Studio di un processo fermentativo con metodi classici e per via calorimetrica

The process of the alcoholic fermentation was reproduced at three different temperatures with a sugary solution inoculated with a culture pure of Saccharomyces cerevisiae. The evolution of the indices linked with the biomass growth (viable cell count, ATP and turbidity), the use of glucose and the ethanol production were described by means of both new and conventional analytical techniques. The data were compared with isothermal calorimetric tests, which are used to value and describe the total enthalpy. The evolution of indices was represented using appropriate mathematical models. The microbial growth was well delineated and parametrised with Gompertz function, while the indices describing the consumption of the substrate and the production of ethanol and CO2 were related using mathematical models of first order kinetics. The whole fermentation process can be divided into two parts: an aerobic part corresponding to cells growth and an anaerobic one corresponding to glucose utilization and to CO2 and ethanol production. Isothermal calorimetrical trials show traces corresponding to two different and distinct exothermic signal as a result of fermentation. These results point out that the temperature affects the fermentation rate and that the experimental yields of fermentation agree with the theoretical ones. The results obtained show the possibility of using calorimetric technique to study the growth of biomass and fermentation phenomena linked with it.

Il processo della fermentazione alcolica è stato riprodotto a tre diverse temperature su una soluzione zuccherina modello inoculata con una coltura pura di Saccharomyces cerevisiae. Mediante tecniche analitiche convenzionali è stata descritta l’evoluzione degli indici correlabili alla produzione di biomassa (conta cellule vitali, ATP, e torbidità), al consumo di glucosio ed alla trasformazione del substrato in etanolo. Tali osservazioni sono state correlate ai risultati di test calorimetrici condotti in isoterma, volti alla misurazione dell’entalpia globale del processo ed alla sua descrizione. L’evoluzione degli indici è stata interpretata mediante modelli matematici adeguati. La crescita microbica è stata correttamente descritta e parametrizzata mediante funzioni di tipo Gompertz, mentre gli indici descriventi il consumo del substrato e l’accumulo dei prodotti di fermentazione sono stati interpretati attraverso modelli matematici di cinetiche di primo ordine. L’intero processo fermentativo può pertanto essere scomposto in due fasi: una di sviluppo della biomassa (in condizioni di aerobiosi) ed una di consumo del substrato e produzione di CO2 ed etanolo (in condizioni di prevalente anaerobiosi). Le prove calorimetriche con dotte in isoterma hanno fornito tracciati nei quali si evidenziano due distinti tracciati esotermici che avvengono nel corso del processo fermentativo. Dall’analisi dei dati ottenuti, risulta evidente l’influenza che la temperatura esercita sulla velocità dell’intero processo fermentativo e come le rese di fermentazione calcolate siano in buon accordo con quelle teoriche previste. I risultati ottenuti attestano pertanto la reale possibilità di applicare la tecnica calorimetrica nello studio della biomassa e dei concomitanti fenomeni fermentativi.