In qualsiasi processo di fermentazione, il successo non dipende solo dal bioreattore o dal ceppo utilizzato. Esiste un terzo elemento, spesso sottovalutato, che fa la differenza tra un bioprocesso efficiente e uno limitato: il terreno di coltura.
Il mezzo di coltura è l’ambiente nutrizionale che consente ai microrganismi di crescere, svilupparsi e generare il prodotto desiderato durante la fermentazione. Comprendere la sua composizione e selezione è essenziale per migliorare le prestazioni, ridurre i costi e garantire la riproducibilità del processo.
Perché il terreno di coltura è così importante?
Affinché un microrganismo possa crescere ed esprimere il suo massimo potenziale metabolico, necessita di un insieme equilibrato di nutrienti. Il ceppo, le condizioni di fermentazione (pH, temperatura, ossigeno, agitazione) e il terreno di coltura formano una triade inscindibile che determina l’efficienza del bioprocesso.
Un mezzo nutrizionalmente appropriato è quello in grado di soddisfare il fabbisogno energetico e strutturale del microrganismo, favorendo la crescita e la produzione del metabolita o della proteina target.
Componenti essenziali di un terreno di coltura:
1. Macronutrienti (g/L)
Sono alla base della crescita microbica e devono essere presenti in quantità adeguate:
- Fonti di carbonio: glucosio, fruttosio, saccarosio, amido… fondamentali come fonte energetica.
- Fonti di azoto: sali di ammonio, peptoni o estratti proteici, essenziali per proteine e acidi nucleici.
- Fosforo, zolfo, magnesio e potassio, indispensabili per le funzioni strutturali ed enzimatiche.
2. Micronutrienti (µg–mg/L)
Includono minerali quali:
- Ferro
- Manganese
- Molibdeno
- Calcio
Sebbene richiesti in piccole quantità, sono fondamentali per molti percorsi metabolici.
3. Fattori di crescita
Vitamine, aminoacidi e acidi grassi che stimolano la crescita o consentono il completo sviluppo del microrganismo.
TIPI di terreni di coltura e come scegliere quello giusto
I terreni di coltura possono essere classificati come naturali o artificiali (sintetici):
➡️ Mezzi commerciali progettati
Sono specifici per determinati gruppi microbici e offrono composizioni standardizzate e riproducibili. Sono ideali quando sono richieste stabilità e controllo.
➡️ Mezzi progettati su misura
A partire dalle singole materie prime è possibile formulare un prodotto personalizzato, che consente di:
- Adattare la composizione nutrizionale al ceppo o al processo
- Ridurre i costi
- Aumentare la produttività
- Controllare la qualità degli ingredienti
➡️ Mezzi naturali e sottoprodotti agroalimentari
Sempre più utilizzati grazie alla tendenza verso l’economia circolare. Molti sottoprodotti presentano un profilo nutrizionale molto interessante, consentendo fermentazioni sostenibili e a basso costo.
Un caso attuale è la fermentazione solida sui rifiuti organici, una pratica che promuove il riciclaggio dei materiali e riduce l’impatto ambientale.
Sterilizzazione e controllo microbiologico dell’ambiente
Indipendentemente dal mezzo selezionato, è fondamentale garantire che sia privo di contaminanti microbici. In caso contrario, il microrganismo bersaglio entrerebbe in competizione con altri organismi indesiderati, compromettendo il rendimento e la riproducibilità.
Metodi di sterilizzazione comuni:
- Sterilizzazione in situ (SIP) in bioreattori industriali.
- Sterilizzazione ex situ per piccoli volumi.
- Pastorizzazione.
- Uso di agenti chimici, a seconda del processo e del tipo di mezzo.
Volume di mezzo necessario: batch, fed-batch o continuo?
Quando si pianifica un bioprocesso è importante calcolare correttamente il volume del mezzo di coltura. Ciò dipende direttamente dal tipo di fermentazione:
🔹 Batch
L’intero mezzo viene caricato all’inizio del processo.
🔹 Fed-batch
Il mezzo viene aggiunto in modo controllato durante la fermentazione, consentendo di migliorare la resa e prolungare la fase di produzione.
🔹 Continuo
Il mezzo di coltura viene aggiunto costantemente mentre il prodotto viene rimosso. Richiede un calcolo preciso per mantenere l’equilibrio del sistema.
Ogni modalità comporta esigenze diverse in termini di quantità, concentrazione e strategia nutrizionale.
Conclusione: il mezzo di coltura è il cuore del bioprocesso
Selezionare e formulare correttamente il mezzo di coltura consente di:
- Aumentare la produttività
- Ridurre i costi
- Migliorare la riproducibilità
- Accelerare la fermentazione
- Promuovere processi più sostenibili ed efficienti
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