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 varie produzioni biotecnologiche nell’ambito energetico, ambientale, alimentare ed in generale per la produzione di prodotti ad alto valore aggiunto. • Consolidate con esperienze di laboratorio con bioreattori, dalla preparativa (up-stream), alla fermentazione e per concludere con l’analisi dei risultati dei bio-prodotti ottenuti.

L'obiettivo dell'insegnamento è la formazione degli allievi all’utilizzo delle conoscenze di base dell’Ingegneria Chimica per l’analisi e la definizione delle apparecchiature presenti nei processi biotecnologici, per comprendere le basi dei processi produttivi e delle applicazioni biotecnologiche dei catalizzatori biologici, con particolare riferimento alla produzione, manipolazione e recupero dei prodotti. Si focalizza altresì l’attenzione all’impiego di microorganismi nella produzione di molecole definite, tramite la trattazione di processi per un potenziale bio-prodotto nell’ambito della ricerca e sviluppo industriale, oltre che esempi relativi a processi industriali già consolidati. Al termine dell'insegnamento si richiederà allo studente di aver acquisito le tecniche per affrontare problematiche connesse a: • strategie per la produzione e recupero di prodotti biotecnologici; • esecuzione di bilanci di massa e di energia di un bioreattore; • procedimenti di scale-up di bioreattori connessi a bio-produzioni. L'allievo dovrà essere in grado di: • 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.

La comprensione degli impianti biochimici prescinde dalle conoscenze di chimica, biochimica e reattoristica, mentre l’aspetto applicativo delle biotecnologie fa sì che vadano compresi gli aspetti essenziali di un processo industriale. Per questi motivi, il corso è stato strutturato per comprendere le basi dei processi produttivi e delle applicazioni biotecnologiche dei microorganismi/enzimi. Il programma è così composto: Una parte introduttiva su: • Le biotecnologie e lo sviluppo sostenibile: il concetto di bioraffineria nell’economia circolare • Panorama dei prodotti e processi biotecnologici: l’uso industriale dei microorganismi ed i settori delle biotecnologie industriali • Introduzione al mondo dei microorganismi Metodi di coltivazione dei microorganismi: • Crescita cellulare: curva di crescita e relativa cinetica • Metodi di coltivazione (Batch-Fed-Bach e Continuo) • Tipologie di reattori a biomassa sospesa o adesa; esempi • Mixing e scambi di massa/calore in sistemi dispersi; • Formulazione del terreno e l’ossigeno o altri gas come nutritili delle colture Biotrasformazioni: • Impianti per i processi up-stream: sterilizzazione dei terreni di coltura, dell’aria e degli impianti, sterilizzazione termica e chimica, preparazione terreno:fonti di C e N e micronutrienti, inoculo, etc.. Considerazioni di impianto (ambienti controllati, cleaning apparecchiature) • Parametri operativi e di controllo durante la fermentazione; esempi pratici di sensori per il controllo di processi biochimici (tipologia, funzionamento, costo, etc) • Recupero di prodotti biotecnologici: impianti di downstream con focus su processi di separazione (es. cristallizzazione, filtrazione e centrifugazione) • Il miglioramento dei processi produttivi: il miglioramento dei ceppi, dei terreni di coltura e l’ottimizzazione del down-stream • Scale-up del reattore: dalla preparazione dell’inoculo agli aspetti impiantistici Dal Processo industriale alla Ricerca e Sviluppo nei processi industriali: • Le bioenergie: dalla digestione anaerobica per la produzione di biogas e bio-idrogeno al bioetanolo e alla diretta produzione di elettricità tramite Microbial Fuel Cells • Le biotecnologie nell’industria alimentare: esempi di processi vari; processi di produzione di carne sintetica; • Le biotecnologie per l’ambiente: depurazione acque, biorisanamento e valorizzazione reflui •Biotecnologie per la produzione di molecole ad alto valore aggiunto tramite vari approcci biotecnologici (es. microalghe, gas-fermentation, etc.); Esempi di processo per la produzione di proteine, lipidi, PHB, acetato, acetone, prodotti farmaceutici etc

L'insegnamento prevede: • lezioni (tematiche proposte nel programma); • esercitazioni in aula (esempi pratici delle tematiche proposte) • esercitazioni di laboratorio tramite l’utilizzo di bioreattori (es. produzione per via biologica di etanolo, acetone, elettricità tramite Microbial Fuel Cells)

I seguenti testi sono consigliati come riferimento per gli argomenti trattati a lezione: • Biochemical engineering fundamentals, J.E. Bailey, D.F.Ollis, Mc Graw Hill, 1986 • Biotecnologie microbiche, Stefano Donadio, Gennaro Marino, Casa Editrice Ambrosiana, 2008 • Biologia dei microrganismi. Microbiologia generale, ambientale e industriale, Brock, Pearson, 2016 • BioH2 & BioCH4 Through Anaerobic Digestion, B. Ruggeri, T. Tommasi, S. Sanfilippo, “ Springer-Verlag, 2015 - M.L. Shuler, F. Kargi • Biochemical Engineering: A Textbook for Engineers, Chemists and Biologists. 2nd Edition, Shigeo Katoh, Jun-ichi Horiuchi, Wiley-VCH. Verrà altresì fornito il materiale sia di supporto condiviso in aula, che di approfondimento su argomenti specifici trattati a lezione.

Slides; Dispense;

Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato progettuale in gruppo;

Exam: Compulsory oral exam; Group project;

... L’esame finale è costituito da: • un colloquio orale sul programma che possa valutare la conoscenza e la comprensione del 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. Valutazione massima 24 punti. • la valutazione, facoltativa, del progetto sviluppato in gruppo (a seguito delle esperienze di laboratorio) da consegnarsi entro la fine del corso e che sarà sviluppato durante le esercitazioni in aula durante il semestre. Valutazione massima 6 punti.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.