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PORTALE DELLA DIDATTICA

Biotechnological products and processes

01SSCMW

A.A. 2018/19

Course Language

Italian

Course degree

Master of science-level of the Bologna process in Chemical And Sustainable Processes Engineering - Torino

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 48
Esercitazioni in aula 6
Esercitazioni in laboratorio 6
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Ruggeri Bernardo Professore Associato ING-IND/25 48 0 0 0 2
Teaching assistant
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Context
SSD CFU Activities Area context
ING-IND/25 6 B - Caratterizzanti Ingegneria chimica
2018/19
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.
The course aims to provide the basic knowledge for the development of the equipments present in a biotechnological process giving the necessary biochemical and microbiological knowledge. Understanding will be provided on the unit operations of up-flow, bioreaction and down-flow of a biotechnological process. The knowledge provided will be applied by the analysis of three biotechnological processes: energy/environmental, medical/ pharmaceutical and agri-food sectors.
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
The aim of the course is to train the students to use the basic knowledge of Chemical Engineering for the analysis and definition of the equipment present in the biotechnological processes, with particular attention to the production, handling and recovery of the products. At the end of the course the student will be asked to have acquired the techniques to analyze problems related to: - execution of mass and energy balances of a bioreactor - strategies for the production and recovery of biotechnological products - knowledge and prediction of dis-homogeneities of real reactors from ideal ones - scale-up and scale-down procedures of bioreactors connected to bioproductions. The student must be able to perform the following activities: - analysis and modeling of complex systems (interactions between abiotic and biotic phases) - predict and define the significant variables for the operation of a bioreactor - define and quantify the deviation of a real bioreactor from an ideal one for forecasting purposes
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.
Knowledge of the fundamentals of biochemistry and microbiology. Knowledge of both the biological enzymatic kinetics and the evolutionary kinetics of a microorganism or cell. Mastery of thermodynamics in particular of the chemical one. Mastery of the principles of chemical reactor, ideal reactors: batch, CSTR and plug-flow. Mastery of unit operations of the chemical industry. Knowledge of the principles of numerical calculation.
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).
Overview of biotechnological products and processes: quantity, quality, fields of application. Characteristics of biocatalysts: interactions with engineering variables, real behavior of biocatalysts, the problem of stress on biocatalysts, analysis of nutritional needs, micro and macro morphology. Production of biotechnological products: enzymatic type, coupled to the growth of microorganisms: primary, secondary, complex; internal cells, external; liquids, gaseous. Bioreactor issues related to the nature of the biocatalyst: enzymatic, single microorganism, mixed populations, genetically modified; aerobic, anaerobic. Material and energy balances: stoichiometry of growth and product formation, forecasts of transformation efficiencies. Bioreactor design equations: batch, fed-batch, continuous; effects of spatial dis-homogeneity on the performances of the bioreactor; mixing and stress; performance analysis of the different bioreactor types. Multi-scale and dynamic modeling of bioprocesses: from the pico-reactor to the large-scale reactor; use of fuzzy techniques in bioprocess modeling. Up-flow operations: culture media and raw materials, synthetic media: sources of C and N and micronutrients; complex media formulation, culture broths; the problems of sterilization: broth, air and plants. Down-flow operations, recovery of fermentation products: separation of the cells, isolation of the product from the fermentation medium, product purification, final product isolation. Control of bioprocesses, sensors, measures and control chain: how and why. Examples of biotechnological products obtained with large-scale biotechnology: antibiotics, organic acids, enzymes; recombinant DNA biotechnology: production of γ-interferon; Adeno-associated Virus (AAV); energy biotechnologies: bioethanol, methane, hydrogen; presentation and problems of two emerging bioprocesses: photo-bioproductions and bio-electrochemical systems (BES).
L'insegnamento prevede lezioni ed esercitazioni in aula e di laboratorio
The course includes lectures and exercises in the classroom and laboratory
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.
Required or recommended texts: readings, handouts, other educational material The following texts are recommended as a reference for the topics covered in class: - 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 Will also be provided: both material used in the classroom and in-depth study on specific topics covered in class.
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.
Exam: compulsory oral exam;
The exam is aimed at ascertaining the knowledge of the topics listed in the official program of the course and the ability to apply the knowledge acquired in the analysis of the performances of real bioreactors in the presence of different types of biocatalysts and under different operating conditions. The exam consists of one or two questions or of a theoretical or applicative nature on a specific case. The evaluation is expressed in thirtieths and the exam is passed if the score is at least 18/30. The exam aims to verify the above skills (see Expected learning outcomes); during the examination it is not possible to exclude the execution of a calculation exercise that requires the necessity to make operative choices for its resolution. Also, the request for the analysis of a "traditional" problem by means of the fuzzy logic transcription is not excluded. The duration of the test is approximately 1 hour.


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