BIOCATALISI APPLICATA
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2021/2022
- Docente
- PAOLA PEDRINI
- Crediti formativi
- 6
- Periodo didattico
- Secondo Semestre
- SSD
- CHIM/11
Obiettivi formativi
- L'obiettivo principale del corso consiste nel fornire agli studenti la conoscenza in termini approfonditi delle metodologie applicate a livello industriale per i processi fermentativi che riguardano la produzione di biomassa, di metaboliti primari e secondari. Un secondo obiettivo, legato strettamente al primo, è l’utilizzo a livello industriale di enzimi con le relative metodologie ad essi legate.
Le principali conoscenze acquisite saranno:
•i processi fermentativi utilizzati a livello industriale per la produzione di biomassa e metaboliti;
•aspetti teorici e applicativi delle colture batch;
•aspetti teorici e applicativi delle colture in continuo;
•aspetti teorici e applicativi delle colture fed-batch;
•isolamento e mantenimento delle colture adatte ai processi industriali;
•principali richieste nutrizionali delle colture in accrescimento e loro monitoraggio;
•effetti dei vari parametri di crescita sulla produzione di metaboliti primari e/o secondari;
•ottimizzazione dei processi industriali;
•enzimi utilizzati a livello industriale e loro meccanismi di azione.
Le principali abilità (ossia la capacità di applicare le conoscenze acquisite) saranno:
•essere in grado di impiantare una coltura partendo da microrganismi mantenuti vitali con vari metodi (liofilizzazione, criogenia, terreni solidi);
•scale-up dalla coltura al fermentatore batch (1 L)
•utilizzo di una coltura per biotrasformare un substrato aggiunto successivamente alla crescita (concetto di biotrasformazione)
•utilizzo di enzimi per sintesi stereocontrollate. Prerequisiti
- Non sono previste propedeuticità.
E’ necessario avere acquisito e assimilato le seguenti conoscenze fornite dai corsi “Chimica organica”, “Biochimica” e “Chimica delle Fermentazioni” :
•concetti di base di chimica organica con particolare riguardo alle sostanze naturali;
•conoscenza dell’anabolismo e catabolismo cellulare;
•conoscenza della stechiometria della crescita cellulare;
•conoscenze di base dei vari processi fermentativi;
•conoscenza degli enzimi e dei concetti di catalisi enzimatica Contenuti del corso
- Il corso prevede 56 ore di didattica tra lezioni ed esercitazioni. In particolare sono previste 32 ore di lezione in aula e 24 ore di esercitazioni guidate in laboratorio.
Processi fermentativi (12 ore)
Processi fermentativi e produzioni industriali. Colture batch: produzione di biomassa e metaboliti. Colture in continuo: produzione di biomassa e di metaboliti. Colture in continuo: riciclo interno ed esterno. Confronto tra processi batch e continuo. Colture fed-batch a volume variabile e fisso.
Metaboliti secondari (2 ore)
Produzione di metaboliti secondari in impianti batch, fed-batch e continuo. Cellule vegetali e metaboliti secondari.
Microrganismi e mezzi fermentativi (6 ore)
Isolamento e mantenimento di microrganismi industrialmente importanti. Mezzi di fermentazioni industriali. Richiesta di energia e di fonte di carbonio. Richiesta di ossigeno e metodi di aerazione. Effetti sulla crescita: pH, temperatura e attività dell’acqua.
Bioprocessi (4 ore)
Basi di un bioprocesso. Ottimizzazione di un bioprocesso: immobilizzazione. di enzimi e microrganismi. Processi di immobilizzazione e resa. Enzimi in solvente organico.
Enzimi e processi industriali (8 ore)
Classificazione degli enzimi e reazioni catalizzate. Ossido-reduttasi: meccanismi enzimatici e processi industriali di bioriduzione. Monoossigenasi: meccanismi enzimatici e processi industriali di bioossidazione. Idrolasi: meccanismi enzimatici e processi industriali. Tranferasi, liasi, isomerasi e loro processi.
Laboratorio (24 ore)
Presentazione esperienza e norme di sicurezza. Preparazione terreni, isolamento microrganismi e loro purificazione. Preparazione terreno liquido PCB, inoculo batteri. Aggiunta del preinoculo all’impianto di fermentazione e monitoraggio dei parametri di crescita. Utilizzo della biomassa ottenuta in un processo di biotrasformazione. Monitoraggio della biotrasformazione via TLC. Estrazione, purificazione e caratterizzazione dei prodotti di reazione mediante tecniche spettroscopiche (IR, 1H NMR e Massa). Metodi didattici
- Il corso è organizzato nel seguente modo:
•lezioni in aula su tutti gli argomenti del corso;
•esercitazioni nel laboratorio di Biocatalisi e Biotrasformazioni per l’intero processo fermentativo. Gli studenti saranno divisi in gruppi (massimo 25 studenti per gruppo) e seguiranno 7 esercitazioni guidate di 3 ore ciascuna. La partecipazione ad almeno il 70% delle ore di esercitazione è necessaria per potere elaborare la relazione finale.
•La caratterizzazione dei prodotti verrà fatta dai tecnici preposti alle varie apparecchiature che illustreranno le metodologie e le potenzialità delle tecniche usate: gli studenti assisteranno agli esperimenti per un totale di 3 ore di esercitazione. Modalità di verifica dell'apprendimento
- L’obiettivo della prova d’esame consiste nel verificare il livello di raggiungimento degli obiettivi formativi precedentemente indicati.
L’esame è diviso in 2 parti che hanno luogo nello stesso giorno:
•una provaascritta nella quale non sarà valutata tanto l’abilità nel "ripetere" qualche argomento trattato a lezione, quanto la capacità di collegare e confrontare aspetti diversi trattati durante il corso. Tale prova di norma consisterà di 2 o 3 domande e verrà verrà valutata fino a 28 punti. Sarà possibile sostenere l’esame anche con una prova orale a richiesta degli studenti: le prove saranno 3 (1 per sessione d’esame).
•una relazione scritta che descriverà l’esperienza di laboratorio ed i risultati ottenuti. Tale relazione sarà valutata fino a 5 punti;
Il voto finale è dato dalla somma dei 2 punteggi. Per superare l’esame è necessario acquisire un punteggio minimo di 18 su 33. Qualora il punteggio totale sia inferiore a 18, sarà necessario ripetere l’esame. Testi di riferimento
- Appunti forniti dal docente.
Argomenti specifici possono essere approfonditi sui seguenti testi:
•P.F. Stanbury, A. Whitaker, S.J. Hall “Principles of fermentation technology” Butterworth/Heinemann;
•S. John Pirt, “Principles of microbes and cell cultivation” Blackwell Scientific Publications
•K. G. Ramawat, J. M. Merillon “Biotechnology-Secondary metabolites -Plants and microbes” Science publishers
•A. Liese “Industrial Biotransformations” Wiley-VCH
