Course Syllabus
Obiettivi
Il Corso si propone di introdurre argomenti e problematiche relative alle applicazioni industriali derivanti dall'utilizzo di microrganismi ricombinanti per applicazioni biotecnologiche avanzate nei settori della Bioeconomia Circolare e Sostenibilità ambientale.
Conoscenza e capacità di comprensione.
Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà saper valutare i principi basi, sia di carattere biologico che di processo, per lo sviluppo do processi industriali che si basano su microorganismi ricombinanti. Il Corso si propone quindi di fornire gli strumenti per poter studiare gli aspetti molecolari e metabolici che limitano rese, produzioni e produttività attuali così che si possano pianificare gli interventi per sviluppare bioprocessi di nuova generazione che portino ad una decarbonizzazione delle attuali produzioni. Include quindi il miglioramento di ceppi microbici di interesse industriale. Lo studente dovrà essere in grado di sviluppare analisi comparate delle caratteristiche di diverse cell factories per le varie produzioni avanzate della industria biotecnologica in campi diversi quali quello alimentare, farmacologico e sanitario, nella produzione di fine-chemicals, ma anche per processi per la salvaguardia dell’ambiente e recuperi energetici (Bioeconomia Circolare).
Capacità di applicare conoscenza e comprensione.
Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà essere in grado di applicare le conoscenze acquisite a metodologie biosintetiche per processi industriali.
Autonomia di giudizio.
Lo studente dovrà essere in grado di elaborare quanto appreso e saper riconoscere i processi e i problemi in cui le metodologie della microbiologia industriale e biotecnologie delle fermentazioni apprese possano essere utilizzate.
Abilità comunicative.
Alla fine dell'insegnamento lo studente saprà esprimersi in modo appropriato nella descrizione delle tematiche affrontate con proprietà di linguaggio e sicurezza di esposizione.
Capacità di apprendimento
Alla fine dell'insegnamento lo studente sarà in grado di consultare la letteratura sugli argomenti trattati e saprà analizzare, applicare e integrare e collegare le conoscenze acquisite con quanto verrà appreso in insegnamenti correlati alla produzione di prodotti chimici di interesse merceologico dell'industria biotecnologica.
Contenuti sintetici
Saranno analizzate le ricerche relative allo sviluppo di microorganismi ricombinanti per la produzione di:
1. Metabolismo ed ingegneria metabolica del metabolismo centrale.
2. Sviluppo di microorganismi ricombinanti per la produzione di acidi organici.
3. Produzione di biocarburanti e bioplastiche.
4. Bioeconomia ed economia circolare: concetto ed esempi di applicazione delle diverse bioraffinerie.
Programma esteso
Da diversi anni, la possibilità di modificare il metabolismo microbico via DNA ricombinante ha consentito lo sviluppo di nuovi bioprocessi per la produzione di fine-chemcals (es: vitamine, aminoacidi, additivi alimentari, nutraceutici, etc.), bulk chemicals (acidi organici, …), biocarburanti (bioetanolo, biobutanolo, biogas, …), nuovi materiali (acido polilattico, PHA, etc.), enzimi industriali e agenti farmaceutici (api). L'insegnamento si propone di fornire gli strumenti per poter studiare gli aspetti molecolari e metabolici che limitano rese e produzioni attuali così che si possano pianificare gli interventi per sviluppare i bioprocessi di nuova generazione. Include quindi il miglioramento di ceppi microbici di interesse industriale.
In particolare verranno approfondite le seguenti tematiche:
1. Metabolismo ed ingegneria metabolica del metabolismo centrale.
Analisi del metabolismo centrale di una cell factory.
1. Sviluppo di microorganismi ricombinanti per la produzione di acidi organici.
Ingegneria metabolica del metabolismo centrale e concetto di fonte di energia. Vantaggi e svantaggi offerti da diversi microrganismi per la produzione di acidi organici. Evoluzione guidata ed ingegneria metabolica inversa. Robustezza della cell factory e di processo.
2. Produzione di biocarburanti e bioplastiche.
Valutazione degli esempi in essere a livello industriale.
4 Bioeconomia ed economia circolare: concetto ed esempi di applicazione delle diverse bioraffinerie.
Concetto di bioraffineria di diversa generazione. Valutazione compartiva di raffineria e bioraffineria. Concetto di LCA. Esempi di applicazione dai principali centri di ricerca del mondo.
Prerequisiti
Prerequisiti. Conoscenze di biochimica, microbiologia industriale, tecniche e tecnologie bioreattoristiche.
Propedeuticità: nessuna
Modalità didattica
Lezioni frontali supportate da presentazioni in PowerPoint e approfondimenti alla lavagna. L’approccio metodologico prevede una ricostruzione storica del progredire delle conoscenze accompagnata da un’analisi del processo logico che ha guidato la sperimentazione e che ha portato alla comprensione dei meccanismi alla base dei bioprocessi.
L'insegnamento è tenuto in lingua italiana
Materiale didattico
L'insegnamento sarà svolto con l’ausilio di diapositive o grazie ai supporti didattici a disposizione. Tutto il materiale didattico proiettato viene messo a disposizione degli studenti sulla piattaforma e-learning dell'insegnamento.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale (30 min).
Durante la prova, allo studente saranno poste almeno due domande, su tutto il programma.
Orario di ricevimento
Ricevimento. Su appuntamento tramite richiesta via email o telefono al docente.
Aims
The Course aims to introduce topics and issues related to industrial applications deriving from the use of recombinant microorganisms for advanced biotechnological applications in the sectors of circular bioeconomy sectors and environmental sustainability.
Knowledge and understanding.
At the end of the course the student will gain the ability to evaluate the basic principles for the development of industrial processes based on recombinant microorganisms. The course therefore aims to provide the tools to study the molecular and metabolic aspects that limit current yields, productions and productivity. The student will gain the concept of new generation bioprocesses that lead to a decarbonisation of the current productions. It includes the improvement of microbial strains of industrial interest.
The student will gain the ability to compare the productions of the biotechnology industry in different fields such as food, pharmacological and health products, in the production of fine chemicals, but also for processes to protect the environment and recover of energy (Circular Bioeconomy).
Applying knowledge and understanding.
At the end of the course the student will be able to apply the acquired knowledge above described to biosynthetic methodologies applied to industrial processes.
Making judgments.
The student must be able to process what learned and be able to recognize the processes and problems of the industrial microbiology.
Communication skills.
Use of an appropriate scientific vocabulary and ability in written and oral reports.
Learning skills.
At the end of the course the student will be able to read the literature on the topics covered and will be able to analyse, use and integrate the knowledge acquired with what will be learned in lessons related to the production of chemical products of interest for the biotechnology industry.
Contents
The following production topics will be addressed:
1. Metabolism and metabolic engineering of central metabolism.
2. Development of recombinant microorganisms for the production of organic acids.
3. Production of biofuels and bioplastics.
4. Bio-economy and circular economy: concept and examples of different biorefineries.
Detailed program
Since many years, the possibility of modifying the microbial metabolism via recombinant DNA has allowed the development of new bioprocesses for the production of fine-chemicals (i.e., vitamins, amino acids, food additives, nutraceuticals, etc.), bulk chemicals (organic acids, ...), biofuels (bioethanol, biobutanol, biogas, ...), new nanomaterials (polylactic acid, PHA, etc.), industrial enzymes and pharmaceutical agents. The course aims to provide the tools to study the molecular and metabolic aspects that limit current yields and productions looking forward the development the new generation bioprocesses. It therefore includes the improvement of microbial strains of industrial interest.
In partuclar the following topics will be addressed:
1. Metabolism and metabolic engineering of central metabolism.
Analysis of the central metabolism of a cell factory.
2. Development of recombinant microorganisms for the production of organic acids.
Metabolic engineering of central metabolism and concept of energy source. Advantages and disadvantages offered by different microorganisms for the production of organic acids. Guided evolution and inverse metabolic engineering. Cell factory and process robustness.
3. Production of biofuels and bioplastics.
Evaluation of existing examples at industrial level.
4 Bio-economy and circular economy: concept and application examples of the different biorefineries.
Different generation biorefinery concepts. Comprehensive evaluation of refinery and biorefinery. LCA concept. Examples of applications from the world's leading research centers.
Prerequisites
Background. Concepts of Biochemistry, Industrial Microbiology and Bioreactor technologies.
Prerequisites. None
Teaching form
Classroom lectures, supported by PowerPoint slides and balckboard exercises. The methodological approach provides for a historical reconstruction of the progress of knowledge accompanied by an analysis of the logical process that guided the experimentation and led to the understanding of the mechanisms underlying the bioprocesses.
Teaching language: italian.
Textbook and teaching resource
All teaching material is available at the e-learning platform of the course.
Semester
Second semester
Assessment method
Oral examination (about 30 min).
During the exam, students will be asked on at least two questions on the whole couse content.
Office hours
Contact. On demand by email or phone to the lecturer.
Key information
Staff
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Danilo Porro