L’insegnamento si propone di fornire le conoscenze di base relative ai processi biotecnologici industriali, a partire da fondamenti biochimici e microbiologici.mSaranno affrontate le principali fasi di un processo biotecnologico, dalle operazioni di upstream processing e bioreazione fino alle operazioni di downstream processing, con riferimento alle principali apparecchiature impiegate. Le conoscenze acquisite saranno applicate all’analisi di processi biotecnologici nei settori energetico, ambientale, alimentare e agritech, con particolare riferimento alla produzione sostenibile di bioprodotti ad alto valore aggiunto e fertilizzanti alternativi. L’insegnamento sarà inoltre integrato da attività di laboratorio su processi enzimatici e/o fermentativi condotti in bioreattori, comprendenti preparazione dell’upstream, conduzione della fermentazione e analisi dei risultati sperimentali. Il consolidamento delle conoscenze sarà supportato da visite tecniche, seminari tematici e progetti di gruppo finalizzati a fornire un’introduzione agli aspetti di scelta e dimensionamento preliminare delle apparecchiature per processi biotecnologici e relativa analisi tecno-economica.

L’insegnamento fornisce le conoscenze di base dell’Ingegneria Chimica applicate ai processi biotecnologici industriali, con riferimento ai bioreattori, alle operazioni di upstream e downstream processing e alle principali applicazioni nei settori energetico, ambientale, alimentare e agritech. Al termine dell’insegnamento lo studente dovrà essere in grado di: - applicare bilanci di massa ed energia a bioreattori e processi biotecnologici; - identificare le principali variabili operative che influenzano il funzionamento di un bioreattore; - analizzare strategie di produzione e recupero di bioprodotti; - interpretare semplici problematiche di scale-up di bio-processi industriali; - descrivere e analizzare criticamente semplici processi biotecnologici e le relative soluzioni operative. Lo studente svilupperà inoltre capacità di analisi e apprendimento autonomo attraverso attività di laboratorio, seminari, visite tecniche e progetti di gruppo.

The course provides the basic knowledge of Chemical Engineering applied to industrial biotechnological processes, with reference to bioreactors, upstream and downstream processing operations, and the main applications in the energy, environmental, food, and agritech sectors. At the end of the course, students will be able to: apply mass and energy balances to bioreactors and biotechnological processes; identify the main operating variables affecting bioreactor performance; analyze production and recovery strategies for bioproducts; interpret basic scale-up issues related to industrial bioprocesses; describe and critically analyze simple biotechnological processes and their related operational solutions. Students will also develop analytical and independent learning skills through laboratory activities, seminars, technical visits, and group projects.

PROGRAMMA Il corso introduce i principali processi biotecnologici industriali con riferimento agli aspetti operativi, impiantistici e applicativi. Alcuni richiami di microbiologia e biochimica verranno forniti a supporto della comprensione dei processi. Richiami introduttivi e coltivazione microbica • Biotecnologie industriali e sviluppo sostenibile • Richiami sui microrganismi di interesse industriale • Crescita cellulare e cinetiche di crescita • Formulazione dei terreni di coltura • Metodi di coltivazione: batch, fed-batch e continuo • Principali tipologie di bioreattori Processi biotecnologici e aspetti impiantistici • Operazioni di upstream nei processi fermentativi • Parametri operativi e controllo dei processi fermentativi • Principali operazioni di downstream processing • Principi di scale-up dei bioreattori • Cenni di dimensionamento delle apparecchiature per processi biotecnologici Processi biologici per energia, ambiente e bioprodotti • Digestione anaerobica per la produzione di biogas • Produzione biologica di bioidrogeno tramite dark fermentation • Compostaggio e trattamento di reflui organici e acque reflue in aerobiosi • Produzione di biopolimeri, con particolare riferimento al PHB • Cenni a processi innovativi per la produzione di bioprodotti ad alto valore aggiunto Esercitazioni e attività applicative Le lezioni teoriche saranno integrate da esercitazioni numeriche e applicative finalizzate all’analisi e alla comprensione dei processi trattati, con particolare riferimento ai processi di digestione anaerobica, produzione di bioidrogeno e compostaggio. Saranno inoltre svolte attività sperimentali di laboratorio su processi fermentativi e bioreattori, comprendenti preparazione dell’upstream, conduzione della fermentazione e analisi dei risultati sperimentali. Saranno inoltre presentati casi studio relativi alla sostenibilità di processi biotecnologici mediante approccio Life Cycle Assessment (LCA), con analisi dei risultati e discussione di possibili strategie di miglioramento dei processi. Particolare attenzione sarà dedicata alla stesura di relazioni tecniche, al fine di sviluppare capacità di comunicazione tecnico-scientifica utili per le attività di tesi e per il successivo inserimento nel contesto professionale.

L’insegnamento prevede: lezioni teoriche; esercitazioni numeriche e applicative; esercitazioni di laboratorio mediante utilizzo di bioreattori; attività di approfondimento tramite casi studio, seminari tematici e visite tecniche; progetto di gruppo finalizzato al dimensionamento preliminare di apparecchiature e alla relativa analisi tecno-economica di filiere biotecnologiche. Le attività di laboratorio riguarderanno applicazioni di produzione biologica di bioidrogeno tramite processi di dark fermentation.

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;

Modalita 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 del corso finalizzato a valutare la conoscenza e la comprensione degli argomenti trattati e la capacità di applicare le conoscenze acquisite all’analisi di processi biotecnologici. L’esame consiste in due domande di natura teorica e/o applicativa sui contenuti del corso. Valutazione massima: 20 punti; la valutazione facoltativa di attività sviluppate in gruppo durante il semestre. Le attività potranno comprendere (totale 10 punti): relazioni tecniche relative alle esercitazioni sperimentali di laboratorio sulla produzione biologica di bioidrogeno tramite dark fermentation e alle attività sui processi enzimatici; un mini-progetto riguardante il dimensionamento preliminare e l’analisi tecno-economica di una filiera biotecnologica, con preparazione di un report tecnico ed eventuale presentazione orale. Le attività progettuali e applicative saranno sviluppate durante il semestre mediante momenti dedicati nell’ambito delle lezioni e delle esercitazioni. La partecipazione ad attività integrative quali visite tecniche, seminari ed esercitazioni applicative potrà concorrere alla valutazione finale con un bonus di punteggio. La frequenza alle attività integrative e di laboratorio è fortemente consigliata in considerazione della natura applicativa dell’insegnamento. In caso di periodi di mobilità internazionale e/o impossibilità a frequentare le attività proposte, potrà essere concordato un progetto individuale alternativo.

Gli studenti e le studentesse con disabilita 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'Unita Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione piu idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.