Obiettivi Formativi

Chimica Analitica Lo studente riceverà informazioni di chimica analitica utili all'espletamento ed alla valutazione di analisi qualitative e quantitative ed alla comprensione degli studi condotti su matrici di origine naturale e sintetica, a partire dalla scelta del metodo di analisi fino all'elaborazione dei risultati, e delle tipologie di metodiche classiche e strumentali di analisi nello studio delle bio-molecole e dei bio-processi. Chimica delle fermentazioni Obiettivo del corso è fornire la conoscenza dell’utilizzo di microrganismi per la produzione di biomassa, di metaboliti primari e secondari e di enzimi attraverso metodologie industriali. Le principali conoscenze acquisite saranno: concetto di fermentazione a livello industriale per la produzione di biomassa e metaboliti, metabolismo cellulare e stechiometria; processi fermentativi batch, fed-batch e in continuo; formulazione di un terreno di coltura e fermentatori e sistemi di controllo

Learning Goals

Analytical Chemistry  Students will be provided information of analytical chemistry to perform quantitative and qualitative analysis on natural and synthetic products; the choice of the analytical method and the interpretation of results to study bio-molecules and bio-processes.  Fermentation Chemistry  Students will learn how to use microorganisms for producing biomass, primary and secondary metabolites, and enzymes through industrial technologies. The basic concepts regarding fermentation, batch processes and fed-batch, and how to create a culture medium.

Metodi didattici

CHIMICA ANALITICA Lezioni frontali con supporto multimediale (proiezioni di power point tramite l’ausilio di supporto multimediale) ed esercitazioni pratiche in laboratorio. La frequenza ad esercitazioni e attività di laboratorio è obbligatoria. La relativa attestazione si ottiene con una percentuale di frequenza uguale o superiore al 75% delle suddette attività. L’accertamento della frequenza è effettuato mediante l’apposizione della firma degli studenti in apposito registro. L’insegnamento prevede lezioni frontali in aula e attività di laboratorio volte all’approfondimento pratico delle nozioni impartite. Le lezioni frontali si svolgeranno con ausilio di presentazioni in power point, articoli scientifici e discussione in aula con gli studenti. Le attività di laboratorio saranno svolte in appositi locali adibiti allo scopo dove gli studenti familiarizzeranno con le comuni tecniche e attrezzature di un laboratorio di chimica delle fermentazioni. La frequenza alle lezioni è obbligatoria. Le attestazioni di frequenza dei singoli corsi integrati verranno rilasciate a seguito del raggiungimento di almeno il 75% di presenza.

Teaching Methods

ANALYTICAL CHEMISTRY Lectures with multimedia support (e.g. power point presentations); practical activities are carried out in the teaching laboratory. The frequency is obligatory for the laboratory exercises and practical activity; it will be necessary to obtain 75% or more of the frequency. The latter is ascertained through students’ signature in a register maintained for the purpose. The teaching is organized in oral lection and laboratory activities. The lecture is given orally, with the assistance of power point projection, scientific articles and class discussion with students. Laboratory activities will be performed in suitable space set up with the aim to introduce student to acquire the basic notion and laboratorial experimental expertise in fermentation chemistry. Attendance is mandatory. The attendance records of each integrated course will be issued following the achievement of at least 75% attendance.

Prerequisiti

Chimica Analitica Buone conoscenze di matematica, chimica e chimica organica Chimica delle fermentazioni Buone conoscenze di chimica, chimica organica, chimica degli alimenti e biochimica.

Prerequisites

Analytical Chemistry  Good knowledge of mathematics, chemistry, and organic chemistry is required.  Fermentation Chemistry  Good knowledge of chemistry, organic chemistry, and food chemistry is required.

Verifiche dell'apprendimento

Esame orale

Assessment

Oral examination

Programma del Corso

------------------------------------------------------------ Modulo: A000201 - ANALYTICAL CHEMISTRY ------------------------------------------------------------ Valutazione dei dati analitici: accuratezza, precisione. Proprietà della radiazione elettromagnetica. Lo spettro elettromagnetico. Componenti degli strumenti per spettroscopia ottica. Teoria della spettroscopia di assorbimento molecolare. Spettroscopia di fluorescenza. Termini impiegati in spettroscopia di assorbimento. La legge di Beer. Applicazioni della spettroscopia di assorbimento molecolare. Strumenti per misure di assorbimento ottico. Spettrometria e fotometria nell'ultravioletto/visibile. Applicazioni della spettroscopia di assorbimento nell'infrarosso per tecniche biotecnologiche. Errori nelle analisi spettrofotometriche. Introduzione ai metodi cromatografici. Descrizione generale della cromatografia. Strumentazione cromatografica. Efficienza e risoluzione delle colonne cromatografiche. Applicazioni per tecniche biotecnologiche. Applicazioni della cromatografia per tecniche biotecnologiche. Cromatografia gas-liquido. Cromatografia liquida ad alta efficienza. Confronto tra la cromatografia liquida ad alta prestazione e la cromatografia gas-liquido. Applicazioni per tecniche biotecnologiche. Tecniche accoppiate basate su spettrometria di massa. ------------------------------------------------------------ Modulo: A000202 - FERMENTATION CHEMISTRY ------------------------------------------------------------ Nozioni di microbiologia generale. Introduzione alla microbiologia industriale. Caratteristiche dei microorganismi industriali - origine e mantenimento delle colture. L'impianto pilota. Substrati di coltura Formulazione terreno di coltura di origine vegetale e animale: fonti di carbonio e azoto, vitamine, fattori di crescita e precursori. Sterilizzazione e sterilità La sterilizzazione. Fattori che agiscono sulla termoresistenza dei gruppi di microrganismi. Sterilizzazione termica e chimica del substrato. Coltura in batch Sviluppo su substrati semplici e complessi. Fattori che influenzano lo sviluppo: concentrazione dei nutrienti, ph, temperatura, acqua, ossigeno, anidride carbonica, struttura del substrato. Coltura discontinua o batch. Coltura discontinua solid state. Coltura discontinua liquid state. Cinetica di sviluppo della biomassa in batch; misura della velocità specifica di sviluppo; sviluppo della biomassa in rapporto al consumo del substrato; cinetica di sintesi del prodotto in batch; cinetica di utilizzazione del substrato in batch; misure di produttività in batch. Coltura continua e semi-continua Coltura continua monostadio; cinetica dello sviluppo in continuo della biomassa; cinetica di utilizzazione del substrato in continuo; cinetica di sintesi di prodotto in continuo; determinazione della velocità di sviluppo massima; contaminazioni nella coltura continua. Coltura continua multistadio; reattori multistadio ad alimentazione unica; reattori multistadio ad alimentazione multipla; coltura continua con riciclo; coltura continua con riciclo di biomassa; coltura continua con riciclo di substrato; coltura continua con turbidostato. Coltura semi continua (fed-batch); coltura fed-batch ripetuta. Bioreattori. Reattori convenzionali con agitazione meccanica. Struttura del reattore convenzionale. Mantenimento della sterilità; mantenimento delle condizioni di omogeneità; scopi e limiti dell'agitazione meccanica; tipi di agitatori; effetti del sistema di agitazione; trasferimento dell'ossigeno; fattori che influiscono sul trasferimento dell'ossigeno; smaltimento del calore. Reattori non convenzionali. Bubble column o colonna a bolle. Bioreattori air-lift. Bioreattori jet- loop. Bioreattori stirred-loop. Bioreattori a strato liquido. Bioreattori a piatti. Bioreattori a film liquido. Bioreattori con supporto inerte. Bioreattori a letto fisso. Bioreattori a letto fluido. Bioreattori per coltura su substrati solidi; coltivazione stazionaria su substrati solidi. Sensori e controlli di processo Misura e controllo dei parametri fisici sul substrato (temperatura, viscosità, volume residente, schiuma; pressione, portata d'aria, portata di substrato, potenza e della velocità di agitazione). Misura e controllo dei parametri chimici sul substrato (ph; ossigeno disciolto; anidride carbonica nel substrato; misura potenziale redox; ossigeno, anidride carbonica e altri gas nell'aria in uscita). Misura e controllo dei parametri biologici (conta del numero delle cellule, misura della biomassa: metodi diretti e indiretti). Recupero dei prodotti di fermentazione. Recupero delle cellule e degli insolubili; recupero dei prodotti in soluzione; recupero dei prodotti endocellulari. Processi fermentativi e vari prodotti ottenibili. Fermentazione dei glicidi. Accenni relativi alla produzione di antibiotici, enzimi e biomasse.

Course Syllabus

------------------------------------------------------------ Modulo: A000201 - ANALYTICAL CHEMISTRY ------------------------------------------------------------ Evaluation of analytical data: accuracy and precision. Properties of the electromagnetic radiation. Electromagnetic spectrum. Components of the instrumentation for optical spectroscopy. Theory of molecular absorption spectroscopy. Fluorescence spectroscopy. Terms used in molecular absorption spectroscopy. Beer’s law. Application of molecular absorption spectroscopy. Instruments for optical absorbance measurement. Ultraviolet/visible spectrometry and photometry. Application of infrared absorption spectroscopy. Errors in spectrophotometric analyses. Introduction to chromatographic methods. General description of chromatography. Chromatographic instrumentation. Column efficiency. Column resolution. Application of chromatography. Gas-liquid Chromatography. High efficiency liquid chromatography. Comparison between high performance liquid chromatography and gas/liquid chromatography. Hyphenated techniques based on mass spectrometry detection. ------------------------------------------------------------ Modulo: A000202 - FERMENTATION CHEMISTRY ------------------------------------------------------------ Notions of general microbiology. Introduction to industrial microbiology. Characteristics of industrial microorganisms - origin and maintenance of cultures. The pilot plant. Culture substrates Formulation of culture media of plant and animal origin: carbon and nitrogen sources, vitamins, growth factors and precursors. Sterilization and sterility Sterilization: Factors acting on thermoresistance of microorganisms. Thermal and chemical sterilization of the substrate. Batch culture Development on simple and complex substrates. Factors influencing bacterial development: nutrient concentration, pH, temperature, water, oxygen, carbon dioxide, substrate structure. Discontinuous or batch culture. Discontinuous solid-state culture. Discontinuous liquid-state culture. Kinetics of biomass development in batch; measurement of specific speed of development; biomass development in relation to substrate consumption; kinetics of product synthesis in batch; kinetics of substrate utilization in batch; measurements of productivity in batch. Continuous and semi-continuous culture (fed-batch) Single-stage continuous culture; kinetics of continuous biomass development; kinetics of continuous substrate utilization; kinetics of continuous product synthesis; determination of maximum development rate; contamination in continuous culture. Multistage continuous culture; multistage single feed reactors; multistage multiple feed reactors; continuous culture with recycling; continuous culture with biomass recycling; continuous culture with substrate recycling; continuous culture with turbidostat. Fed-batch; repeated fed-batch culture. Bioreactors. Conventional reactors with mechanical stirring. Conventional reactor design. Maintenance of sterility; maintenance of homogeneous conditions; purposes and limitations of mechanical agitation; types of agitators; effects of the agitation system; oxygen transfer; factors affecting oxygen transfer; heat dissipation. Non-conventional reactors. Bubble column bioreactors. Air-lift bioreactors. Jet-loop bioreactors. Stirred-loop bioreactors. Liquid layer bioreactors. Flat plate bioreactors. Liquid film bioreactors. Inert media bioreactors. Fixed-bed bioreactors. Fluid bed bioreactors. Reactors for culture on solid substrates; stationary cultivation on solid substrates. Sensors and process controls Measurement and control of physical parameters on the substrate (temperature, viscosity, resident volume, foam; pressure, air-flow, substrate flow, power and agitation speed). Measurement and control of chemical parameters on the substrate (pH; dissolved oxygen; carbon dioxide in the substrate; redox potential measurement; oxygen, carbon dioxide and other gases in the outlet air). Measurement and control of biological parameters (cell count, biomass measurement: direct and indirect methods). Downstream processes. Recovery of cells and insoluble compounds; recovery of products in solution; recovery of endocellular products. Fermentation processes and obtainable products. Fermentation of glycides. Production of antibiotics, enzymes and biomass.