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Fondamenti dei Processi Biologici Industriali


Denominazione del corso: Fondamenti dei Processi Biologici Industriali
Corso di studi: I4H - Laurea magistrale in Ingegneria Chimica
Quadrimestre/Semestre:
Anno:
Numero di moduli: 0
Crediti: 9
Ore: 90
Tipologia: B - Attività caratterizzanti
Struttura: monodisciplinare
Settore Scientifico Disciplinare: ING-IND/24 (Principi Di Ingegneria Chimica)

Docente: Maria Cantarella (90 ore). Titolo copertura: cattedra (prof. ordinario)
Orario di ricevimento: Mercoledì 10-12, Giovedì 10-12


Programma sintetico del corso:

- Materie prime per i processi biologici. Composizione, pretrattamenti per renderle accessibili all’attacco enzimatico. - Fermentazione etanolica: Lieviti industriali e microrganismi alternativi, loro metabolismo aerobico ed anaerobico; Effetto dei parametri (nutriente limitante, prodotti secondari, pH, temperatura) sulla velocità di crescita e di produzione dell’etanolo; Brodi sintetici e industriali; Fermentazione batch, continue e in serie con e senza riciclo di lievito, processo biostil; Innovazioni (dialisi, flash…); Separazione etanolo-acqua; Produzione di biodiesel e di ETBE. - Modelli cinetici per fermentazioni batch, continue, con prodotto associato, non-associato ed in parte associato alla crescita. Equazioni cinetiche (Monod, Haldane…) e produttività. - Sterilizzazione: Competizione tra microrganismi; Cinetica di distruzione dei nutrienti, delle cellule vegetative e spore; Curve di sopravvivenza; Sterilizzazione batch e continua; Scelta del criterio di sterilizzazione. - Purificazione delle proteine: Metodi (Precipitazione, centrifugazione, cromatografie varie, stabilizzazione, e concentrazione criteri di purezza) ed analisi da adottare durante le fasi di purificazione. Produzione di proteine terapeutiche. - Processi ambientali : caratteristiche dei reflui, processi a fanghi attivi, vie metaboliche implicate, ricircolo dei fanghi, nitrificazione denitrificazione e modelli cinetici. Per ciascun argomento vengono analizzati i flow-sheet industriali. Sono previste delle esercitazioni in laboratorio

Programma esteso del corso:

Link Programma completo (PDF)    (Aggiornato il 1-10-2018)

Il corso è finalizzato alla formazione degli allievi verso la conoscenza dei principali processi biologici industriali, prevalentemente impiegati nell'industria alimentare, farmaceutica e nella protezione ambientale A- LEZIONI FRONTALI • Presentazione degli argomenti che saranno trattati nel corso • Biocatalizzatori Enzimi: potere catalitico, efficienza, specificità. Fattori che influenzano l'attività enzimatica, [P], [E], [S] vs t. • Cinetica enzimatica- meccanismo di azione: Effetto della concentrazione del substrato sulla velocità di reazione. Equazione cinetica. Significato dei parametri cinetici. • Cinetica enzimatica- parametri cinetici: Metodi grafici per la valutazione dei parametri cinetici. Adimensionalizzazione dell'eq. Michaelis-Menten. • Metabolismo aerobico - Glicolisi,- ciclo di Krebs, - respirazione dei lieviti e resa energetica. • Cenni storici sulla fermentazione a etanolo: Cenni storici, microorganismi coinvolti nella produzione industriale e microorganismi alternativi. Vie metaboliche confronto e rese energetiche • Crescita binaria: Modello matematico, rappresentazione grafica. Velocità specifica di crescita. Fattori che influenzano la produzione di biomassa • Crescita in ambiente chiuso: Metodi di valutazione della biomassa. Fasi della crescita • Metabolismo dei lieviti e di microrganismi alternativi per la produzione dell'etanolo Metabolismo anaerobico dei lieviti e resa energetica Cammino metabolico degli eterofermentanti (shunt degli esoso-monofosfati) e degli aerobi obbligati (Entner Douderoff). Caratteristcche per i quali i lieviti vengono selezionati nell’industria. • Processi fermentativi convenzionali: Fattori che influenzano la velocità di crescita. Concentrazione glucosio ed effetti inibitori sulla velocità di crescita e sulla velocità di produzione dell’etanolo. Equazione di Monod, Equazione di Haldane e trattazione matematica per adimensionalizzare le equazioni. • Fattori che influenzano la velocità di crescita : concentrazione dell’etanolo, effetto dell’ossigeno, effetto della CO2, effetto del pH, effetto della temperatura. • Fermentazione batch e batch modificato Méllé-Boinot.. Confronto della produttività volumetrica • Fermentazioni continue con il riciclo dei lieviti: riciclo interno dei lieviti con lieviti altamente flocculanti (Saccharomyces diastaticus), teoria per la flocculazione. • Fermentazioni industriali: fermentatori sistemati in serie. Condizioni in cui operano i diversi fermentatori. Confronto della produttività volumetrica in etanolo, processo biostil. Fermentazione a torre. • Richiesta nutrizionale in brodo sintetico e nella prassi industriale, inibizione da prodotti secondari. • Innovazioni processistiche: fermentatore continuo a dialisi e a dialisi pressurizzato, rotofermentatore, bioreattore flash, bioreattore con estrazione con solvente. • Separazione etanolo-acqua , distillazione azeotropica, analisi di flow-sheet etanolo da sugar-cane, mais, analisi di flow-sheet etanolo da materiali lignocellulosici, da corn-stover, da SWL. • Modelli matematici per simulare fermentazioni continue, biomassa, substrato e prodotto in funzione della D. • Vantaggi e svantaggi delle fermentazioni continue con e senza P. Confronto della produttività volumetrica. Modelli matematici per la scelta della D di massima produttività. • Modelli matematici per simulare fermentazioni continue con produzione di P associato, non associato ed in parte associato alla crescita. Esempi numerici per i modelli matematici. • Sterilizzazione: Competizione tra due popolazioni di microrganismi in ambienti chiusi ed aperti con simulazione di alcuni esempi. Cinetica di distruzione dei microrganismi. Effetto della temperatura e della energia di attivazione • Sterilizzazione batch, Profilo di temperatura-tempo. Gruppi in base agli imperativi di sterilità. Approccio per progettare un sterilizzatore batch. • Sterilizzazione continua. Vantaggi della sterilizzazione continua. Dipendenza dalla temperatura della velocità di distruzione delle vitamine, delle cellule vegetative e delle spore. Sterilizzazione continua con iniezione di vapore, con scambiatori di calore ed economizzatore. Effetto delle dimensioni delle particelle sul tempo di riscaldamento dei solidi. Cicli di sterilizzazione di un impianto. Curve di sopravvivenza. • Approccio per progettare un sterilizzatore continuo. Scelta del flusso, Scelta del criterio di sterilizzazione, N/N0 . Il valore di N dovrebbe riflettere la tolleranza desiderata per al contaminazione, scelta del diametro del condotto scelta della temperatura. • Purificazione delle proteine metodi di separazione delle proteine. Precipitazione frazionata con Sali Centrifugazione e centrifugazione differenziale • Purificazione delle proteine metodi di separazione delle proteine. Cromatografie setacci molecolari, scambio ioniche, di affinità • Purificazione delle proteine metodi di separazione delle proteine. Metodi per stabilizzare le proteine, Metodi i per desalinare e concentrare le proteine, Dialisi accoppiata con reattori a UF-membrane, elettroforesi (gel e SDS-PAGE) Isoelettrofocusing, criteri di purezza Parametri da valutare durante le fasi di purificazione per seguire l’attività delle proteine, l’attività specifica,il recupero di attività e la resa e le volte purificato • Analisi di alcuni schemi di processo industriale • Processi ambientali caratteristiche dei reflui, valutazione dei solidi, BOD, COD • Processi a fanghi attivi, microrganismi coinvolti, vie metaboliche implicate . Processo con separatore e ricircolo dei fanghi, • Modelli cinetici per simulare le prestazioni dell’impianto calcolo della portata di ricircolo, progettazione del reattore B: LEZIONI IN LABORATORIO • Preparazione terreni di coltura Composizione dei terreni liquidi e solidi. Preparazione in condizioni sterili. Semina su terreno agarizzato. Conta delle colonie isolate. • Preparazione inoculo per fermentazione batch. • Allestimento reattore CSTR alimentato con nicotinamide, lavaggio cellule di M.imperiale, determinazione biomassa e attività, impiego dell'HPLC.


Testi consigliati:

Biochemical Engineering Fundamentals (Second Edition) David Ollis,James Bailey; Published by McGraw Hill Education (2010)
ISBN: ISBN 10: 0070701237

Bioprocess Engineering, 3 edizione (22 marzo 2014) di Michael L. Shuler, Fikret Kargi ; Prentice Hall International Series in the Physical and Chemical Engineering Sciences
ISBN: ISBN-10: 0137062702

            
            
                         


Modalità d'esame:

• Modalità ed esecuzione dell’esame. L’esame si svolge in un colloquio orale sugli argomenti trattati nelle lezioni e nelle esercitazioni. Gli allievi durante l’anno sono impegnati per ulteriori 15 ore di lavoro individuale o di gruppo in attività di laboratorio.


Risultati di apprendimento previsti:

Gli argomenti trattati consentono agli allievi di capire i maggiori problemi che dovrebbero affrontare quali ingegneri biochimici e di suggerire soluzioni concrete durante lo sviluppo e progettazione di nuovi bioprocessi dalla fase laboratorio, alla fase pilota nonché industriale.


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