FERMENTAZIONE

FERMENTAZIONE (XV, p. 29; App. I, p. 582; II, 1, p. 913)

Se varî sono i processi biochimici dovuti ai microbî che vanno sotto questo nome tuttavia dal punto di vista industriale l'interesse si limita solo ad alcuni di essi. Va ricordato che i processi di produzione degli antibiotici non possono essere considerati delle f., come comunemente si dice, perché tutt'altro sono le basi biochimiche dell'elaborazione di questi prodotti da parte dei microbî.

L'industria delle f. aveva assunto il rango di grande industria per il forte sviluppo raggiunto, negli anni che precedettero la seconda guerra mondiale, dalle f. alcolica, aceton-butilica e citrica. Attualmente l'industria ha più limitate proporzioni, specie per il fatto che all'estero la maggior parte dell'alcole etilico, dell'acetone e dell'alcole butilico sono prodotti con processi chimici. In Italia esiste un impianto di sintesi dell'acetone e dell'alcole butilico.

Fermentazione alcolica. - È, come è noto, la degradazione anaerobica degli idrati di carbonio ad alcole etilico ed anidride carbonica, dovuta principalmente a taluni lieviti appartenenti al genere Saccharomyces. Materie prime industriali sono i melassi di bietole e di canna da zucchero, le patate e i cereali; di minore impiego i succhi estratti dalle bietole, dal sorgo zuccherino, dalle mele, dalle carrube, dai fichi, ecc. Si usano ancora gli idrolizzati di legno.

I succhi ricordati si estraggono dalle singole materie prime con sistemi di lisciviazione con acqua, che vanno sotto il nome di diffusione e di macerazione, o mediante spremitura (nel caso della canna). I melassi sono opportunamente diluiti essendo altrimenti infermentascibili. I succhi delle varie materie prime, al giusto tenore zuccherino (12-15%), sono poi addizionati di sali nutritivi in relazione alle esigenze dei lieviti; così completati, prendono il nome di mosti. Una parte aliquota di essi, circa il 2000, serve allo sviluppo, in seguito ad abbondante aereazione, del lievito richiesto per la messa in fermentazione del restante mosto. Il processo si svolge in grandi tini cilindrici per lo più in lamiera di ferro e dura in media 30 ore, variando con la materia prima e le condizioni ambientali. Da 100 kg di zuccheri si ottengono 60-62 l di alcole con una rendimento leggermente inferiore al teorico in quanto circa il 4% degli zuccheri presenti viene consumato per le esigenze nutritive delle cellule.

La preparazione dei mosti dai cereali e dalle patate è più complessa di quella dei mosti zuccherini, perché non solo occorre estrarre l'amido, per cottura della farina dei semi con acqua e in autoclavi a 130 ÷ 140 °C, ma occorre inoltre saccarificarlo essendo i lieviti incapaci di fermentare questo polisaccaride. La saccarificazione, nel così detto processo Amylo, avviene con l'intervento di muffe appartenenti al genere Rhizopus, ricche in amilasi, cioè dell'enzima che idrolizza l'amido in maltosio. Non appena la saccarificazione è avanzata, si semina il mosto con un lievito adatto. Da questo momento i due processi, saccarificazione e f., procedono di pari passo e in capo a 70-80 ore tutto l'amido è trasformato in alcole. Da 100 kg di mais si ottengono circa 38 litri di alcole.

Fermentazione glicerica. - Quando la f. alcolica decorre in presenza del 5% circa di solfito si trasforma in quella glicerica, dove la glicerina e l'aldeide acetica si sostituiscono per la maggior parte all'alcole. È stato un processo di interesse bellico.

Fermentazioni omolattiche ed eterolattiche.- Taluni schizomiceti del genere Lactobacillus, come ad es. il Lact. delbrückii, trasformano gli idrati di carbonio per circa il 92% in acido lattico (f. omolattica), altri invece producono minori quantità di acido lattico aggiungendo acido acetico, alcole, glicerina e anidride carbonica in rapporti variabili con le condizioni ambientali (f. eterolattiche). Materie prime di questi processi sono quelle elencate per la f. alcolica, alle quali si aggiunge il siero di latte per il suo contenuto in lattosio. Contrariamente a quello che avviene per la f. alcolica, che decorre dal principio alla fine senza alcun intervento esterno, le f. lattiche vanno invece accuratamente seguite per il fatto che l'acido lattico che si forma rallenta, e poi blocca, l'attività dei fermenti lattici. Occorre cioè neutralizzare continuamente l'acido lattico con carbonato di calcio o con latte di calce in modo da mantenere nel mosto quel giusto grado di acidità (pH) che non danneggi l'attività dei fermenti. Le f. lattiche dei mosti al 10% di zuccheri si prolungano per 6-10 giorni e avvengono a temperature fra 37÷50 o°C, a seconda della natura del lattobacillo usato.

Fermentazione propionica: v. fermentazione in App. II, 1, p. 914.

Fermentazione butirrica: v. fermentazione in App. II, 1, p. 914.

Fermentazione acetonbutilica. - È dovuta a taluni schizomiceti del genere Clostridium, e particolarmente al Clostridium acetobutylicum. Prodotti principali sono l'acetone, l'alcole butilico, l'idrogeno e l'anidride carbonica. Si formano ancora quantità minori di alcole etilico. Le materie prime industriali sono il mais e le patate. I melassi di bietola e canna hanno minore applicazione, non essendo favorevoli all'attività di questi microbî.

I mosti dei cereali si preparano stemperando la farina degli stessi in acqua e cuocendo sotto pressione a 120÷140 °C. Non occorre poi una preventiva saccarificazione dell'amido, come nel caso della fermentazione alcolica, avendo i clostridî un forte potere saccarificante, dovuto all'amilasi da essi prodotta. I mosti, dopo la cottura, passano in grandi tini di oltre 1000 hl di capacità, dove sono raffreddati a 37 °C e seminati con la cultura di un ceppo di Cl. acetobutylicum.

La preparazione della cultura richiede particolari cure perché questi microbî degenerano rapidamente, oltre un certo numero di generazioni, dalle forme vegetative. La cultura si avvia perciò dalle forme sporali, molto resistenti alla temperatura e conservabili a lungo, e s'ingrandisce su mosto di cereali, in speciali autoclavi di acciaio inossidabile che garantiscono che tutto si svolga sterilmente, in modo da evitare ogni infezione da forme microbiche estranee. La cultura poi si passa nel grande tino per la messa in fermentazione di tutto il mosto. In capo a 48-60 ore il processo è finito. Da 100 kg di mais si ottengono circa 15,5 kg di alcole butilico, 7,5 kg di acetone e 2,5 kg di prodotti secondarî.

Fermentazione isopropil-butilica. - Ha le stesse caratteristiche biochimiche della precedente distinguendosi per il fatto che l'acetone è sostituito dall'alcole isopropilico. Gli agenti della fermentazione sono taluni ceppi sempre del genere Clostridium.

Fermentazione etil-acetonica. - Oltre quanto detto a fermentazione in App. II, 1, p. 914, si può aggiungere che questo processo non ha acquistato alcun interesse tecnico.

Fermentazione metanica. - È la trasformazione delle sostanze organiche complesse, e specialmente della cellulosa, in metano, idrogeno e anidride carbonica. È dovuta ai metanobatterî e possono essere materie prime i rifiuti cittadini di ogni genere, i rifiuti dei mercati ortofrutticoli e dei macelli, le acque luride di fogna, le acque di rifiuto di molte industrie, specialmente alimentari, ecc. La f. non ha avuto, salvo qualche eccezione, sviluppo tecnico per la sua lentezza, per gli ingombranti impianti che richiede e per talune difficoltà nella sua condotta.

Fermentazione acetica. - È l'ossidazione per via biologica dell'alcole etilico in acido acetico dovuta ai microbî appartenenti al genere Acetobacter. Materie prime principali sono il vino, la birra o comunque liquidi alcolici, e l'alcole stesso in soluzioni saline convenienti all'attività degli acetobatterî. Dai vini, dalla birra, ecc. si ottengono gli aceti per uso alimentare, mentre l'alcole serviva alla produzione industriale dell'acido acetico. Ora questo acido si produce più economicamente per sintesi o per distillazione del legno. La f. acetica, avviene in ambiente aereato, a 30 °C, essendo gli acetobatterî microbî strettamente aerobici ed è caratterizzata dalla formazione di un velo più o meno spesso di cellule alla superficie del vino, della birra, ecc. In grande si realizza in tini di particolare costruzione a seconda del sistema usato: francese, lussemburghese, tedesco.

Fermentazione citrica. - È la trasformazione aerobica degli zuccheri in acido citrico dovuta principalmente a taluni ceppi di Aspergillus niger. Le materie prime sono piuttosto limitate (saccarosio e melassi di bietole) perché ad esse si richiede un particolare equilibrio negli elementi nutritivi, senza il quale le muffe tendono ad ossidare completamente il saccarosio o a deviare il processo verso la formazione di acido gluconico o di acido ossalico. La f. citrica rappresenta, dal doppio punto di vista teorico e pratico, uno dei più delicati processi biologici per le frequenti degenerazioni cui va soggetta la muffa e per l'instabilità dei suoi caratteri biochimici estremamente sensibili alle condizioni ambientali.

La f. ha un largo sviluppo tecnico. Nel processo in superficie si realizza in bacinelle di alluminio puro, dentro le quali si trova il melasso diluito al 10-12% di saccarosio (o il saccarosio in soluzione nutritiva) in uno strato di pochi cm, sul quale si seminano le spore della muffa. La muffa si sviluppa formando un micelio più o meno spesso e in capo a 8-12 giorni il processo è finito. Da 100 g di saccarosio del melasso si ottengono circa 60 g di acido citrico e circa 70 g dal saccarosio commerciale. Per produrre 1000 kg/giorno di acido citrico occorre una superficie in bacinelle di circa 3.500 m².

Questo notevole costoso numero di bacinelle, che richiede particolari fabbricati per la loro sistemazione e complesse manipolazioni per il loro governo, ha indotto gli studiosi a cercare di sviluppare gli Aspergilli in immersione, con promettenti risultati pratici. Lo sviluppo in immersione si realizza entro particolari cilindri o tamburi sotto pressione d'aria e con gorgogliamento della stessa nel liquido, nel quale la muffa si sviluppa in aggregati cellulari sommersi. Questo processo avrebbe il vantaggio di raccogliere in un minore spazio forti volumi di culture riducendo i costi di impianto e di produzione.

Fermentazioni varie. - Un limitato interesse pratico ha la fermentazione gluconica (v. fermentazione, App. II, 1, p. 914). Noti sono ancora i processi di trasformazione degli zuccheri negli acidi ossalico e itaconico a mezzo degli aspergilli oppure negli acidi fumarico e lattico con i Rhizopus. Fra le f. schizomicetiche da ricordare la degradazione della cellulosa in alcole e acidi grassi e la produzione di 2,3-butilenglicole a mezzo degli Aerobacter.

J. W: Foster, Chemical activities of Fungi, New York 1949; S. C. Prescott e C. G. Dunn, Industrial microbiology, New York 1949; V. Bolcato, La chimica delle fermentazioni, Bologna 1952; L. A. Underkofler e R. J. Hickey, Industrial fermentations, New York 1954.