Syllabus del corso
Obiettivi
Il Corso si propone di introdurre argomenti e problematiche relative alle applicazioni industriali derivanti dall'utilizzo di microrganismi naturali per applicazioni biotecnologiche classiche.
Conoscenza e capacità di comprensione.
Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà conoscere le basi microbiologiche e di processo per la crescita di un microorganismo in biorettore; dovrà saper riconoscere i vantaggi/svantaggi delle diverse tecnologie bioreattoristiche e tecniche di crescita; dovrà conoscere i principi base per l’immobilizzazione ed applicazioni di enzimi e cellule. Dovrà infine conoscere ed essere in grado di sviluppare analisi comparate del metabolismo centrale dei microrganismi e le varie produzioni classiche 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 applicate nell'ambito della ricerca o nei 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 chimica e biotecnologia 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
Le fermentazioni e i bioprocessi microbici hanno un ruolo rilevante sia nella didattica che nello sviluppo scientifico delle biotecnologie. Se un processo biotecnologico sfrutta le caratteristiche delle cellule viventi o dei loro componenti per ottenere beni e servizi, i bioprocessi cercano di ottenere questi risultati a partire da microrganismi, naturali o modificati geneticamente. L’interesse per questa disciplina è in costante aumento in quanto nodale per diverse applicazioni biotecnologiche 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).
L'insegnamento approfondirà i seguenti argomenti:
1. Il Bioreattore.
2. Monitoraggio e controllo dei parametri
3. Cellule ed enzimi immobilizzati
4. Biotecnologie delle fermentazioni classiche.
Programma esteso
1. Il Bioreattore.
Caratteristiche ideale per un microorganismo. Tecnologie bioreattoristiche per colture di microrganismi. Sterilità e sicurezza, trasferimento di calore, trasferimento di ossigeno, omogeneità. Le principali tecniche fermentative: coltura batch, coltura continua, coltura fed-batch. Composizione e sviluppo dei terreni colturali. Scale-up.
2. Monitoraggio e controllo dei parametri.
Parametri misurati, determinati e calcolati. Parametri aggregati e segregati. Controllo della fermentazione. Valutazione comparativa di parametri aggregati e parametri segregati.
3. Cellule ed enzimi immobilizzati.
Metodi di immobilizzazione. Vantaggi e svantaggi. Esempi di applicazione.
4. Biotecnologie delle fermentazioni classiche.
Metabolismo del Carbonio. Analisi comparata del metabolismo centrale dei microrganismi. Bilanci di massa ed energia. Il nodo e bypass del piruvato. Produzione di acidi organici (Acido lattico, Acido Citrico). Produzione di solventi (Etanolo, Acetonbutilica). Produzione di amminoacidi (Acido glutammico). Produzione di vitamine (Vitamina C). Produzione di antibiotici (Penicillina).
Prerequisiti
Prerequisiti: conoscenze di base della biochimica e della microbiologia Industriale
Propedeuticità specifiche: Microbiologia Industriale.
Propedeuticità generali: lo studente può sostenere gli esami del terzo anno dopo aver superato tutti gli esami del primo anno di corso.
Modalità didattica
Le attività didattiche saranno sotto forma di lezioni frontali.
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.
Nel periodo di emergenza Covid-19 le lezioni si svolgeranno in modalità mista: parziale presenza e lezioni videoregistrate asincrone/sincrone.
Materiale didattico
L’insegnamento sarà svolto con l’ausilio dei 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
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame scritto + orale.
Eseme scritto (2 h): consiste di tre domande su tutto il programma dell'insegnamneto. La prova ha una durata di 2 ore.
Orale: allo studente sarà posta una domanda su tutto il programma dell'insegnamento.
Orario di ricevimento
Ricevimento: su appuntamento tramite richiesta via email o telefono al docente.
Aims
The course aims to introduce topics and problems related to basic and applied research related to the use of natural microorganisms for both classical fermentation biotechnologies.
Knowledge and understanding.
At the end of the course the student will know the microbiological and process bases for understanding the growth of a microorganism in biorector; he/she will gain how to recognize the advantages of different bioreactor technologies, growth techniques and the basic principles for the immobilization of enzymes and cells. The student will gain the ability to compare the central metabolism of microorganisms and the various classic 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 for basic research and 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
Fermentations and microbial bioprocesses play an important role both in teaching and in the scientific development of industrial biotechnologies. If a biotechnological process exploits the characteristics of living cells or their components to obtain goods and services, the bioprocesses try to obtain these results from microorganisms, natural or genetically modified. The interest in this discipline is constantly increasing as nodal for different biotechnological applications in different fields such as food, pharmacological and health, in the production of fine-chemicals, but also for processes for the protection of the environment and bioenergy productions (Circular Bioeconomy).
The course focusses on the following topics:
1. The Bioreactor.
2. Monitoring and control of the parameters
3. Immobilized cells and enzymes
4. Biotechnology of classic fermentations.
Detailed program
1. The Bioreactor.
Ideal features for an industrial microorganism. Bioreactor technologies for cultures of microorganisms. Sterility and safety, heat transfer, oxygen transfer, homogeneity. Main fermentative techniques: batch culture, continuous cultivation, fed-batch culture. Composition and development of culture media. Scale-up.
2. Monitoring and control of the parameters.
Measured, determined and calculated parameters. Aggregated and segregated parameters. Fermentation control. Comparative evaluation of aggregated and segregated parameters.
3. Immobilized cells and enzymes.
Immobilization methods. Advantages and disadvantages. Applied examples.
4. Biotechnology of classic fermentations.
Carbon metabolism. Comparative analysis of central metabolism of microorganisms. Mass and energy balances. The node and pyruvate bypass. Production of organic acids (lactic acid, citric acid). Solvent production (Ethanol, ACE). Production of amino acids (glutamic acid). Vitamin production (Vitamin C). Production of antibiotics (Penicillin).
Prerequisites
Background: Basics of biochemistry and Industrial Microbiology.
Specific prerequisites: Industrial Microbiology.
General prerequisites: Students can take the exams of the third year after having passed all the exams of the first year of the course.
Teaching form
Classroom lectures, supported by PowerPoint slides, blackboard or electronic facilities. 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.
During the Covid-19 emergency period, lessons will take place in a mixed mode: partial attendance and asynchronous / synchronous videotaped lessons.Textbook and teaching resource
Learning material is available at the e-learning web page of the course.
Semester
First semester
Assessment method
Written + oral examination.
Two-hour written examination. Studens are asked to answer three questions on the whole course content.
Oral examination. Students are asked to answer on the whole course content.
Office hours
Contact: on demand, upon request by mail or phone to lecturer.
Scheda del corso
Staff
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Valeria Maria Teresa Mapelli