IT202200000608A1 - Processo di stimolazione del ciclo di vita del lievito tramite sonobioreattore e relativo metodo di monitoraggio - Google Patents

Processo di stimolazione del ciclo di vita del lievito tramite sonobioreattore e relativo metodo di monitoraggio Download PDF

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IT202200000608A1
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IT
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sonobioreactor
fermentation
user
stimulation
life cycle
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IT102022000000608A
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Inventor
Luca Buccarello
Alessandro Contaldo
Pierfrancesco Mazzolini
Federico Ortenzi
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Yeastime Start Up S R L
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Description

Descrizione dell?invenzione avente per titolo:
?PROCESSO DI STIMOLAZIONE DEL CICLO DI VITA DEL LIEVITO TRAMITE SONOBIOREATTORE E RELATIVO METODO DI MONITORAGGIO?
Descrizione
Campo della tecnica
L?invenzione si riferisce ad un?innovativa tecnica per stimolare la fermentazione del lievito mediante una banda di onde sonore, tramite range ultrasonico e specifici tempi di irradiazione, ottimizzando le condizioni di fermentazione ottenendo un miglioramento della resa per le produzioni in larga scala.
Arte nota
Il nostro pianeta soffre di un intenso tasso di estrazione e consumo delle sue risorse naturali a causa delle attivit? umane. Vi ? quindi la necessit? di cercare alternative efficaci per fornire nutrienti, prodotti chimici ed energia, da metodologie che hanno un impatto limitato sull?ambiente. In questa prospettiva il programma ?Green Deal?, sviluppato dalla Commissione Europea, delinea la strada da percorrere nel trovare nuove strategie per sostenere la crescita economica, disaccoppiandola dal consumo di risorse. Attraverso l?introduzione di un nuovo quadro normativo su economia circolare, biodiversit? e innovazione, si rivela necessario puntare sulla riduzione dell?impatto umano sulle risorse naturali.
La fermentazione ? un processo anaerobico, in cui enzimi o microrganismi portano avanti l?estrazione di energia da carboidrati, ? generalmente associato alla produzione di anidride carbonica. La fermentazione, pur essendo implicata in innumerevoli processi industriali, ? rimasta ancorata a metodiche tradizionali ed ? assente di un controllo specifico sui tempi, di consumi energetici e di relativi impatti ambientali.
Le colture di lievito sono impiegate per molte e diverse aree di produzione industriale, come quella alimentare e farmaceutica. Questo ? un campo di ricerca e investimento in rapido sviluppo, nonostante vi siano alcuni problemi da superare che concernono gli organismi geneticamente modificati, la gestione delle colture e la loro sostenibilit? economica.
Durante la coltura del lievito, parametri come temperatura e nutrienti, potrebbero essere impostati e modificati in base allo stato di fermentazione del lievito, per ottimizzare la fermentazione e ridurne i consumi.
La tecnologia odierna, come dimostra la convalida del brevetto CN112240876, rilasciato il 19/01/2021, riporta una metodologia di monitoraggio dei processi di fermentazione mediante infrarossi che nulla ha a che vedere con l?ottimizzazione dei processi di fermentazione e con il risparmio energetico di cui il mercato odierno ha bisogno.
Scopo del brevetto ? quindi quello di proporre l?utilizzo di un ciclo di onda amministrato tramite sonobioreattore che possa, tramite la trasduzione di un segnale elettrico in un segnale meccanico sotto forma di ultrasuoni, stimolare il ciclo vitale del lievito ed incentivare la fermentazione, riducendone i tempi, i consumi e gli sprechi energetici comuni nel settore industriale; detto sonobioreattore essendo ulteriormente gestibile da remoto mediante connessioni wireless.
Descrizione dell?invenzione
Secondo la presente invenzione viene realizzato un processo di stimolazione del ciclo di vita del lievito tramite sonobioreattore che risolve efficacemente le problematiche suesposte.
? stato dimostrato che, in base alle caratteristiche dell?onda sonora e alle propriet? dell?organismo bersaglio, esiste un?ampia gamma di effetti esercitati dall?irradiazione sonora. La vibrazione sonora da stimolo meccanico, si trasmette come segnale cellulare e metabolico, cos? da influenzare la vita a diversi livelli. Il meccanismo di trasduzione del segnale proposto prevede l?attivazione di meccanorecettori cellulari, che causano la depolarizzazione della membrana, la generazione del potenziale d?azione e l?induzione del metabolismo secondario nell?organismo target.
Detto studio ? stato applicato alla fermentazione del lievito, delle microalghe e di altri microorganismi fermentanti, realizzando un bioreattore con una componente acustica integrata, atta definire l?intera macchina come un sonobioreattore.
Grazie al ciclo di onde ultrasoniche applicate nel sonobioreattore ? stato diminuito il tempo di fermentazione, aumentando la resa dei metaboliti aromatici, mediante l?attivazione della beta-d-glicosidasi presenti nel microorganismo, attraverso ultrasuoni a bassa energia.
Il presente sonobioreattore sfrutta un generatore di onde ultrasoniche e un sistema di trasduttore per ottimizzare la fermentazione, la quale ? ulteriormente monitorata attraverso l?impiego di una pluralit? di sensori che variano a seconda delle esigenze del cliente e dei parametri della fermentazione presi in esame.
Un generatore di segnale ? atto a creare l?onda rettangolare quadra o sinusoidale che lavora alla frequenza dell?ultrasuono bassa (<100kHz); il segnale emesso, deve necessariamente essere amplificato visto che il segnale in uscita deve avere una bassa potenza (< 10W/L).
Un driver di potenza che funge da amplificatore ? ulteriormente installato esternamente al sonobioreattore, al fine di trattare il segnale in uscita, amplificandolo.
Al fine di estrapolare lo spettro del segnale inviato da detto generatore di segnale, un idrofono ? installato internamente a detto sonobioreattore.
Un trasduttore ? invece atto a convertire il segnale elettrico in un segnale vibrante; detto segnale vibrante comprende un ciclo di onde meccaniche con la medesima frequenza, tipo sinusoidale o rettangolare, le quali possono essere irradiate all?interno del fermentato, il tutto integrato nel fermentatore, esternamente o internamente alla struttura.
Per gestire il driver di potenza ? installato un microcontrollore, in modo tale che il segnale venga trasmesso con un duty cycle con Ton (tempo di irradiazione) che varia dai 0,5s a 8s rispetto ad un Ttot (tempo totale del periodo) che varia dai 10s ai 60s, dato che il periodo d?irradiazione non avviene per tutta la durata della fermentazione ma solo nella fase di crescita esponenziale logaritmica che va dalle 10h alle 70h in S.cerevisae e dipende dalla tipologia del microorganismo. In questa fase il dispositivo va ad agire ed irradiare dal 5% al 100% del suddetto intervallo temporale.
La frequenza degli ultrasuoni ? atta a variare in un range compreso tra i 19kHz ai 99.99kHz, mentre la potenza di irradiazione di detti ultrasuoni a bassa potenza varia all'interno di un range compreso tra i 200mW/I ed i 1000mW/I.
Una pluralit? di sonde e di sensori sono ulteriormente installati all?interno del sonobioreattore oggetto di invenzione.
Per monitorare la temperatura del fermentato, infatti, ? installata una sonda all?interno della camera di fermentazione.
Una pluralit? di sensori di tipo chemo-conduttori sono invece atti a monitorare i gas emanati dalla fermentazione.
In una sua forma di realizzazione, i sensori dedicati al monitoraggio dei gas, all?interno della camera di fermentazione, sono dei sensori elettrochimici come la sonda Lambda.
Al fine di monitorare il Plato, grazie al quale ? possibile ricavare la densit? del fermentato, ? previsto l?utilizzo di un rifrattometro, al fine comprendere l?andamento della fermentazione.
Un elettrodo di Clark ? invece compreso all?interno della camera di fermentazione per monitorare il pH del fermentato.
Lo spettro di assorbimento, rifrazione e riflessione delle sostanze fermentate rappresenta inoltre un importante aspetto da monitorare in questo campo, per questo motivo viene utilizzato uno spettrofotometro esterno alla camera di fermentazione.
Un microcontrollore ? quindi atto ad interagire con la pluralit? di sonde e sensori sopra citati, al fine di estrapolare i dati, inviandoli ad un server al quale l?utente, proprietario del sonobioreattore, pu? connettersi per verificare lo stato della fermentazione in tempo reale.
L'intero sistema ottiene energia da un circuito di alimentazione direttamente collegato con il sonobioreattore in oggetto.
A titolo esemplificativo ma non limitativo, detto sonobioreattore ? utilizzato ulteriormente nella coltivazione di colture cellulari appartenenti ad ogni taxon degli organismi viventi per la produzione di biocomposti, metaboliti secondari, e biomassa/organoidi.
L'uso del processo di stimolazione, in una sua forma di realizzazione, avviene anche nella creazione di un aroma birrario unico pur partendo dallo stesso strain di lievito e dallo stesso malto.
Un metodo di monitoraggio del sonobioreattore si rivela essenziale per reperire e confrontare le pluralit? di informazioni raccolte dai sensori presenti all?interno di detto sonobioreattore.
Detti sensori sono connessi ad un core di gestione centrale al quale ogni utente pu? connettersi per leggere e controllare le informazioni, utilizzando un qualsiasi dispositivo precedentemente registrato. Ogni informazione ricavata da detti sensori passa da un cloud, il quale facilita la lettura da remoto da parte di ogni utente. La registrazione, sul portale web dedicato, ? il primo passo che ogni utente in possesso di un sonobioreattore deve effettuare; le informazioni relative alla lettura dei sensori sono disponibili su un portale web dedicato grazie all?utilizzo di una REST API posta su un server centrale connesso alla Wide Area Network, dove ? ospitato il core di gestione; detta API garantisce la possibilit? di caricare la pluralit? di dati raccolti dai sensori, sul portale dedicato.
Successivamente l?utente deve effettuare un login per effettuare l?accesso all?area riservata, utilizzando le credenziali precedentemente impostate nella fase di registrazione.
Il riscatto di possesso del sonobioreattore avviene mediante inserimento, all?interno dell?aerea dedicata all?utente, di un codice univoco presente sul sonobioreattore; in una sua forma di realizzazione, detto riscatto di possesso avviene mediante scannerizzazione di un codice QR con un comune smartphone. A seguire l?utente effettua la scelta del Wi-fi al quale connettere il sonobioreattore, al fine di agevolare il monitoraggio della fermentazione.
L?utente potr? quindi modificare a distanza il gusto e l?aroma del fermentato in base al tipo di produzione, utilizzando la tecnologia degli ultrasuoni precedentemente descritta. A titolo esemplificativo ma non limitativo, detta modifica del gusto e dell?aroma del fermentato, avviene in maniera del tutto automatica, una volta sincronizzato il sonobioreattore all?interno dell?area riservata dell?utente, dato che l?utente potrebbe aver precedentemente salvato le sue preferenze nella sua area riservata.
Infine, grazie al portale web dedicato, un comune utente registrato ? atto a visualizzazione, in tempo reale, i dati sensoristici inviati dal sonobioreattore, oltre che a consultare i grafici temporali dei dati presenti nel database del portale web. I vantaggi offerti dalla presente invenzione sono evidenti alla luce della descrizione fin qui esposta e saranno ancora pi? chiari grazie alle figure annesse e alla descrizione dettagliata.
Descrizione delle figure
L?invenzione verr? qui di seguito descritta in almeno una forma di realizzazione preferita a titolo esplicativo e non limitativo con l?ausilio delle figure annesse, nelle quali:
- FIGURA 1 mostra il diagramma di flusso che sottost? al processo di stimolazione del ciclo di vita del lievito oggetto di invenzione.
- FIGURA 2 mostra il diagramma di flusso che sottost? al metodo oggetto di invenzione, connesso al monitoraggio della fermentazione del lievito all?interno del sonobioreattore.
Descrizione dettagliata dell?invenzione
La presente invenzione verr? ora illustrata a titolo puramente esemplificativo ma non limitativo o vincolante, ricorrendo alle figure le quali illustrano alcune realizzazioni relativamente al presente concetto inventivo.
Con riferimento alla FIG.1 ? illustrato il sistema di funzionamento del processo di stimolazione 50 del ciclo vita del lievito ed ? riportata, a titolo di esempio, la procedura e l?impostazione applicata al sonobioreattore oggetto di invenzione. Il Duty cycle utilizzato, onde evitare un effetto negativo nell?irradiazione e ottimizzare l?efficacia del trattamento prevede l?irradiamento della coltura in modo intermittente, utilizzando un ciclo del 6,25 % (tempo di accensione del dispositivo 1 secondo ogni 16 secondi).
I test effettuati asseriscono che il segnale irradiato debba essere irradiato dai 0,5s a 8s (Ton) per un intervallo temporale totale compreso dai 10s a 60s (Ttot).
La frequenza scelta invece, viene settata secondo le caratteristiche chimico-fisiche, biochimiche, genetiche ed epigenetiche del microorganismo target, difatti il passo dell?onda ? determinato dai parametri sopracitati, tra cui il diametro cellulare di Saccharomyces cereviasae, e di conseguenza ? settata la lunghezza d?onda scelta nel ciclo di amministrazione.
Le frequenze scelte sono:
25KHz con un errore di /- 3KHz
40KHz con un errore di /- 3KHz
La frequenza preferibile ed oggetto di invenzione ? la frequenza dell?ultrasuono, utilizzando un range che varia da 19kHz a 99.99kHz.
La bassa potenza utilizzata ? indicata per evitare il fenomeno di cavitazione e impedire la morte cellulare. Le potenze utilizzate sono:
590 mW/l con un errore di /- 10mW/l
300 mW/l con un errore di /- 10mW/l
La potenza di irradiazione varia in un range da 200mW/l a 1000mW/l.
L?irradiazione nella fase di crescita esponenziale logaritmica che va dalle 10h alle 70h in S.cerevisae e dipende dalla tipologia del microorganismo.
La fase LOG per ogni processo di fermentazione, generalmente, inizia dopo 10h e si conclude dopo 72h, in questa fase il progetto va ad agire ed irradiare in questo intervallo di tempo dal 5% al 100%.
Con riferimento alla FIG.2 ? illustrato il diagramma di flusso atto ad esplicitare i passaggi descritti dal presente metodo di monitoraggio del sonobioreattore per la stimolazione 50 del ciclo di vita del lievito. Al fine di ottenere il corretto funzionamento del metodo di monitoraggio sono stati individuati i seguenti passi:
- registrazione 100, sul portale web dedicato, di ogni utente 90 in possesso di un sonobioreattore o di un qualunque individuo a cui ? stata affidata la gestione di un sonobioreattore; le informazioni relative alla lettura dei sensori 70 sono disponibili su un portale web dedicato grazie all?utilizzo di una REST API e di un server centrale connesso alla Wide Area Network, dove ? ospitato il core di gestione; detta API garantisce la possibilit? di caricare la pluralit? di dati raccolti dai sensori 70, sul portale dedicato;
- login 200 dell?utente 90 per effettuare l?accesso all?area riservata, utilizzando le credenziali precedentemente impostate nella registrazione;
- scelta del Wi-fi 300 al quale connettere il sonobioreattore per agevolare il monitoraggio della fermentazione da parte dell?utente 90;
- riscatto di possesso 400 del sonobioreattore mediante inserimento 430, all?interno dell?aerea dedicata all?utente 90 precedentemente registrato sul portale web, di un codice univoco presente sul sonobioreattore;
- selezione prodotto trattato 500;
- modifica 600 del gusto e dell?aroma del fermentato in base al tipo di produzione, da parte dell?utente 90, utilizzando la tecnologia degli ultrasuoni precedentemente descritta;
- visualizzazione 700, in tempo reale, dei dati sensoristici inviati dal sonobioreattore;
- consultazione 800 dei grafici temporali dei dati presenti nel database del portale web.
? infine chiaro che all?invenzione fin qui descritta possono essere apportate modifiche, aggiunte o varianti ovvie per un tecnico del ramo, senza per questo fuoriuscire dall?ambito di tutela che ? fornito dalle rivendicazioni annesse.

Claims (11)

Rivendicazioni
1. Processo di stimolazione (50) del ciclo di vita del lievito tramite sonobioreattore caratterizzato dal fatto di essere atto a diminuire il tempo di fermentazione aumentando la resa dei metaboliti generatori di aromi, mediante l?attivazione della beta-d-glicosidasi attraverso ultrasuoni a bassa energia, sfruttando un generatore acustico ed un sistema di trasduttori (40); la fermentazione, all?interno di detto sonobioreattore, essendo monitorata attraverso l?impiego di una pluralit? di sensori (70) a seconda delle esigenze dell'utente (90) e della fermentazione presa in esame; detto sonobioreattore comprendendo:
- almeno un circuito di alimentazione (10) atto ad alimentare il presente processo di stimolazione (50) tramite sonobioreattore;
- almeno un generatore di segnale (20) atto a creare l?onda rettangolare o sinusoidale che lavora alla frequenza dell?ultrasuono bassa; detto segnale dovendo necessariamente essere amplificato dato che il segnale in uscita risulta avere una bassa potenza;
- almeno un driver di potenza che funge da amplificatore (30), atto a trattare il segnale in uscita amplificandolo;
- almeno un trasduttore (40) atto a convertire il segnale elettrico in un segnale vibrante; detto segnale vibrante comprendendo un susseguirsi di onde meccaniche con la medesima frequenza e di tipo sinusoidale o rettangolare atte ad essere irradiate all?interno del fermentato; - almeno un microcontrollore (60) atto ad interagire con la pluralit? di sonde e sensori (70), al fine di estrapolare i dati per inviarli ad un server al quale l?utente (90), proprietario del sonobioreattore, pu? connettersi per verificare lo stato della fermentazione; detto microcontrollore (60) essendo ulteriormente atto a gestire detto driver di potenza che funge da amplificatore (30), in modo tale che il segnale venga trasmesso con un duty cycle con Ton che varia dai 0,5sec a 8sec rispetto ad un Ttot che varia dai 10sec ai 60sec, dato che il periodo d?irradiazione non avviene per tutta la durata della fermentazione ma solo nella fase di crescita esponenziale logaritmica che va dalle 10h alle 70h in S.cerevisae e dipende dalla tipologia del microorganismo; detta irradiazione avvenendo in un intervallo di tempo dal 5% al 100%;
- almeno una sonda di tipo digitale, installata all?interno della camera di fermentazione, atta a monitorare la temperatura del fermentato;
- una pluralit? di sensori di tipo Chemo sensori, installati all?interno della camera di fermentazione, atti a monitorare i gas emanati dalla fermentazione;
- almeno un rifrattometro atto a monitorare il Plato mediante il quale ? possibile ricavare la densit? del fermentato per comprendere se la fermentazione sta andando a buon fine;
- almeno un elettrodo di Clark atto a monitorare il pH del fermentato; - almeno uno spettrofotometro esterno atto a monitorare le propriet? ottiche delle sostanze fermentate;
- almeno un idrofono atto ad estrapolare lo spettro del segnale inviato da detto generatore di segnale;
- almeno un cloud (80) online per la raccolta dei dati estrapolati dai sensori, al fine di coinvolgere e tenere aggiornato l'utente (90) riguardo il processo di stimolazione (50) in oggetto; detto cloud (80) rendendo le informazioni ottenute, consultabili da remoto da un qualsiasi dispositivo elettronico posseduto dall'utente (90).
2. Processo di stimolazione (50) del ciclo di vita del lievito tramite sonobioreattore, secondo la precedente rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta sonda di tipo digitale, atta a monitorare la temperatura del fermentato collabora con una termocamera e con una pluralit? di termistori di tipo NTC o PTC, al fine di ottimizzare detto monitoraggio.
3. Processo di stimolazione (50) del ciclo di vita del lievito tramite sonobioreattore, secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che dei sensori elettrochimici come la sonda Lambda, sono utilizzati per monitorare la presenza dei gas all?interno della camera di fermentazione.
4. Processo di stimolazione (50) del ciclo di vita del lievito tramite sonobioreattore, secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detto duty cicle possiede un segnale che varia dagli 0,5 agli 8 secondi per un intervallo temporale compreso tra i 10 ed i 60 secondi.
5. Processo di stimolazione (50) del ciclo di vita del lievito tramite sonobioreattore, secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che la frequenza degli ultrasuoni varia in un range compreso tra i 19kHz ai 99.99kHz.
6. Processo di stimolazione (50) del ciclo di vita del lievito tramite sonobioreattore, secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che la potenza di irradiazione di detti ultrasuoni a bassa potenza varia all'interno di un range compreso tra i 200mW/I ed i 1000mW/I.
7. Uso del processo di stimolazione (50) del ciclo di vita del lievito tramite sonobioreattore, secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, nella coltivazione di colture cellulari appartenenti ad ogni taxon degli organismi viventi per la produzione di biocomposti, metaboliti secondari, e biomassa/organoidi.
8. Uso del processo di stimolazione del ciclo di vita del lievito tramite sonobioreattore, secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, nella creazione di un aroma birrario unico pur partendo dallo stesso strain di lievito e dallo stesso malto.
9. Metodo di monitoraggio del sonobioreattore per la stimolazione (50) del ciclo di vita del lievito caratterizzato dal fatto che la pluralit? di sensori (70) presenti all?interno del sonobioreattore sono connessi ad un core di gestione centrale al quale ogni utente (90) pu? connettersi per reperire le informazioni relative al funzionamento del sonobioreattore in oggetto, utilizzando un qualsiasi dispositivo elettronico; l?utente (90) finale risultando quindi atto ad accedere al monitoraggio dei parametri interni in tempo reale utilizzando un qualsiasi smartphone o computer; detto metodo di monitoraggio comprendendo i seguenti passi:
- registrazione (100), sul portale web dedicato, di ogni utente (90) in possesso di un sonobioreattore o di un qualunque individuo a cui ? stata affidata la gestione di un sonobioreattore; le informazioni relative alla lettura dei sensori sono disponibili su un portale web dedicato grazie all?utilizzo di una REST API e di un server centrale connesso alla Wide Area Network, dove ? ospitato il core di gestione; detta API garantisce la possibilit? di caricare la pluralit? di dati raccolti dai sensori (70), sul portale dedicato;
- login (200) dell?utente (90) per effettuare l?accesso all?area riservata, utilizzando le credenziali precedentemente impostate nella registrazione; - scelta del Wi-fi (300) al quale connettere il sonobioreattore per agevolare il monitoraggio della fermentazione da parte dell?utente (90);
- riscatto di possesso (400) del sonobioreattore mediante inserimento (430), all?interno dell?aerea dedicata all?utente (90), di un codice univoco presente sul sonobioreattore;
- selezione del prodotto trattato (500);
- modifica (600) del gusto e dell?aroma del fermentato in base al tipo di produzione, da parte dell?utente (90), utilizzando la tecnologia degli ultrasuoni precedentemente descritta;
- visualizzazione (700), in tempo reale, dei dati sensoristici inviati dal sonobioreattore;
- consultazione (800) dei grafici temporali dei dati presenti nel database del portale web.
10. Metodo di monitoraggio del sonobioreattore per la stimolazione (50) del ciclo di vita del lievito, secondo la precedente rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detta modifica del gusto e dell?aroma del fermentato avviene in maniera del tutto automatica (650), una volta sincronizzato il sonobioreattore con l?area riservata dell?utente (90), poich? l?utente ha precedentemente salvato le sue preferenze nella relativa area riservata.
11. Metodo di monitoraggio del sonobioreattore per la stimolazione (50) del ciclo di vita del lievito, secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni dalla 9 alla 10, caratterizzato dal fatto che detto riscatto di possesso avviene scannerizzando (450), con un comune smartphone collegato al portale web, un codice QR situato sul sonobioreattore.
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