L'insegnamento, rivolto agli studenti della Laurea in Ingegneria chimica e dei processi sostenibili, è composto da due moduli e ha i seguenti obiettivi formativi:
- fornire la conoscenza di base dei processi biotecnologici relativi alla produzione di biomassa e biomolecole con riferimento sia a prodotti classici sia a prodotti derivanti dall'applicazione del DNA ricombinante; la conoscenza delle applicazioni delle biotecnologie in campo medico-clinico, ambientale, agro-alimentare ed energetico;
- fornire le conoscenze necessarie per la selezione e l'impiego nell'industria chimica e biotecnologia dei processi di separazione a membrana, dei processi con fluidi supercritici e dei processi cromatografici e di adsorbimento su letto fisso.

L'obiettivo della prima parte dell'insegnamento è di fornire all'allievo la conoscenza dei meccanismi e delle strategie di accumulo dei metaboliti microbici di interesse industriale. Al termine dell'insegnamento si richiederà allo studente di:
- conoscere i prodotti della microbiologia industriale
- conoscere i meccanismi e le strategie di accumulo dei più importanti prodotti biotecnologici
- conoscere i processi utilizzati industrialmente per la produzione e la separazione dei principali prodotti biotecnologici
- conoscere i principali impianti industriali utilizzati in biotecnologia (bioreattori, apparecchiature per la separazione e purificazione dei prodotti).
L'allievo dovrà essere in grado di eseguire le seguenti attività:
- selezionare il processo fermentativo per la produzione di biomassa e metaboliti di interesse industriale
- selezionare il metodo di separazione e purificazione dei prodotti biologici
L'obiettivo della seconda parte dell'insegnamento è quello far acquisire all'allievo un'adeguata conoscenza di specifici processi di separazione applicati nell'industria di processo. In particolare, l'allievo dovrà conoscere:
- i processi di separazione a membrana usati nell'industria di processo, i tipi di membrana e i moduli più adatti per una specifica separazione;
- i modelli matematici usati per esprimere il trasporto all'interno della membrana, la polarizzazione della concentrazione e il comportamento e delle unità di separazione più semplici;
- le proprietà dei fluidi supercritici e loro applicazione nell'industria di processo;
- l'adsorbimento su letto fisso, le sue principali applicazioni e i criteri di scale-up;
- le principali tecniche cromatografiche e loro applicazione in ambito industriale.
L'allievo dovrà essere in grado di eseguire le seguenti attività:
- selezionare il processo a membrana, il tipo di membrana e il modulo più adatti a eseguire una specifica separazione;
- applicare i modelli semplificati delle unità separazione a membrana;
- Valutare la possibilità e la convenienza di utilizzare un fluido supercritico in un processo industriale;
- Stimare la lunghezza di un letto adsorbimento e eseguire una scale-up da dati sperimentali di laboratorio;
- Stimare la separazione ottenibile in una colonna cromatografica per una specifica separazione.

Conoscenze di base di termodinamica, fenomeni di trasporto e calcolo differenziale.

Prodotti della microbiologia industriale
Biomasse microbiche, metaboliti primari, metaboliti secondari, enzimi, prodotti complessi, prodotti ottenibili per biotrasformazione, prodotti da DNA ricombinante.
Accumuli metabolici di interesse industriale
Aspetti metabolici. Meccanismi coinvolti nella produzione di metaboliti microbici. Strategie per l'ottenimento di metaboliti microbici.
Terreni colturali e materie prime
Nutrizione microbica (macronutrienti, micronutrienti, fattori di crescita e vitamine). Terreni sintetici e complessi: fonti di C e N in forma pura e grezza.
Impianti industriali utilizzati in biotecnologia
Fermentatori e sistemi di controllo. Recupero dei prodotti di fermentazione: separazione delle cellule (centrifugazione e filtrazione), isolamento del prodotto dal medium di fermentazione (estrazione, adsorbimento, precipitazione, ultrafiltrazione), purificazione del prodotto (precipitazione frazionata, cromatografia), isolamento finale del prodotto (cristallizzazione, essiccamento e liofilizzazione).
Prodotti ottenuti con le biotecnologie classiche
Biomasse microbiche (batteri, lieviti, funghi filamentosi), acidi organici, amminoacidi, enzimi, antibiotici , bioplastiche (poliidrossialcanoati, polilattati).
Processi di separazione a membrana.
Introduzione ai processi a membrana. Definizione di membrana. Classificazione dei principali processi a membrana. Classificazione delle membrane (membrane simmetriche/asimmetriche, porose/dense, composite).
Trasporto nelle membrane. Trasporto attraverso un mezzo poroso: flusso viscoso e flusso di Knudsen. Trasporto attraverso membrane non-porose: modello della diffusione in soluzione.
Fenomeni di polarizzazione e sporcamento.
Preparazione di membrane sintetiche. Membrane da inversione di fase: preparazione per evaporazione, precipitazione termica e precipitazione per immersione. Membrane composite: polarizzazione interfacciale e rivestimento. Modificazione di membrane omogenee. Influenza dei vari parametri sulla morfologia delle membrane. Membrane inorganiche.
Progettazione e moduli. Moduli a piastre. Moduli tubolari. Moduli a spirale avvolta. Moduli a fibre capillari. Moduli a fibre cave. Confronto tra le diverse configurazioni.
Processi industriali a membrana e principali applicazioni: osmosi inversa, ultrafiltrazione, microfiltrazione, separazione di gas, pervaporazione e elettrodialisi.
Processi con fluidi supercritici.
Proprietà dei fluidi supercritici. Equazioni di stato per fluidi supercritici. Solubilità, equilibri di fase e rigonfiamento di polimeri. Effetto di un cosolvente. Tipici processi di estrazione. Deasfaltazione con propano. Processo ROSE. Processo Solexol. Produzione di caffe decaffeinato. Rapida espansione di soluzioni supercritiche (RESS). Precipitazione di un fluido compresso antisolvente (PCA).
Processi di adsorbimento.
Modellazione di un adsorbitore a letto fisso isotermo e criteri di scale-up. Temperature swing adsorption (TSA). Pressure swing adsorption (PSA).
Processi di separazione cromatografici.
Principi base della cromatografia. Tipi di cromatografia. Teoria della cromatografia lineare. Asimmetria e scodamento dei picchi. Risoluzione tra picchi. Selettività, efficienza e numero di piatti teorici. Equazioni per il calcolo dell'altezza dei piatti. Modalità operative: eluizione cromatografica, analisi frontale e sviluppo per spiazzamento (displacement development).

Esercitazioni di calcolo in aula sugli argomenti delle lezioni.
Esercitazioni di laboratorio (processi biotecnologici).

I seguenti testi sono consigliati per chiarimenti sugli argomenti trattati a lezione:
- Baker,Richard W. Membrane technology and applications. Chichester: Wiley, copyr. 2004.
- McHugh,Mark A. Supercritical fluid extraction: principles and practice. Boston: Butterworth - Heinemann, copyr. 1994.
- R.Y.Stanier, J.L. Ingraham, M.L. Wheelis, P.R. Painter, "Il mondo dei microrganismi", Zanichelli, 1993
- B. Alberts, D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, J.D.Watson, "Biologia molecolare della cellula", Zanichelli, 1995
- J.E. Bailey, D.F.Ollis, "Biochemical engineering fundamentals", Mc Graw Hill, 1986
- M.R. Ladisch, Bioseparations engineering: principles, practice and economics", Wiley, 2001
- G. Walsh, "Biopharmaceuticals: biochemistry and biotechnology", Wiley, 2003
- S. Donadio, G. Marino, Biotecnologie microbiche, CEA , 2008
- M. Manzoni "Microbiologia industriale", CEA 2008
- J.E. Smith, "Biotechnology" Fifth edition, Cambridge, 2009
- R.Vismara et al. " Biogas da agrozootecnia e agroindustria" Dario Flaccovio Editore, 2011
- B.E. Logan "Microbial Fuel Cell", Wiley, 2008