L'insegnamento si propone di fornire le conoscenze di base per lo sviluppo delle apparecchiature presenti in un processo biotecnologico a partire da conoscenze biochimiche e microbiologiche. Verranno fornite le conoscenze relative alle operazioni unitarie di up-flow, bioreazione e down-flow di un processo biotecnologico. Le conoscenze fornite verranno esemplificate dall’analisi di tre produzioni biotecnologiche: energetico/ambientale, medico/farmaceutico e agroalimentare.

L'obiettivo dell'insegnamento è la formazione degli allievi all’ utilizzo delle conoscenze di base dell’ Ing. Chimica per l’analisi e la definizione delle apparecchiature presenti nei processi biotecnologici, con particolare riferimento alla produzione, manipolazione e recupero dei prodotti. Al termine dell'insegnamento si richiederà allo studente di aver acquisito le tecniche per affrontare problematiche connesse a: - esecuzione di bilanci di massa e di energia di un bioreattore - strategie per la produzione e recupero di prodotti biotecnologici - conoscenza e previsione delle disomogeneità di reattori reali da quelli ideali - procedimenti di scale-up e scale-down di bioreattori connessi a bioproduzioni. L'allievo dovrà essere in grado di eseguire le seguenti attività: - analisi e modellazione di sistemi complessi (interazioni tra fasi abiotiche e biotiche) - prevedere e definire le variabili significative per il funzionamento di un bioreattore - definire e quantificare lo scostamento di un bioreattore reale da uno ideale a fini previsionali

Conoscenza dei fondamenti di biochimica e microbiologia. Conoscenza sia delle cinetiche biologiche enzimatiche che della cinetica evolutiva di un microorganismo o cellula. Padronanza della termodinamica in particolare di quella chimica. Padronanza dei principi della reattoristica chimica, reattori ideali: batch, CSTR e plug-flow. Padronanza delle operazioni unitarie dell'industria chimica. Conoscenza dei principi del calcolo numerico.

Panorama dei prodotti e processi biotecnologici: quantità, qualità, campi di applicazione. Caratteristiche dei biocatalizzatori: interazioni con variabili ingegneristiche, comportamento reale dei biocatalizzatori, il problema degli stress sui biocatalizzatori, analisi delle necessità nutrizionali, micro e macro morfologia. Produzione di prodotti biotecnologici: di tipo enzimatico, accoppiati alla crescita di microorganismi: primari, secondari, complessi; interni alle cellule, esterni; liquidi, gassosi. Problematiche bioreattoristiche legate alla natura del biocatalizzatore: enzimatico, singolo microorganismo, popolazioni miste, geneticamente modificato; aerobico, anaerobico. Bilanci di materia ed energia: stechiometria della crescita e formazione di prodotti, previsioni delle efficienze di trasformazione. Equazioni di progetto del bioreattore: batch, fed-batch, continuo; effetti delle disuniformità spaziali sulle prestazioni del bireattore; miscelazione e stress; analisi prestazionale delle diverse tipologie bioreattoristiche. La modellazione multi-scala e dinamica dei bioprocessi: dal pico reattore al reattore su larga scala; uso di tecniche fuzzy nella modellazione dei bioprocessi. Le operazioni di up-flow: terreni colturali e materie prime, terreni sintetici: fonti di C e N e micronutrienti; terreni complessi formulazione, dei brodi di coltura; le problematiche di sterilizzazione: dei terreni, dell’aria e degli impianti. Le operazioni di down-flow, recupero dei prodotti di fermentazione: separazione delle cellule, isolamento del prodotto dal medium di fermentazione, purificazione del prodotto, isolamento finale del prodotto. Il controllo dei bioprocessi, sensori, misure e catena di controllo: come e perché. Esempi di prodotti biotecnologici ottenuti con biotecnologie su larga scala: antibiotici, acidi organici, enzimi; biotecnologia del DNA ricombinante: produzione di interferone-γ; Adeno-associated Virus (AAV); biotecnologie energetiche: bioetanolo, metano, idrogeno; presentazione e problematiche di due bioprocessi emergenti: le photobioproduzioni e i sistemi bioelettrochimici (BES).

L'insegnamento prevede lezioni ed esercitazioni in aula e di laboratorio

I seguenti testi sono consigliati come riferimento per gli argomenti trattati a lezione: - J.E. Bailey, D.F.Ollis, "Biochemical engineering fundamentals", Mc Graw Hill, 1986 - B. Ruggeri, T. Tommasi, S. Sanfilippo, “BioH2 & BioCH4 Through Anaerobic Digestion”, Springer-Verlag, 2015 - M.L. Shuler, F. Kargi, “ Bioprocess Engineering”, Prentice Hall, 1992 - M.R. Ladisch, “Bioseparations engineering: principles, practice and economics", Wiley, 2001 - Timothy J. Ross, “FUZZY LOGIC WITH ENGINEERING APPLICATIONS”, John Wiley & Sons, 2010 Verranno altresì forniti: sia materiale utilizzato in aula che di approfondimento su argomenti specifici trattati a lezione.

Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;

L’esame è volto ad accertare la conoscenza degli argomenti elencati nel programma ufficiale del corso e la capacità di applicare le conoscenze acquisite nell'analisi del funzionamento di bioreattori reali in presenza di diverse tipologie di biocatalizzatori e sotto diverse condizioni operative. L'esame consiste in una o due domande o di natura teorica o applicativa su un particolare specifico caso. La valutazione è espressa in trentesimi e l’esame è superato se la votazione riportata è di almeno 18/30. L’esame si pone l’obiettivo di verificare le competenze di cui sopra (cfr Risultati dell’apprendimento attesi); durante l'esame non è da escludere l'esecuzione di un esercizio di calcolo che richiede la necessità di operare delle scelte operative per la sua risoluzione. Altresì non è esclusa la richiesta dell'analisi di un problema "tradizionale" mediante la trascrizione in logica fuzzy. La durata della prova è di circa 1 ora. Verrà svolto in remoto con le modalità illustrate nel DR n. 271 del 28 febbraio 2020.

Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;

L’esame è volto ad accertare la conoscenza degli argomenti elencati nel programma ufficiale del corso e la capacità di applicare le conoscenze acquisite nell'analisi del funzionamento di bioreattori reali in presenza di diverse tipologie di biocatalizzatori e sotto diverse condizioni operative. L'esame consiste in una o due domande o di natura teorica o applicativa su un particolare specifico caso. La valutazione è espressa in trentesimi e l’esame è superato se la votazione riportata è di almeno 18/30. L’esame si pone l’obiettivo di verificare le competenze di cui sopra (cfr Risultati dell’apprendimento attesi); durante l'esame non è da escludere l'esecuzione di un esercizio di calcolo che richiede la necessità di operare delle scelte operative per la sua risoluzione. Altresì non è esclusa la richiesta dell'analisi di un problema "tradizionale" mediante la trascrizione in logica fuzzy. La durata della prova è di circa 1 ora. Verrà svolto in remoto con le modalità illustrate nel DR n. 271 del 28 febbraio 2020.