CO2 da Lieviti - Teoria e Soluzioni

Scritto da BoFe il . Postato in Chimica dell'acquario

CO2 da lieviti - La fermentazione

Nel XIX secolo, la produzione di gas dai lieviti era stata descritta da Justus von Liebig.
Sì... lui... proprio lo stesso Liebig della Legge del Minimo...

Justus von Liebig

...che tutti noi abbiamo imparato a conoscere nella fertilizzazione delle piante.
Ecco il suo scritto, prima in originale...


Mit Wasser zerteilte Bierhefe löst sich in unendlich kleine Kügelchen auf. Bringt man diese Kügelchen in Zuckerwasser, so entwickeln sich daraus kleine Tiere. Sie besitzen eine Art Saugrüssel, mit dem sie den Zucker aus der Auflösung verschlucken. Die Verdauung ist sogleich und auf das Bestimmteste an der erfolgenden Ausleerung von Exkrementen zu erkennen. Sie entleeren aus dem Darmkanal Weingeist und aus den Harnorganen Kohlensäure.

 

Lievito Liebig

 

So sieht man also aus dem Anus dieser Tiere unaufhörlich eine spezifisch leichtere Flüssigkeit in die Höhe steigen und aus ihren enorm großen Genitalien spritzt in sehr kurzen Zwischenräumen ein Strom von Kohlensäure.


...e poi tradotto in Italiano:

“Nell’acqua, il lievito di birra si scioglie in infinite piccole particelle, che se messe in soluzione zuccherata, possono generare dei piccoli animali.
Essi possiedono una specie di proboscide, con la quale inghiottono lo zucchero disciolto.
La digestione è immediatamente riconoscibile, con certezza, dalla successiva emissione di escrementi.
Essi espellono alcol dal tratto intestinale ed anidride carbonica dagli organi urinari.

Lievito Liebig

Dall’ano di questi animali, si vede salire in alto incessantemente un leggero fluido, mentre dai loro enormi genitali viene emesso, a brevi intervalli, un flusso di anidride carbonica.”

Il lievito che utilizziamo, per la produzione di CO2, è un fungo che appartiene al genere Saccharomyces (dal Latino "fungo dello zucchero").
Molti funghi appartenenti a questo genere sono importanti nelle produzioni alimentari.

La specie più diffusa e studiata è il Saccharomyces cerevisiae, utilizzato nella maggior parte delle fermentazioni industriali per la produzione di vino, pane e birra, e conosciuto fin dal tempo degli Egizi.
È considerato come organismo modello, da biologi che studiano genetica e biologia molecolare (in particolare il ciclo cellulare), perché è facile crescerlo in coltura.
Quello del Saccharomyces cerevisiae è stato il primo genoma di un eucariota ad essere sequenziato completamente; si stima che ne condivida circa il 23% con l'uomo.

A differenza di quanto pensava Liebig, si riproduce principalmente asessualmente, per gemmazione (o blastogonia).
La blastogonia è una forma di riproduzione asessuata, per cui da una cellula madre viene prodotta una protuberanza chiamata gemma (= blastos).

Saccharomyces cerevisiaeSaccharomyces cerevisiae al microscopio

Questa gemma, giunta a maturità, si separa dalla cellula madre lasciando la cicatrice del distacco; una cellula può gemmare fino a 40 volte, poi muore.
Il nostro lievito è un organismo unicellulare, di forma ovoidale o sferica, di dimensioni non superiori a 5-10 µm (millesimi di millimetro).

Come ogni organismo vivente, vive grazie alla presenza di ossigeno (aerobiosi), ma ha la capacità di adattarsi anche in ambiente anaerobico.
Quando il lievito è in presenza di aria, utilizza zuccheri ed ossigeno per produrre anidride carbonica, acqua ed un considerevole quantitativo di energia, con il seguente processo chimico:

Fermentazione aerobica

L'ATP è una molecola presente in tutti gli organismi viventi, per i quali è la principale forma di accumulo di energia immediatamente disponibile.
Quando non c’è più ossigeno disponibile, il lievito utilizza gli zuccheri per produrla.
Pasteur definì "fermentazione" questo processo metabolico.

Gli zuccheri vengono trasformati in anidride carbonica, alcol ed energia.
In questo caso l’ossidazione del glucosio non è completa... e l’energia che si libera è molto inferiore.
Usiamo anche questa volta la simbologia chimica:

fermentazione alcolica

Notate come si generi molta meno energia, rispetto al processo aerobico descritto in precendenza (ca. 20 volte meno).
Il processo anaerobico è proprio quello che noi utilizziamo, per produrre anidride carbonica, benchè le condizioni aerobiche siano preferibili perché non viene prodotto alcol.
Quest'ultimo è infatti tossico per il lievito, se supera un certo valore; una concentrazione di etanolo superiore al 16% gli risulta letale.

La produzione di CO2 con il processo aerobico non è praticabile, per tutta una serie di ragioni pratiche; basti pensare alla necessità di insufflare aria, per garantire la fornitura di ossigeno, quindi l'esigenza di un aeratore che non riuscirebbe a funzionare, vista la pressione del nostro impianto.
Inoltre, esiste un fenomeno chiamato "effetto Crabtree": nonostante la presenza di ossigeno, se la concentrazione di zuccheri supera i 150-200 mg/litro, la fermentazione alcolica (con formazione di etanolo) è comunque prevalente.

Vediamo ora i diversi tipi di lievito che possono essere utilizzati per produrre la CO2.