Course Syllabus
Obiettivi
Obiettivi di apprendimento
Dal punto di vista dell'apprendimento, gli obiettivi sono:
- Apprendimento delle diverse tecniche e tecnologie di processo nel campo dei processi fermentativi, dando ampio risalto alle condizioni necessarie per lo sviluppo di un processo che possa essere realizzato su scala industriale.
- Apprendimento delle modalità di analisi quantitativa di un processo fermentativo
- Apprendimento delle modalità di design di processo che devono mettere in correlazione le caratteristiche fisiologiche e metaboliche dei microorganismi e i requisiti di un prcesso fermentativo industriale.
Applicazione delle conoscenze acquisite
- Lo studente sarà in grado di caratterizzare un processo fermentativo dal punto di vista quantitativo e sarà in grado di definire quali sono i dati necessari che consentono un'appropriata e completa valutazione di un processo
- Lo studente saprà abbozzare il design di un processo fermentativo basandosi sulle caratteristiche fisiologiche e metaboliche dei microorganismi e sui requisiti di un processo di fermentazione industriale.
- Lo studente sarà in grado di analizzare, applicare e integrare le conoscenze acquisite con quanto verrà appreso in insegnamenti correlati alla produzione di prodotti dell'industria biotecnologica.
Contenuti sintetici
L'insegnamento approfondirà i seguenti argomenti:
- Requisiti fondamentali per l'implementazione di un processo fermentativo su scala indistriale
- Elementi cruciali per la pianificazione di un processo di produzione
- Elementi di bioreattoristica e schemi di bioreattori per processi biologici
- Elementi e modalità di controllo dei bioreattori
- Cinetiche di crescita e produzione microbica
- Diverse modalità di fermentazione (Es: Batch, Colture continue e Fed-Batch)
- Analisi quantitativa dei processi: produttività, rese e bilanci di massa
- Casi-Studio: esempi di processi ferementativi industriali (inclusi casi di problem solving)
Programma esteso
- Requisiti fondamentali per l'implementazione di un processo fermentativo su scala industriale
Terreni di produzione, modalità di fermentazione, trattamento degli scarti di processo, produttività di processo - Elementi cruciali per la pianificazione di un processo di produzione
Definizione dei "tempi morti" di un processo produttivo e loro considerazione nella fase di pianificazione di processo - Elementi di bioreattoristica e schemi di bioreattori per processi biologici
Tipi di bioreattore: bubble column, air lift, stirred tank.
Approfondimanto su stirred tank: diversi tipi di agitatori (stirrer); oxygen transfer rate (OTR); - Elementi e modalità di controllo dei bioreattori
Definizione dei parametri misurati, determinati e calcolati
Sonde per il monitoraggio del processo
Metodi e modalità di controllo di processo - Cinetiche di crescita e produzione microbica
Definizione ed analisi quantitativa di fase lag, fase esponenziale e fase stazionaria
Velocità di crescita specifica
Legge di Monod e relazione con il processo di fermentazione - Diverse modalità di fermentazione (Es: Batch, Colture continue e Fed-Batch)
Definizione delle diverse modalità di fermentazione
Analisi delle differenze tra le diverse modalità di fermentazione
Applicazione delle diverse modalità di fermentazione - Analisi quantitativa dei processi: produttività, rese e bilanci di massa
I diversi tipi di processo (batch, coltura continua, fed-batch) vengono caratterizzati quantitativamente attraverso:
- Calcolo delle produttività
- Calcolo delle rese
- Bilanci di massa (incl. bilancio di massa con grado di riduzione)
- Casi-Studio: esempi di processi ferementativi industriali (inclusi casi di problem solving)
Alcuni casi studio che mettono in risalto la correlazione tra le caratteristiche fisiologiche/metaboliche di un microorganismo e le caratteristiche di processo verranno presentati (es: produzione di acido citrico, produzione di lisina)
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.
Oltre a lezioni frontali "classiche", ci saranno anche sessioni in cui i principi delle lezioni teoriche vengono applicate alla risoulzione di esercizi. Gli studenti potranno risolvere gli eserci in gruppo o singolarmente con la presenza "attiva" del docente.
L'insegnamento è tenuto in lingua italiana e il materiale di supporto alle lezioni (diapositive e materiale di riferimento e approfondimento) sarà prevalentemente in lingua inglese.
In periodi non emergenziali le lezioni sono videaoregistrate (asincrone).
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.
Alcuni testi di riferimento sono:
1. Biochemical Engineering
A Textbook for Engineers, Chemists and Biologists
Second, Completely Revised and Enlarged Edition
2015 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.
KGaA, Boschstr. 12, 69469 Weinheim, Germany
Print ISBN: 978-3-527-33804-7; ePDF ISBN: 978-3-527-68499-1; ePub ISBN: 978-3-527-68501-1
2. Bioreaction Engineering
Principles
John Villadsen, Jens Nielsen, Gunnar Lidèn
Third Edition
Springer New York Dordrecht Heidelberg London
ISBN 978-1-4419-9687-9 e-ISBN 978-1-4419-9688-6
DOI 10.1007/978-1-4419-9688-6
3. Practical fermentation Technology
Edited by Brian McNeil and Linda M. Harvey
2008 John Wiley & Sons, Ltd.
ISBN: 978-0-470-01434-9
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame scritto + orale facoltativo.
Orario di ricevimento
Su appuntamento
Sustainable Development Goals
Aims
Learning objectives
From the point of view of learning , the objectives are:
- Learning of the different process techniques and technologies in the field of fermentation processes, giving ample emphasis to the conditions necessary for the development of a process that can be carried out on an industrial scale.
- Learning the methods of quantitative analysis of a fermentation process
- Learning of the process design methods that must correlate the physiological and metabolic characteristics of microorganisms and the requirements of an industrial fermentation process.
Application of acquired knowledge
- The student will be able to characterize a fermentation process from a quantitative point of view and will be able to define what are the necessary data that allow an appropriate and complete evaluation of a process
- The student will be able to sketch the design of a fermentation process based on the physiological and metabolic characteristics of microorganisms and on the requirements of an industrial fermentation process.
- The student will be able to analyze, apply and integrate the knowledge acquired with what will be learned in courses related to the production of products of the biotechnology industry.
Contents
The course will focus on the following topics:
- Fundamental requirements for the implementation of an industrial scale fermentation process
- Crucial elements for planning a production process
- Practical bioreactor technology and schemes of bioreactors for biological processes
- Elements and methods of control of bioreactors
- Kinetics of microbial growth and production
- Different fermentation modes (e.g., Batch, Continuous cultures and Fed-Batch)
- Quantitative analysis of processes: productivity, yields and mass balances
- Case Studies: examples of industrial fermentation processes (including problem solving cases)
Detailed program
- Fundamental requirements for the implementation of an industrial-scale fermentation process
Production media, fermentation methods, waste treatment, process productivity - Crucial elements for planning a production process
Definition of the "dead times" of a production process and their consideration in the process planning phase - Elements of bioreactoristics and schemes of bioreactors for biological processes
Types of bioreactor: bubble column, air lift, stirred tank.
Focus on stirred tanks: different types of stirrers; oxygen transfer rate (OTR); - Elements and methods of control of bioreactors
Definition of measured, determined and calculated parameters
Probes for process monitoring
Methods and modes of process control - Kinetics of growth and microbial production
Definition and quantitative analysis of lag phase, exponential phase and stationary phase
Specific growth rate
Monod's law and relationship with the fermentation process - Different fermentation modes (e.g, Batch, Continuous cultures and Fed-Batch)
Definition of the different fermentation modes
Analysis of the differences between the different fermentation modes
Application of the different fermentation modes - Quantitative analysis of processes: productivity, yields and mass balances
The different types of processes (batch, continuous culture, fed-batch) are quantitatively characterized by:
- Calculation of productivity
- Calculation of yields
- Mass balances (including degree od reduction balance) - Case Studies: examples of industrial fermentation processes (including * problem solving * cases)
Some case studies highlighting the correlation between the physiological / metabolic features of a microorganism and the process characteristics will be presented (e.g. production of citric acid, production of lysine)
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
Teaching activities will be in the form of frontal lectures.
In addition to "classic" lectures, there will also be sessions in which the principles of the theoretical lessons are applied to the resolution of exercises.
Students will be able to solve the exercises in groups or individually with the "active" presence of the teacher.
The course is held in Italian and the support material for the lessons (slides and reference and in-depth material) will be mainly in English.
In non-emergency periods the lessons are video-recorded (asynchronous).
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 will be available at the e-learning web page of the course.
A few of the reference books that are used for lectures are:
1. Biochemical Engineering
A Textbook for Engineers, Chemists and Biologists
Second, Completely Revised and Enlarged Edition
2015 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.
KGaA, Boschstr. 12, 69469 Weinheim, Germany
Print ISBN: 978-3-527-33804-7; ePDF ISBN: 978-3-527-68499-1; ePub ISBN: 978-3-527-68501-1
2. Bioreaction Engineering
Principles
John Villadsen, Jens Nielsen, Gunnar Lidèn
Third Edition
Springer New York Dordrecht Heidelberg London
ISBN 978-1-4419-9687-9 e-ISBN 978-1-4419-9688-6
DOI 10.1007/978-1-4419-9688-6
3. Practical fermentation Technology
Edited by Brian McNeil and Linda M. Harvey
2008 John Wiley & Sons, Ltd.
ISBN: 978-0-470-01434-9
Semester
Second semester
Assessment method
Written test + optional oral test
Office hours
On demand
Sustainable Development Goals
Staff
-
Valeria Maria Teresa Mapelli
