Course Syllabus
Obiettivi
I processi microbici si trovano al centro della rivoluzione concettuale che sta promuovendo il passaggio da una economia lineare ad una circolare, e più precisamente verso una Bioeconomia Circolare. Questo si basa principalmente sulla consapevolezza che i microrganismi svolgono un ruolo chiave nei cicli biogeochimici del Pianeta e sono in larga parte responsabili del suo equilibrio dinamico. Inoltre, ubiquità ed infallibilità microbica determinano che i prodotti di una trasformazione microbica diventino substrati per una successiva. Questo principio, unitamente alla constatazione che l’overshoot day (giorno in cui si finisce di utilizzare quel che il pianeta ha prodotto) dal 1972 anticipa ogni anno, converge nella volontà di consolidare processi microbici che siano competitivi con gli attuali ma che siano sostenibili ed a mino rimpatto ambientale. L'insegnamento si propone di introdurre e sviluppare argomenti e problematiche relative ai processi produttivi di prodotti di interesse per le biotecnologie industriali. Verranno esaminate le caratteristiche chiave di diversi prodotti e come il processo produttivo si ottimizza su tali caratteristiche, in relazione anche alle crescenti esigenze di sostenibilità e basso impatto ambientale, anche per sviluppare un personale senso critico.
Conoscenza e capacità di comprensione.
Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà conoscere i principi ed i concetti di bio-based processes, bioraffineria, confronto di generazioni, parti chiave di un bioprocesso, confronto tra bioprocessi, analisi di criticità e sensibilità.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione.
Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà essere in grado di applicare le conoscenze acquisite per poter valutare lo sviluppo di un bioprocesso.
Autonomia di giudizio.
Lo studente dovrà essere in grado di elaborare quanto appreso e saper riconoscere le situazioni e i
problemi in cui i bioprocessi possano essere messi in atto.
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 una vasta gamma di prodotti a partire da biomasse attraverso l’uso di microrganismi e/o enzimi.
Contenuti sintetici
L'insegnamento fornirà conoscenze di base per comprendere e descrivere i differenti campi di applicazione delle biotecnologie industriali, in riferimento a processi produttivi. Questo implica di approfondire concetti quali la bioprospezione, ma al contempo tecnologie di screening e di sviluppo di processi dall’upstream (inclusa la formulazione dei terreni) fino alla formulazione finale del prodotto ed al calcolo del ciclo vitale del processo stesso. In questa logica, una delle tecnologie chiave che è stata sviluppata ed è attualmente in consolidazione è la bioraffineria, dove biomasse residuali vengono valorizzate inuna serie di prodotti differenti, ad alto e basso valore aggiunto, che possano idealmente sostituire quelli di derivazione petrolchimica. A supporto di quanto descritto, verranno forniti numerosi esempi di processo, consolidati e in sviluppo, che di volta in volta permetteranno di portare in luce uno o più aspetti chiave di questa tecnologia di avanguardia. Verranno forniti elementi per comprendere quali sono le materie prime ed i processi di downstream e poi si percorreranno diversi processi che ripercorrono complessità e sviluppi crescenti, nonché processi antichi ed accettati fino a processi di frontiera soggetti a discussioni etiche.
L'insegnamento tratterà i segenti argomenti:
1. Processi biotecnologici.
2. Il concetto di Bioraffineria.
3. Feedstocks e substrati.
4. Downstream processes.
5. Produzione di biomassa microbica.
6. Produzione di Biocarburanti.
7. Cibi e bevande.
8. Produzione di metaboliti secondari.
9. Produzione di chemical platforms.
10. Enzimi e conversioni microbiche.
11. Trattamento delle acque reflue e produzione di biogas.
12. Protocolli di Screening.
13. Life cycle assessment.
Programma esteso
1. Processi biotecnologici. Breve panoramica storica su concetti di biotecnologie industriali e come essi si applichino a processi consolidati ed in sviluppo. Overview dei differenti passaggi di un processo produttivo.
2. Il concetto di Bioraffineria. Descrizione dei principi, delle implicazioni, delle tecnologie e della connessione con il territorio. Verranno altresì elencate e spiegate le diverse generazioni di biomasse.
3. Feedstocks e substrati. Quali sono I substrati maggiormente utilizzati nei bioprocessi industriali? Quali possono essere considerati per il futuro? Quali disponibili? Pro e contro, e considerazioni economiche e di sostenibilità.
4. Downstream processes. Principi per la separazione e purificazione dei prodotti di interesse, compresa la descrizione dei macchinari industriali, dal momento della fine della fermentazione fino alla formulazione finale.
5. Produzione di biomassa microbica. Il lievito per la panificazione. Single cell proteins. Descrizione dei processi produttivi, dalla preparazione dei terreni di crescita fino alla formulazione dei prodotti per la vendita. Considerazioni ed implicazioni.
6. Produzione di Biocarburanti. Presentazione delle diverse classi (etanolo, butanolo, biodiesel, etc) e generazioni (prima, seconda, terza) di biocarburanti che possono essere prodotti attraverso fermentazione microbica e descrizione dei processi in essere.
7. Cibi e bevande. Importanza delle fermentazioni microbiche per la produzione di cibi e bevande. Ed esempi di processi. Case study: produzione della birra.
8. Produzione di metaboliti secondari. Case study: antibiotici.
9. Produzione di chemical platforms.
10. Enzimi e conversioni microbiche. Come possono essere prodotti gli enzimi? Come la loro produzione può rendere più vantaggiose altre produzioni microbiche? Case study: antibiotici semisintetici.
11. Trattamento delle acque reflue e produzione di biogas. Principi, tecnologie e possibili migliorie ai processi in essere.
12. Protocolli di Screening. Principi generali e case study che possono esemplificare il potenziale che I protocolli di screening hanno nella identificazione e sfruttamento della biodiversità, naturale ed indotta attraverso ingegnerizzazioni mirate.
13. Life cycle assessment. Principi ed esempi.
Prerequisiti
Prerequisiti: conoscenze di base di Chimica Generale e Organica, Chimica Biologica e Microbiologia.
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 lezioni si svolgeranno in presenza, attraverso la proiezione di slides, video, esercizi condivisi, problematiche discusse in gruppi di lavoro.
Inoltre, il docente svolgerà semplici esercizi e rapidi test insieme agli studenti per verificare i momenti di apprendimento.
L'insegnamento è tenuto in lingua italiana.
Materiale didattico
Il materiale presentato durante le lezioni (slide e articoli scientifici, siti web) è disponibile alla pagina e-learning dell'insegnamento.
Libri di testo suggeriti:
- Biotecnologie Microbiche (Donadio, Marino Casa Editrice AMBROSIANA)
- Microbiologia Industriale (Manzoni, Casa Editrice AMBROSIANA)
- Industrial Microbiology: An Introduction (Waites, Morgan, Rockey, Higton, Blackwell Science)
- Biorefineries: Industrial Processes and Products (Kamm, Gruber, Kamm Casa Editrice: Wiley-VCH)
- Encyclopedia of Bioprocess Technology (Flickinger, Drew Casa Editrice: Wiley Interscience)
- Brock – Biologia dei Microrganismi (Madigan, Martinko, Stahl, Clark – Casa Editrice PEARSON)
- Articoli scientifici ed approfondimenti forniti durante le lezioni
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
La verifica delle conoscenze apprese verrà effettuata mediante una prova d’esame orale. Durante la prova, lo studente dovrà presentare un articolo scientifico scelto tra un gruppo di articoli suggeriti quale approfondimento alle lezioni svolte. Inoltre, dovrà presentate 1 argomento richiesto con una risposta ampia ed articolata. A seguire, domande più specifiche, che richiedono risposte concise ma esaustive, completano l’esame.
Orario di ricevimento
Ricevimento: su appuntamento, previa e-mail al docente, oppure durante lo svolgimento del corso.
Sustainable Development Goals
Aims
Microbial processes constitutes one of the key elements in the occurring turnabout from linear to circular economy, and more precisely they are of pivotal importance in all the aspects of Circular Bioeconomy. This is mainly due to the increasing knowledge and awareness of the role of microorganisms on our living planet: they are responsible of the dynamic balance between organic and inorganic state of the chemical elements essential for life, and the products of one microbial transformation become the potential substrates for other processes. This principle, together with the awareness that the overshoot day (that is the day in which an entire year’s worth of natural resources is consumed) is anticipating every year since 1972, converges in the willing to develop microbial processes that can be viable, economically competitive and sustainable. The course aims to provide students with the basic knowledge necessary to understand the key elements of a microbial process, giving them the possibility to develop a critical and personal view fundamental for being actor of the occurring industrial transition.
Knowledge and understanding
The student will gain knowledge and the principles of bio-based processes, biorefinery, different generations, key steps of a bioprocess together with prs and cons and criticisms
Applying knowledge and understanding
The student will be able to apply the acquired knowledge to evaluate when and how to develop a bioprocess.
Making judgements
The student will be able to process the acquired knowledge towards the application of bioprocesses in industrially relevant conditions.
Communication skills
Use of an appropriate scientific/chemical vocabulary and ability in oral reports
Learning skills
Skills in literature reading and understanding, skills in the elaboration of interconnections among the
course-related knowledge and other subjects related to industrial bio-based microbial processes and biorefineries.
Contents
The course shed lights on the basic knowledge necessary to understand the different fields of application of Industrial biotechnology. This implies to deeper investigate concepts as bioprospecting but at the same time to increase the competence in the knowledge of the infrastructures of an industrial (bio)process, from upstream to downstream, including the description of industrial media and substrates. In this logic, one of the key enabling technology of this groundbreaking field is the biorefinery, where residual biomasses not interfering with the food supply chain are valorized into a diverse array of products. This concept will be presented and several examples of ancient and modern processes related (directly or indirectly) to this approach will be examined. The students will learn which are the feedstoks used in industrial bioprocesses as well as which are the steps of the downstream processes and starting from that we will go through a series of bioprocesses that are more complex and technologically advanced, and more and more pose ethical issues as well as offer solutions to the increasing demands for goods and services.
The following topics will be addressed:
1. Biotechnological processes.
2. The concept of Biorefinery.
3. Feedstocks and substrates.
4. Downstream processes.
5. Production of microbial biomass.
6. Production of biofuels.
7. Food and beverages.
8. Production of secondary metabolites.
9. Production of chemical platforms.
10. Enzymes and microbial conversions.
11. Waste water treatment and biogas production.
12. Screening.
13. Life cycle assessment.
Detailed program
1. Biotechnological processes. Brief historical overview on the concepts of biotechnology, and how they apply to ancient and modern productions. Overview of the different stages of a bioprocess.
2. The concept of Biorefinery. Depiction of principles, implications, technologies and connection with the territory. The different generations of biomasses will be also presented.
3. Feedstocks and substrates. Which are the substrates mainly used in industrial bioprocesses? Which can be considered for the future? Pros, cons and economical evaluation.
4. Downstream processes. Principles for separation and purification of the products of interest, starting from the moment in which the upstream process is over. Instruments and techniques
5. Production of microbial biomass. Bakers’ yeast. Single cell proteins. Depiction of the processes of production, from the preparation of the media to the formulation of the selling product
6. Production of biofuels. Explanation of the different classes (ethanol, butanol, biodiesel, etc) and generations (first, second, third) of biofuels that can be produced by microbial fermentation and depiction of running processes.
7. Food and beverages. Importance of microbial fermentations in the field, and examples of fundamental processes. Case study: beer production.
8. Production of secondary metabolites. Case study: antibiotics.
9. Production of chemical platforms.
10. Enzymes and microbial conversions. How enzymes can be produced and how their development is pivotal for many different industrial bioprocesses, as for semisynthetic antibiotics
11. Waste water treatment and biogas production. Explanation of principles, techniques and possible filed for improvement
12. Screening. General principles and case studies that can exemplify the potential of screening protocols to unveil biodiversity
13. Life cycle assessment. Principles and examples
Prerequisites
Background: basic knowledge in general, organic and biochemistry, and 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
Lessons will be provided in presence. Classroom lectures supported by PowerPoint presentations. During the lessons, students will have the opportunity to test their understanding through different types of exercises (multiple-choice tests and exercises with the teacher's guide).
Teaching language: italian.
Textbook and teaching resource
Learning material (slides of the lessons, suggested websites and recommended publications) is available at the e-learning web page of the course.
Recommended textbooks:
- Biotecnologie Microbiche (Donadio, Marino Casa Editrice AMBROSIANA)
- Microbiologia Industriale (Manzoni, Casa Editrice AMBROSIANA)
- Industrial Microbiology: An Introduction (Waites, Morgan, Rockey, Higton, Blackwell Science)
- Biorefineries: Industrial Processes and Products (Kamm, Gruber, Kamm Casa Editrice: Wiley-VCH)
- Encyclopedia of Bioprocess Technology (Flickinger, Drew Casa Editrice: Wiley Interscience)
- Brock – Biologia dei Microrganismi (Madigan, Martinko, Stahl, Clark – Casa Editrice PEARSON)
Semester
First semester
Assessment method
The assessment of the knowledge learned will be carried out by an oral exam at the end of the course. During the exam, the student will have to present one scientific article, among a number that are suggested for each year course, to answer to one open question to articulate giving a complete picture of the requested subject, from general to specific aspects. Finally, few specific questions will be also asked.
Office hours
Contact: on demand, upon request by mail to lecturer or during the lecture.