Course Syllabus
Obiettivi
Risultati attesi definiti in base ai Descrittori di Dublino (DdD)
Conoscenza e capacità di comprensione
Al termine del corso ci si aspetta che lo studente abbia:
- Appreso quali sono le 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.
- Appreso le modalità di analisi quantitativa di un processo fermentativo
- Appreso le basi della progettazione di un processo di fermentazione
- Appreso la correlazione tra le caratteristiche fisiologiche e metaboliche dei microorganismi e i requisiti di un processo fermentativo industriale.
Capacità di applicare le conoscenze
Al termine del corso 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
- Abbozzare il design di un processo fermentativo basandosi sulle caratteristiche fisiologiche e metaboliche dei microorganismi e sui requisiti di un processo di fermentazione industriale.
- Analizzare, applicare e integrare le conoscenze acquisite con quanto verrà appreso in altri insegnamenti correlati alla produzione di prodotti dell'industria biotecnologica.
Autonomia di giudizio
Al termine del corso ci si aspetta che lo studente sia in grado di:
- valutare i requisiti minimi e principali per la realizzazione di un processo di fermentazione.
- definire quali parametri quantitativi è necessario ricavare dall'analisi di un processo di fermentazione per valutare le prestazioni del processo.
Queste capacità saranno rese possibili grazie all'affiancamento delle lezioni teoriche con esercitazioni pratiche svolte in autonomia e in presenza del docente. Tali esercitazioni sono progettate in modo da favorire un'analisi critica dei risultati e dei modi di applicazione delle nozioni teoriche apprese.
Capacità di comuncazione
Al termine del corso ci si aspetta che lo studente sia in grado di comunicare con proprietà di linguaggio le nozioni apprese e di descrivere in modo rigoroso le caratteristiche di un processo di fermentazione.
Tale capaicità sarà favorita dal docente durante le lezioni teoriche, promuovendo l'intervento degli studenti.
Capacità di apprendimento
Al termine del corso, lo studente sarà in grado di leggere e comprendere in modo appropriato letteratura scientifica in cui si descrivono e analizzano quantitativamente processi di fermentazione microbica.
Tale capacità sarà promossa durante le lezioni teoriche in cui alcuni casi-studio vengono descritti grazie al supporto di letteratura scientifica.
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 in presenza , per un totale di 56 ore (28 lezioni da 2 ore ciascuna).
L'insegnamento adotterà diverse modalità didattiche:
- da 42 a 44 ore si svogeranno in modalità erogativa (didattica erogativa, DE) focalizzata sulla presentazione-illustrazione di contenuti, concetti, principi scientifici.
- 10 ore di esercitazioni che si svolgereanno in modalità interattiva (didattica Interattiva, DI) in presenza e in cui gli studenti potranno lavorare in gruppo o singolarmente.
- da 6 a 8 ore di lezione che si svolgeranno in co-presenza del docente responsabile e di docenti esterni (attivi in Accademia o in realtà industriali) che svolgereanno lezioni tematiche su argomenti specifici inerenti ai contenuti dell'insegnamento.
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.
Le lezioni sono videoregistrate (asincrone) e rese disponibile dal docente sulla pagina e-learning dell'insegnamento.
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.
Il testo principale di riferimento è:
Bioprocess Engineering Principles
Pauline M. Doran
Academic Press Limited
ISBN: 0-12-388461-6
Altri testi di riferimento a cui alcune lezioni sono ispirate 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
L'apprendimento sarà valutato secondo la modalità: Esame scritto + orale facoltativo.
In particolare, la prova scritta consta di esercizi di calcolo per l'analisi di processi fermentativi e di domande aperte in cui si richiede di esporre alcune delle nozioni esposte e spiegate durante le lezioni.
Solitamente la prova è composta da 2 esercizi e 2 domande aperte
Il punteggio massimo ottenibile da ciascuna risposta è esplicitato sul testo della prova scritta.
Lo studente/la studentessa che ha ottenuto una votazione di almeno 16/30 nella prova scritta, potrà richiedere di sostenere la prova orale.
Orario di ricevimento
Su appuntamento
Sustainable Development Goals
Aims
Expected outcomes defined according to the Dublin Descriptors
Knowledge and understanding
At the end of the course, the student is expected to have:
- Learned the different techniques and process technologies in the field of fermentation processes, giving great emphasis to the conditions necessary for the development of a process that can be carried out on an industrial scale.
- Learned the methods of quantitative analysis of a fermentation process
- Learned the basics of designing a fermentation process
- Learned the correlation between the physiological and metabolic characteristics of microorganisms and the requirements of an industrial fermentation process.
Applying knowledge and understanding
At the end of the course the student will be able to:
- Characterize a fermentation process from a quantitative point of view and will be able to define which data are necessary to allow an appropriate and complete evaluation of a process
- Outline the design of a fermentation process based on the physiological and metabolic characteristics of microorganisms and on the requirements of an industrial fermentation process.
- Analyze, apply and integrate the knowledge acquired with what will be learned in other courses related to the production of products in the biotechnology industry.
Making judgments
At the end of the course the student is expected to be able to:
- evaluate the essential requirements for the implementation of a fermentation process
- define the quantitative parameters that are necessary to obtain from the analysis of a fermentation process, to evaluate the performance of the process.
These skills will be made possible thanks to the support of theoretical lessons with practical exercises carried out independently in the presence of the teacher. These exercises are designed to encourage a critical analysis of the results and of the ways of applying the theoretical notions learned.
Communication skills
At the end of the course, the student is expected to be able to communicate the notions learned with proper language and to rigorously describe the characteristics of a fermentation process.
This ability will be encouraged by the teacher during the theoretical lessons, promoting the intervention of the students.
Learning skills
At the end of the course, the student will be able to read and understand appropriately scientific literature in which microbial fermentation processes are described and quantitatively analyzed.
This ability will be promoted during the theoretical lessons in which some case studies are described thanks to the support of scientific literature.
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
The teaching activities will be in the form of frontal lessons in person, for a total of 56 hours (28 lessons of 2 hours each).
Kessons will be delivered with different modes, in particular:
- 42 to 44 hours of lectures will be carried out in delivery mode (Delivery Teaching) focused on the presentation-illustration of contents, concepts and scientific principles.
- 10 hours will be dedicated to practical exercises. Exercises will take place in interactive mode (Interactive Teaching) in the classroom, where students can work in group or alone in the presence of the teacher that can guide and support the students. A collective general discussion is always included.
- 6 to 8 hours of teaching will involve external teachers (experts active in the Academy or in Industy) who will carry out thematic lessons on specific topics relevant to the teaching contents. The responsible teacher will be actively present during these lectures.
Teaching is held in Italian and the support material for the lessons (slides and reference and in-depth material) will be predominantly in English.
Lectures will be recorded and made available to the students via the e-learning page of the course.
Textbook and teaching resource
Learning material will be available at the e-learning web page of the course.
The main reference book is:
Bioprocess Engineering Principles
Pauline M. Doran
Academic Press Limited
ISBN: 0-12-388461-6
Other reference books used as reference for specific 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
The learning will be assessed through the mode: Written test + optional oral test.
In particular, the written test consists of calculation exercises for the analysis of fermentation processes and open questions in which you are asked to explain some of the notions exposed and explained during the lessons.
Usually, the test consists of 2 exercises and 2 open questions
The maximum score that can be obtained from each answer is explained in the text of the written test.
The student who obtained a grade of at least 16/30 in the written test may request to take the oral test.
Office hours
On demand
Sustainable Development Goals
Staff
-
Valeria Maria Teresa Mapelli
