ITALIANO

L’esame è organizzato in due moduli, ognuno da 6 CFU.
Gli argomenti principali del modulo di “Chimica biologica delle fermentazioni” sono i seguenti:
Introduzione alle biotecnologie delle fermentazioni; Determinazione della crescita microbica; Metabolismo microbico; Tipi di Bioreattori; Tecnologie fermentative; Immobilizzazione e bioconversione; Processi di purificazione; Cenni di colture cellulari; Esempi applicativi.

-Dispense fornite dal docente
-Biotecnologie microbiche, Autori Stefano Donadio e Gennaro Marino
-Bioprocess technology Fundamentals and Applications, Autori Sven-Olof Enfors and Lena Haggstrom Casa editrice Hogskoletryckerier- Stockolm
-Biochemical engineering fundamentals , Autori Bailey ed Ollis Casa editrice McGraw-Hill,
-Biotecnologie e chimica delle fermentazioni, Autori Alberto Tagliaferro e Celeste Grande

L’insegnamento si prefigge di fornire la conoscenza di base delle biotecnologie microbiche attraverso lo studio del metabolismo, delle cinetiche di crescita microbica e dei processi di upstream e di downstream per la produzione e purificazione di molecole target fino alla scala pilota nell’ottica di sviluppare un processo biotecnologico.
Al termine del corso lo studente deve aver compreso le tecniche di base per lo sviluppo di un processo biotecnologico di produzione di biomasse microbiche e prodotti di interesse ad elevato valore aggiunto considerando aspetti quali la scelta (i) del microrganismo e del tipo di substrato (ii) del bioreattore e del processo di fermentazione (iii) delle strategie di purificazione della biomolecola di interesse applicativo al fine di massimizzarne le rese ed i recuperi.

Conoscenze fornite dal Corso di Biochimica e Microbiologia
In particolare lo studente dovrà conoscere le vie metaboliche centrali del carbonio e dovrà aver acquisito i concetti base di microbiologia

Il corso è articolato in 48 ore di lezioni frontali svolte dal docente che oltre alla parte teorica mostrerà la risoluzione degli esercizi che faranno parte della prova di esame.

Il superamento del modulo richiede l’ottenimento di una votazione di almeno 18/30 alla prova scritta, della durata di 90 minuti, e/o orale.
Allo studente saranno sottoposti esercizi e domande teoriche. Lo studente dovrà dimostrare la capacità di descrivere un processo biotecnologico e distinguerne le diverse fasi focalizzandosi sulla descrizione dei bioreattori e delle diverse strategie fermentative e sulla scelta delle tecniche di purificazione adatte.
Il voto conseguito sarà mediato, mediante media aritmetica, con il voto del modulo di “Ingegneria delle reazioni”.

Come integrazione all’apprendimento il corso prevede inoltre la partecipazione obbligatoria ad attività pratica di laboratorio in cui gli studenti svolgeranno un esperimento (o parte di esso) della durata di 8 ore.
Gli studenti saranno divisi in gruppi di 4-6 e parteciperanno ad esperimenti su argomenti svolti durante il corso (es. crescita in beuta; allestimento di un processo di fermentazione; monitoraggio della crescita microbica in fermentatore; monitoraggio del metabolismo microbico tramite analisi HPLC nel corso del processo di crescita; purificazione del metabolita di interesse dal brodo di fermentazione etc). Ogni gruppo dovrà consegnare una relazione che sarà valutata dal docente e il voto conseguito sarà parte integrante del voto finale d’esame.
Lo studente potrà avvalersi del materiale didattico (slide delle lezioni, dispense, esercizi, ecc.) inviato dal docente agli studenti.
Il docente è disponibile per ricevimento studenti su richiesta inoltrata via email.

Introduzione alle biotecnologie delle fermentazioni:
Misura della crescita microbica: metodi diretti ed indiretti (turbidimetria, attività metabolica, peso secco, conta totale e conta vitale), Crescita microbica, Rappresentazione grafica di crescita e produzione, Velocità di crescita e velocità di crescita specifica, Esigenze nutrizionali, Preparazione di terreni definiti e complessi, Bilancio di massa e stechiometria della crescita microbica, Concetto di resa di conversione e produttività.
Metabolismo microbico:
Concetti base del metabolismo, Fermentazione e respirazione, Vie centrali del catabolismo, Cenni di catabolismo ed anabolismo di proteine e lipidi, Fermentazione alcolica, lattica, propionica ed acido mista, Metaboliti primari e secondari, Esempi di metabolismo: gram positivi, gram negativi, lieviti
Il bioreattore e le tecnologie fermentative:
Descrizione dei bioreattori (STR, Airlift, Bubble column, Plug flow, Photobioreactor, Perfusion bioreactor), Controllo dei parametri di fermentazione, Trasporto di massa nei bioreattori, Processi di tipo batch, fed-batch e continui, Modelli cinetici di produzione di biomassa, consumo di substrato e produzione di metabolita primario in batch, fed-batch e continuo, Bioreattori innovativi, scale-up del processo.
Immobilizzazione e Bioconversione:
Processi di bioconversione, Tecniche fisiche e chimiche di immobilizzazione, Enzimi e/o cellule immobilizzate, Reattori con cellule/enzimi immobilizzati.
Processi di purificazione:
Centrifugazione , Filtrazione, Estrazione, Cromatografia, Essicamento-liofilizzazione, Concetto di recupero, estrazione e purificazione.
Cenni di colture cellulari:
Colture cellulari in sospensione ed adesione, Microcarries, Problematiche legate all’uso di cellule animali, Bioreattori adatti a cellule animali, Bioreattori monouso.

Esempi applicativi:
Produzione di biofules, Produzione di antibiotici.

Esercitazioni:
Calcolo della velocita di crescita, Calcolo delle rese e della produttività in processi di tipo batch, Calcolo delle rese in processi batch con pulse, Stechiometria cellulare, fattori di purificazione.

Italian

The exam is organized into two modules, each having 6 CFU.
The main topics of the module of “Chemical biology of fermnentation” are the following:
Introduction to fermentation biotechnology; Determination of microbial growth; Microbial metabolism; Bioreactor types; Fermentation technology; Immobilization and Bioconversion; Downstream processes; Animal cell cultures; Examples of industrial processes.

-Material provided by the professor
-Biotecnologie microbiche, Autori Stefano Donadio e Gennaro Marino
-Bioprocess technology Fundamentals and Applications, Autori Sven-Olof Enfors and Lena Haggstrom Casa editrice Hogskoletryckerier- Stockolm
-Biochemical engineering fundamentals , Autori Bailey ed Ollis Casa editrice McGraw-Hill,
-Biotecnologie e chimica delle fermentazioni, Autori Alberto Tagliaferro e Celeste Grande

The course aims to provide the basic knowledge of microbial biotechnology through the study of metabolism, microbial growth kinetics and upstream and downstream processes for the production and purification of target molecules up to the pilot scale in order to develop a biotechnological process.
By the end of the course the student should have gained the basic understanding of a biotechnological process for the production of microbial biomasses or related high added value products considering the selection of (i) the host strain and the substrates for growth (ii) bioreactor type and fermentation process (iii) purification strategy, in order to maximize the yields and recovery of the product.

Information provided by the Biochemistry and Microbiology courses
In particular the student will have to know the central catabolic and anabolic pathways and have acquired the basic concepts of microbiology

The course is divided into 48 hours of lectures conducted by the teacher who in addition to the theoretical part will show the resolution of the exercises that will be part of the exam.

Passing the module requires obtaining a vote of at least 18/30 on the 90-minute written and/or oral exam. The student will be asked to solve exercises and open-ended questions on the theory, applying the acquired knowledge. The student will have to demonstrate the understanding of a biotechnological process and description of the main operation units with a specific focus on bioreactor design, different fermentation strategies and on the choice of suitable purification techniques.
Anaverage between "Biological chemistry of fermentations" and the “Reaction engineering” module will give the final result.

In addition to learning, the course also includes compulsory participation in a practical laboratory activity in which the students will carry out an experiment (or part of it) lasting 8 hours.
Students will be divided into groups of 4-6 and will participate in experiments on topics carried out during the course (e.g. growth in a flask; preparation of a fermentation process; monitoring of microbial growth in fermenters; monitoring of microbial metabolism through HPLC analysis during the course of the growth process; purification of the metabolite of interest from the fermentation broth etc). Each group must submit a report that will be evaluated by the professor and the grade obtained will be an integral part of the final exam grade.
Didactic material (lecture slides, lecture notes, exercises, etc.) will be sent to the students.
The professor is available for reception; requests for appointments should be sent by email.

Introduction to biotechnology of fermentations:
Measurement of microbial growth: direct and indirect methods (turbidimetry, metabolic activity, dry weight, total count, viability count), Microbial growth, Graphical representation of growth and production, Specific growth rate, Nutritional requirement, Preparation of defined-semidefined and complex media, Mass balance and stoichiometry of microbial growth, Yield and productivity.

Microbial metabolism:
Basic concepts of metabolism, Fermentation and respiration, Catabolic central pathways, Catabolism and anabolism of protein and lipids, Lactic-alcoholic-propionic and mixed acid fermentation, Primary and secondary metabolites. Examples: gram positive, gram negative, yeasts.
The bioreactor and fermentation technology:
Bioreactors (STR, Airlift, Bubble column, Plug flow, Photobioreactor, Perfusion bioreactor), Control of fermentation parameters, Mass transport in bioreactors, Batch-Fedbatch and Chemostats, Kinetic models for biomass production, substrate consumption and production of primary metabolites during batch, fed-batch and continuous processes, Innovative bioreactors, Process scale-up.

The bioreactor and fermentation technology:
Bioreactors (STR, Airlift, Bubble column, Plug flow, Photobioreactor, Perfusion bioreactor), Control of fermentation parameters, Mass transport in bioreactors, Batch-Fedbatch and Chemostats, Kinetic models for biomass production, substrate consumption and production of primary metabolites during batch FB and continuous processes, Innovative bioreactors, process scale-up.

Immobilization and Bioconversion:
Bioconversion, Physical and chemical immobilization strategies, Immobilized enzymes/cells, Reactors with immobilized enzymes/cells.
Purification processes:
Centrifugation, Filtration, Extraction, Chromatography, Essiccation-Lyophilization, Recovery.

Basic concepts in cell cultures:
Growth of cell in suspension or adhesion, Microcarriers, Issues connected to the use of animal cells, Bioreactors for animal cells, Monouse bioreactors.

Application examples:
Production of biofuels, Production of antibiotics.

Excercises:
Calculating the growth rate, the yield and productivity in batch processes, Calculating the yield in fedbatch processes, Cell stoichiometry, Purification fold.