ITALIANO

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
-I file pdf delle diapositive mostrate durante il corso sono condivisi con gli studenti mediante una cartella teams condivisa

OBIETTIVI FORMATIVI: 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. Al termine del corso lo studente deve aver acquisito 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 secondo i descrittori di Dublino di seguito articolati.
CONOSCENZA E COMPRENSIONE: Lo studente deve acquisire una conoscenza teorica delle vie cataboliche microbiche (fermentazioni e respirazione), delle differenze morfologiche e metaboliche tra lieviti, funghi, batteri Gram-positivi e Gram-negativi e della distinzione tra metaboliti primari e secondari; dei metodi di misura della crescita microbica (in relazione alla morfologia); dei modelli cinetici di produzione/consumo in configurazioni batch, fed-batch e continuo, unitamente alle caratteristiche costruttive dei principali bioreattori; dei principi legati al trasporto di massa, alle tecniche di immobilizzazione cellulare/enzimatica, alle colture cellulari animali e alle operazioni unitarie di purificazione a valle.
CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE Lo studente dovrà dimostrare la capacità di applicare la teoria per eseguire calcoli numerici per determinare la velocità di crescita specifica, le rese di conversione e la produttività in processi batch e batch con pulse; dovrà inoltre saper applicare bilanci di massa per rapportare substrati consumati ai prodotti ottenuti (biomassa, metaboliti primari). Dovrà quantificare i fattori di purificazione, il recupero e l'efficienza delle tecniche di downstream trattate a lezione.
AUTONOMIA DI GIUDIZIO: Lo studente dovrà sviluppare la capacità di valutare la coerenza logica e numerica dei risultati ottenuti durante lo svolgimento degli esercizi e nel confrontare criticamente, dal punto di vista teorico, i vantaggi e gli svantaggi di diverse strategie fermentative o tecniche di purificazione per un determinato prodotto.
ABILITA’ COMUNICATIVE Lo studente dovrà essere in grado descrivere tutte le fasi di un processo biotecnologico utilizzando la terminologia tecnica appropriata. Dovrà inoltre dimostrare la capacità di redigere un report sintetico e strutturato sull'esperienza di laboratorio, integrando l'analisi dei dati empirici con il background teorico del corso.
CAPACITA’ DI APPRENDIMENTO
Lo studente svilupperà capacità di assimilare in autonomia concetti che gli consentiranno di approfondire e aggiornare le proprie conoscenze nel campo delle biotecnologie industriali, anche attraverso la consultazione critica della letteratura scientifica di settore.

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 e orale.
Allo studente saranno sottoposti esercizi e domande teoriche aperte per un totale di 7 domande da svolgere in 45 minuti. Sono esonerati dalla prova scritta gli studenti che hanno superato le prove in itinere durante lo svolgimento delle lezioni. La prova orale ha una durata media di 20 minuti e consiste in un colloquio articolato per approfondire gli argomenti trattati durante il corso.
Criteri per l’attribuzione del voto:
<18 Non superato: lo studente non dimostra risultati coerenti con i descrittori di conoscenza e comprensione, applicazione, giudizio, comunicazione e capacità di apprendere.
18-21 Livello sufficiente: lo studente raggiunge i descrittori di base relativi alla conoscenza e comprensione dei contenuti fondamentali e mostra una prima capacità di applicazione in contesti semplici.
22-24 Livello pienamente sufficiente: lo studente soddisfa i descrittori di conoscenza e comprensione applicate, mostrando capacità di applicare concetti chiave correttamente e iniziare ad analizzare criticamente situazioni pertinenti ai temi dell’insegnamento.
25-26 Livello buono: lo studente dimostra autonomia di giudizio nel valutare e confrontare scenari pertinenti, applica conoscenze in modo efficace e comunica risultati con chiarezza, riflettendo competenze più consolidate.
27-29 Livello molto buono: lo studente soddisfa in modo avanzato i descrittori dei cinque ambiti, con padronanza dei contenuti, capacità di valutare criticamente casi complessi e abilità comunicative solide.
30 Livello eccellente: lo studente eccelle in tutti i descrittori di Dublino, con capacità di apprendere in modo continuo e creativo, conoscenza approfondita, applicazione sicura e critica, comunicazione efficace e dimostrando elevata qualità sia nella prova scritta che in quella orale.
La lode può essere attribuita quando lo studente dimostra, oltre a quanto sopra, particolare originalità, approfondimento nella discussione orale, superando le aspettative.

Come integrazione all’apprendimento il corso prevede inoltre la partecipazione ad attività pratica di laboratorio in cui gli studenti svolgeranno un esperimento (o parte di esso) della durata di 6-8 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.
Durante il corso gli studenti avranno la possibilità di sostenere due prove scritte, valide ai fini dell’esame, basata sugli esercizi e argomenti già trattati al corso.
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 main topics of the module of “Chemical biology of fermentation” 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 pdf files of the slides are shared with the students in a virtual teams folder

LEARNING OBJECTIVES. 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.
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 in accordance with the Dublin Descriptors outlined below.
KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING The student must acquire a theoretical knowledge of: Microbial catabolic pathways (fermentations and respiration); Morphological and metabolic differences among yeasts, fungi, Gram-positive, and Gram-negative bacteria;The distinction between primary and secondary metabolites; Methods for measuring microbial growth (in relation to morphology); Kinetic models of production/consumption in batch, fed-batch, and continuous configurations, alongside the structural characteristics of the main bioreactors; Principles related to mass transfer, cellular/enzymatic immobilization techniques, animal cell cultures, and downstream purification unit operations.
APPLYING KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING
The student will need to demonstrate the ability to apply theory to perform numerical calculations to determine the specific growth rate, conversion yields, and productivity in batch and pulsed batch processes; they must also know how to apply mass balances to relate consumed substrates to the products obtained (biomass, primary metabolites). They will need to quantify purification factors, recovery, and the efficiency of the downstream techniques covered in class
MAKING JUDGEMENTS
The student will need to develop the ability to evaluate the logical and numerical consistency of the results obtained during the exercises and to critically compare, from a theoretical standpoint, the advantages and disadvantages of different fermentation strategies or purification techniques for a given product.
COMMUNICATION SKILLS
The student will need to be able to describe all the stages of a biotechnological process using appropriate technical terminology. They must also demonstrate the ability to write a concise and structured report on the laboratory experience, integrating the analysis of empirical data with the theoretical background of the course.

LEARNING SKILLS The student will develop the ability to independently assimilate concepts that will enable them to deepen and update their knowledge in the field of industrial biotechnology, including through the critical consultation of relevant scientific literature.

Information provided by the Biochemistry and Microbiology courses
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 achieving a grade of at least 18/30 on both the written and oral exams.
Students will be given exercises and open-ended theoretical questions for a total of 7 questions to be completed in 45 minutes. Students who passed the mid-term tests during the course are exempt from the written exam. The oral exam lasts an average of 20 minutes and consists of an interview designed to delve deeper into the topics covered during the course.
Grading criteria:
<18 Fail: the student does not demonstrate results consistent with the descriptors of knowledge and understanding, application, judgement, communication, and learning skills.
18–21 Sufficient level: the student meets the basic descriptors relating to knowledge and understanding of the fundamental content and shows an initial ability to apply it in simple contexts.
22–24 Fully sufficient level: the student meets the descriptors of applied knowledge and understanding, showing the ability to correctly apply key concepts and beginning to critically analyze situations relevant to the course topics.
25–26 Good level: the student demonstrates independent judgement in evaluating and comparing relevant scenarios, applies knowledge effectively, and communicates results clearly, reflecting more consolidated competences.
27–29 Very good level: the student meets the descriptors of all five areas at an advanced level, with mastery of the content, the ability to critically evaluate complex cases, and strong communication skills.
30 Excellent level: the student excels in all the Dublin descriptors, demonstrating the ability to learn continuously and creatively, comprehensive knowledge and understanding, confident and critical application of knowledge, and effective communication skills, while achieving an outstanding standard in both the written and oral examinations.
Honours (cum laude) may be awarded when, in addition to the above, the student demonstrates exceptional originality, depth of analysis in the oral discussion, and performance that exceeds expectations.

As a supplementary learning activity, the course also includes participation in a practical laboratory activity where students will carry out an experiment (or part of it) lasting 6-8 hours.
Students will be divided into groups of 4-6 and will participate in experiments on topics covered during the course (e.g., growth in shake flasks, setup of a fermentation process, monitoring of microbial growth in a fermenter, monitoring of microbial metabolism via HPLC analysis during the growth process, purification of the metabolite of interest from the fermentation broth, etc.). Each group will have to submit a report that will be evaluated by the instructor, and the mark obtained will be an integral part of the final exam grade.
Students may make use of the teaching materials (lecture slides, handouts, exercises, etc.) sent by the instructor to the students.
During the course, students will have the opportunity to take two written tests, valid for the exam, based on the exercises and topics already covered in class.
The professor is available for student office hours upon request sent via 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.