevedono l’uso di un
agente biologico sono in generale chiamati fermentazioni; le colture cellulari avvengono
all’interno di apparati fermentativi chiamati
bioreattori o fermentatori. É importante chiarire che in questo caso il termine “fermentazione” non si riferisce a quei processi metabolici di produzione dell’energia in condizioni anaerobie (come la fermentazione alcoolica, da cui si ricava l’etanolo), ma ad un qualunque
processo produttivo in cui sono coinvolti agenti biologici.
Esistono tre tipi principali di colture cellulari, a seconda delle modalità con cui viene fornito il nutrimento alle cellule: colture in batch, in continuo, in fed-batch.
La coltura in batch è un sistema chiuso, in quanto all’inizio della coltura vengono forniti tutti i nutrienti necessari alla crescita cellulare (detti nel loro complesso terreno di coltura) senza aggiunte successive. La cinetica di crescita è caratterizzata da quattro fasi:
–
fase di latenza, durante la quale le cellule si adattano al terreno, perciò non si ha un incremento della biomassa (massa complessiva delle cellule);
–
fase di crescita esponenziale, nella quale le cellule si dividono molto rapidamente, secondo appunto un andamento esponenziale del tipo y= 2x, dove y è il numero di cellule e x il numero di generazioni;
–
fase stazionaria, durante la quale la crescita rallenta man mano che i nutrienti scarseggiano, fino ad arrestarsi;
–
fase di letalità, nella quale la scarsità di nutrienti è tale da causare la diminuzione della biomassa, poichè muoiono più cellule di quelle che si generano, determinando la fine della coltura.
Complessivamente, la coltura in batch è un sistema
vantaggioso per ottenere rapidamente un’alta quantità di biomassa, tanto che
spesso è usata come pre-coltura per altri processi fermentativi; d’altro canto, non può essere applicata per tempi medio-lunghi.
La coltura in continuo è invece un sistema aperto, in cui nuovo terreno di coltura è immesso costantemente, mentre quello che si è esaurito è eliminato, generalmente attraverso due pompe. Prevede tre fasi: la prima è una fase in batch, con entrambe le pompe non funzionanti, necessaria per raggiungere un’adeguata biomassa. Al termine della crescita esponenziale,
comincia la fase di start-up, in cui le cellule vengono alimentate e si assiste ad un ulteriore aumento della biomassa. L’ultima è invece la fase stazionaria, nella quale la biomassa resta costante e i flussi in entrata e in uscita non
cambiano.
I vantaggi delle colture in continuo sono lo stato
fisiologico della biomassa uniforme, la produzione di biomassa costante nel
tempo, l’assenza di tempi morti, la possibilità di controllare il processo fermentativo regolando i flussi (se si vuole terminare la coltura, è sufficiente aumentare
il flusso in uscita più di quello in entrata; il contrario se si vuole
accumulare il terreno di coltura). Lo
svantaggio principale è la delicatezza del sistema, visto che la
media-lunga durata del processo può portare a contaminazione, così come le
numerose e ripetute divisioni cellulari possono portare all’accumulo di mutazioni nelle cellule, fattore non irrilevante trattandosi di organismi selezionati.
Infine, esiste la coltura in fed-batch. Si tratta di un sistema semi-aperto, in quanto è aperto solo in entrata, ma non in uscita, perciò è anche detto a volume variabile. Anch’esso è diviso in più fasi:
inizialmente si ha una fase in batch, poi, una volta raggiunta adeguata
biomassa, inizia il processo fed-batch. La biomassa aumenta in proporzione ai nutrienti forniti, fino a che non sono altri fattori a causare un rallentamento della crescita, come ad esempio la scarsità di ossigeno; a questo punto è conveniente rallentare il flusso di nutriente fino ad arrestare il sistema. La coltura in fed-batch, sebbene di breve durata (alcune decine di ore), previene problemi di inibizione da prodotti del metabolismo cellulare tossici e l’accumulo di mutazioni, oltre a diminuire la possibilità di contaminazione;
inoltre, consente di recuperare la biomassa per iniziare un nuovo processo.
La scelta del tipo di coltura dipende da vari fattori. Uno su tutti è la fase del metabolismo in cui è prodotto il composto d’interesse. Se la sua produzione segue le fasi di crescita cellulare, cioè rientra in quello che è definito metabolismo primario, la maggior parte sarà ottenuta nella fase di crescita esponenziale, detta trofofase.
Diversamente, la biosintesi del prodotto può iniziare quando è terminata la crescita esponenziale, cioè questa sostanza fa parte del
metabolismo secondario, pertanto la produzione maggiore si ha nella
fase stazionaria o idiofase.