L'insegnamento, rivolto agli studenti del corso di laurea in ingegneria chimica e dei processi sostenibili, ha i seguenti obiettivi formativi:
- fornire le conoscenze di base dell’attività enzimatica e dei microorganismi quali sistemi biologici complessi
- fornire le conoscenze di base delle interazioni tra biocatalizzatori e bioreattori in differenti settori (industria alimentare, farmaceutica/biomedica, energetico, ecc.).

La conoscenza di base dei biocatalizzatori e delle possibili applicazioni in diverse configurazioni reattoristiche in forma libera o immobilizzata, in diversi settori della biocatalisi industriale.
Lo studente dovrà conoscere:
- la classificazione e nomenclatura degli enzimi e dei microorganismi
- la biochimica di crescita e di produzione di microorganismi nella biocatalisi
- le tecniche di immobilizzazione di enzimi e microorganismi
- le tecniche per la valutazione delle cinetiche enzimatiche e di crescita dei microorganismi industriali
- i criteri di valutazione delle interazioni tra biocatalizzatore e reattore al fine di prevederne lo sviluppo
- caratteristiche di fermentatori su larga scala, scale-up di bioreattori: criteri ed analisi critica.

Lo studente dovrà acquisire le conoscenze e la capacità critica per:
- selezionare le metodologie di lavoro per passare dalla biochimica al bioreattore
- selezionare la configurazione bioreattoristica ottimale per ogni tipologia di biocatalizzatore.
- produrre un elaborato di approfondimento (articolo divulgativo) su una determinata tematica assegnata.

Programma

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 EC 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 la cinetica enzimatica. 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 campo energetico.

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)
- A. Illanes "Enzyme Biocatalysis. Principles and Application", Springer (2008)

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 24 punti.
Verrà valutata inoltre la qualità dell’elaborato di approfondimento (articolo divulgativo) su una determinata tematica assegnata.
Tale elaborato dovrà essere consegnato entro la fine del corso. Valutazione massima 6 punti.