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Biochimica industriale
01QXFMW
A.A. 2020/21
Lingua dell'insegnamento
Italiano
Corsi di studio
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Chimica E Dei Processi Sostenibili - Torino
Organizzazione dell'insegnamento
| Didattica | Ore |
|---|---|
| Lezioni | 54 |
| Esercitazioni in aula | 6 |
Docenti
| Docente | Qualifica | Settore | h.Lez | h.Es | h.Lab | h.Tut | Anni incarico |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Piumetti Marco | Professore Associato | ICHI-02/B | 30 | 0 | 0 | 0 | 7 |
Collaboratori
Didattica
| SSD | CFU | Attivita' formative | Ambiti disciplinari | BIO/10 | 6 | C - Affini o integrative | A11 |
|---|
2020/21
L'insegnamento è rivolto agli studenti del corso di laurea in ingegneria chimica e dei processi sostenibili ed ha i seguenti obiettivi formativi:
- fornire le conoscenze di base sull’attività enzimatica e sui principali microrganismi d’interesse industriale;
- fornire le conoscenze sui biocatalizzatori e bioreattori impiegati nei settori dell’industria alimentare, farmaceutica, biomedica, …
The teaching objectives, aimed at students of the Chemical Engineering and Sustainable Processes Degree Course, are as follows:
- to provide a basic knowledge of enzyme activity and of microorganisms used in industry
- to provide a basic knowledge of the interactions between biocatalysts and bioreactors in various sectors (food industry, pharmaceutical biomedical, ... ).
La conoscenza dei biocatalizzatori, dei microrganismi e delle possibili applicazioni in diverse configurazioni reattoristiche, in forma libera o immobilizzata, per i diversi settori della biocatalisi industriale.
Lo studente dovrà conoscere:
- i concetti fondamentali riguardanti gli enzimi ed i microorganismi
- la biochimica di crescita e di produzione di microorganismi
- le tecniche di immobilizzazione di enzimi e microorganismi
- le tecniche per la valutazione delle cinetiche enzimatiche e di crescita dei microorganismi.
- i criteri di valutazione delle interazioni tra biocatalizzatori e reattori.
- caratteristiche di fermentatori su scala industriale, scale-up di bioreattori: criteri ed analisi critica.
Lo studente dovrà acquisire le conoscenze e la capacità critica per:
- valutare l’interazione tra enzima/microrganismo e reattore.
- selezionare la configurazione reattoristica ottimale per ogni tipologia di biocatalizzatore nelle diverse applicazioni.
- produrre una proposta progettuale su una determinata tematica assegnata.
Basic knowledge of biocatalysts and the possible applications in different reactive configurations in free or immobilised form, in the various sectors of industrial biocatalysis.
The student should know:
- Classification and nomenclature of the enzymes and microorganisms
- The biochemistry of growth and production of microorganisms in biocatalysis
- Techniques of immobilisation of enzymes and microorganisms.
- Techniques for the evaluation of enzyme kinetics and for the growth of industrial microorganisms.
- Evaluation criteria of interactions between biocatalysts and reactors with the aim of envisaging development.
- Characteristics of fermenters on a large scale, scale-up of bioreactors: criteria and critical analysis.
The student should have the knowledge and critical skills needed to:
- choose work methodologies to pass from biochemistry to bioreactor
- choose the best bioreactor configuration for each type of biocatalyst.
- write a project on an assigned subject matter
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-
Biochimica e microbiologia: composizione biochimica della cellula procariotica ed eucariotica e principali molecole di interesse biotecnologico industriale. Biocatalizzatori industriali: enzimi e cellule. Proprietà generali di ribozimi ed enzimi proteici. Amminoacidi, sintesi proteica, livelli strutturali degli enzimi proteici (struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria) e cofattori.
Nomenclatura e classificazione degli enzimi. Specificità e selettività degli enzimi. Proprietà del sito catalitico. Meccanismo cinetico di catalisi. Tipi principali di catalisi: acido-basica, covalente, mediata da metalli. Analisi enzimatica: attività e unità (dosaggio di attività enzimatica, dosaggio quantità dell’enzima, purezza dell’enzima).
Fattori chimico-fisici che influenzano l’attività enzimatica di enzimi isolati o cellule intere. Organismi estremofili (termofili, psicrofili, alofili e barofili) come fonti naturali di enzimi più resistenti a condizioni operative estreme.
Metodi per il miglioramento della biocatalisi: nuovi biocatalizzatori prodotti attraverso tecniche genetico-molecolari e di ingegneria proteica (concetti di base, nuovi sviluppi, limiti e prospettive).
Aspetti generali della biocatalisi: cinetica enzimatica, parametri chimico-fisici che influenzano le cinetiche enzimatiche. Enzimi: valutazione della cinetica apparente; microrganismi: determinazione delle cinetiche di crescita e di produzione. Approcci modellistici descrittivi e predittivi.
Bioreattori: gli enzimi e microorganismi come biocatalizzatori industriali. Interazioni fluodinamiche e biocatalizzatori; il problema della miscelazione; il problema del trasporto di materia e di calore nei bioreattori.
Bioreattori immobilizzati: immobilizzazione enzimatica e immobilizzazioni di cellule e microrganismi; tecniche di immobilizzazione e conseguenze sull’attività; scaling-up del processo di immobilizzazione; sviluppo di bioreattori con biocatalizzatore immobilizzato.
Enzimologia industriale: fonti disponibili per l’estrazione degli enzimi; enzimi naturali da fonti animali, vegetali, batteriche, fungine. Importanza dei microrganismi nell’industria; produzione e purificazione di prodotti biotecnologici; il problema del down-stream.
Esempi applicativi della biocatalisi: industria alimentare, industria farmaceutica, applicazioni medicali e in ambito energetico.
Biochemistry and Microbiology: biochemical composition of procaryotic and eucaryotic cells and main molecules of industrial biotechnological interest. Industrial biocatalysts: enzymes and cells. General properties of ribozymes and protein enzymes. Amino acids, protein synthesis, structural levels of protein enzymes (primary, secondary, tertiary and quaternary structure) and co-factors.
Nomenclature and EC classification of enzymes. Specificity and selectivity of enzymes. Properties of the catalytic site. Kinetic mechanism of catalysis. Main types of catalysis: acid-basic, covalent, mediated by metals. Enzyme analysis: activity and unity (dosage of enzyme activity, dosage of enzyme quantity, purity of the enzyme).
Chemo-physical factors that influence the enzyme activity of isolated enzymes or whole cells. Extremophile organisms (thermophiles, psychrophiles, halophiles and barophiles) as natural sources of enzymes that are more resistant to extreme working conditions.
Methods for improving biocatalysis: new biocatalysts produced by molecular genetic techniques and by protein engineering (basic concepts, new developments, limits and future prospectives).
General aspects of biocataysis: enzyme kinetics, chemo-physical parameters that influence enzyme kinetics.
Enzymes: evaluation of apparent kinetics; microorganisms: determination of the kinetics of growth and production. Descriptive and predictive model approaches.
Bioreactors: enzymes and microorganisms as industrial biocatalysts. Fluid-dynamic interactions and biocatalysts; the problem of mixing; the problem of matter and heat transfer in bioreactors.
Immobilised bioreactors: enzyme immobilisation and immobilisation of cells and microorganisms; immobilisation techniques and consequences for the activity; scaling-up of the immobilisation process; development of bioreactors using immobilised biocatalysts.
Industrial enzymology: available sources for the extraction of enzymes; natural enzymes from animal, plant, bacterial, fungal sources. The importance of microorganisms in industry; production and purification of biotechnological products; the problem of down-stream.
Applied examples of biocatalysis; food industry, pharmaceutical industry, medical and energy applications.
Lezioni, esercitazioni e attività progettuali
Lessons, practical lessons and project activities
Verrà fornita copia del materiale didattico ed illustrativo impiegato durante le lezioni.
Testi suggeriti per approfondimenti degli argomenti trattati a lezione:
- M. Manzoni "Microbiologia industriale", CEA (2008)
- D.L. Nelson, M.M. Cox "Principles of Biochemistry, Lehninger", Macmillan (2017)
- D.L. Nelson, M.M. Cox "Introduzione alla Biochimica di Lehninger", Zanichelli (2018)
Copies of all material taught and illustrated during lectures will be provided.
Recommended texts for in-depth study of subjects covered in class:
- M. Manzoni "Microbiologia industriale", CEA (2008)
- D.L. Nelson, M.M. Cox "Principles of Biochemistry, Lehninger", Macmillan (2017)
- D.L. Nelson, M.M. Cox "Introduzione alla Biochimica di Lehninger", Zanichelli (2018)
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato progettuale in gruppo;
Esame orale con virtual classroom
L'esame consiste in un colloquio orale che ha l’obiettivo di verificare la conoscenza e la comprensione della materia.
In particolare, verrà valutata:
- la conoscenza di base in campo biochimico degli enzimi, dei microrganismi e delle loro applicazioni industriali;
- la conoscenza dei criteri per la definizione e lo sviluppo di bioreattori che utilizzano materiale biologico per applicazioni d’interesse industriale;
- l’analisi critica di differenti alternative processistiche e impiantistiche;
- la capacità di selezionare la configurazione bioreattoristica ottimale per ogni tipologia di biocatalizzatore.
Valutazione massima 20 punti.
Verrà valutata inoltre la qualità dell’elaborato (proposta progettuale) su una determinata tematica assegnata.
Tale elaborato dovrà essere consegnato entro la fine del corso. Valutazione massima 10punti.
Exam: Compulsory oral exam; Group project;
Oral exam via virtual classroom
The exam consists of an oral discussion aimed at checking knowledge and understanding of material covered.
The following, in particular, will be evaluated:
- basic knowledge of enzyme biochemistry, microorganisms and their industrial applications;
- knowledge of the criteria for the definition and the development of bioreactors that use biological material in industrial applications of interest.
- a critical analysis of the different alternative process developments and plant designs;
- the ability to select the best bioreactor configuration for each type of biocatalyst.
Maximum evaluation of 20 points.
A project on an assigned subject matter will also be evaluated.
The project must be handed in by the end of the course. Maximum of 10 points
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato progettuale in gruppo;
Esame orale con virtual classroom
L'esame consiste in un colloquio orale che ha l’obiettivo di verificare la conoscenza e la comprensione della materia.
In particolare, verrà valutata:
- la conoscenza di base in campo biochimico degli enzimi, dei microrganismi e delle loro applicazioni industriali;
- la conoscenza dei criteri per la definizione e lo sviluppo di bioreattori che utilizzano materiale biologico per applicazioni d’interesse industriale;
- l’analisi critica di differenti alternative processistiche e impiantistiche;
- la capacità di selezionare la configurazione bioreattoristica ottimale per ogni tipologia di biocatalizzatore.
Valutazione massima 20 punti.
Verrà valutata inoltre la qualità dell’elaborato (proposta progettuale) su una determinata tematica assegnata.
Tale elaborato dovrà essere consegnato entro la fine del corso. Valutazione massima 10punti.
Exam: Compulsory oral exam; Group project;
Oral exam via virtual classroom
The exam consists of an oral discussion aimed at checking knowledge and understanding of material covered.
The following, in particular, will be evaluated:
- basic knowledge of enzyme biochemistry, microorganisms and their industrial applications;
- knowledge of the criteria for the definition and the development of bioreactors that use biological material in industrial applications of interest.
- a critical analysis of the different alternative process developments and plant designs;
- the ability to select the best bioreactor configuration for each type of biocatalyst.
Maximum evaluation of 20 points.
A project on an assigned subject matter will also be evaluated.
The project must be handed in by the end of the course. Maximum of 10 points