Facoltà di Scienze Biotecnologiche Corso di Laurea in Biotecnologie per l innovazione di processi e prodotti A.A. 2011/12

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Angelo Mancuso
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1 Facoltà di Scienze Biotecnologiche Corso di Laurea in Biotecnologie per l innovazione di processi e prodotti A.A. 2011/12 Titolo insegnamento: Biotecnologie delle fermentazioni (Prof. Luigi Palmieri) integrato con Impianti dell industria biotecnologica (Ing. Claudio Massari) Attività Lezioni frontali Laboratorio Totale Ore Crediti Obiettivi formativi: Conoscenza dei principi e delle tecnologie di base dei processi fermentativi industriali ad opera di microrganismi o cellule eucariotiche superiori. Pre-requisiti: Conoscenze di genetica, microbiologia e biochimica.

2 Programma di insegnamento (1) Pianificazione di una bioconversione e di una fermentazione. Resa, produzione, produttività. Strategie adottate nei processi fermentativi: batch, feedbatch, continuous. Trofofase e idiofase. Bioreattori stirred-tank, air-lift, a letto impaccato e a letto fluido. Analisi dei punti critici di un processo fermentativo industriale: scelta del bioreattore, formulazione del mezzo di coltura, agitazione, scambio gassoso, temperatura, produzione e dissipazione del calore di processo, densità del mezzo, produzione di schiuma, sterilità. Microrganismi di interesse biotecnologico: batteri, lieviti e funghi filamentosi. Strain improvement: random mutagenesis, auxotrofia, antimetaboliti, gene dosage. Effetti Pauster, Clusters e Crabtree. Bilancio di massa. Bilancio energetico.

3 Programma di insegnamento (2) Fermentazione di composti organici (etanolo, glicerolo, etc.) Fermentazioni ossidative (acido acetico e acido citrico) Produzione di aminoacidi impiegati nell industria alimentare, farmaceutica e chimica. Produzione di antibiotici β-lattamici per via fermentativa e semisintetica (penicilline e cefalosporine). Produzione di biomassa. Produzione di proteine eterologhe in microrganismi (E. coli e S. cerevisiae) e piante. Sviluppo di processo di molecole prodotte da cellule animali (anticorpi monoclonali e proteine ricombinanti). Produzioni di enzimi e biotrasformazioni.

4 Programma di insegnamento (3) Identificazione del cammino di sviluppo di un biofarmaco. Messa a punto del metodo di coltura e purificazione. Aumento della produttività. Scelta del bioreattore (scale up lineare o eterogeneo). Messa a punto di test analitici per seguire la produzione e caratterizzare il prodotto finito. Quality control. Safety tests. Esperienze di laboratorio Allestimento e conduzione di un processo fermentativo aerobico in un bioreattore. Calibrazione e gestione integrata dei controlli ondine e off-line applicati al bioreattore.

5 SCHEMA DI UN PROCESSO DI FERMENTAZIONE prima durante dopo

6 FERMENTATION PROCESS FLOW CHART

7 Microbiologia Scelta del microrganismo Attività biologica Pratica delle fermentazioni Biochimica Procedure analitiche Bibliografia Know-how di base e/o sviluppo COMPETENZE Chimica Sintesi Ingegneria Tecnologia impiantistica Modelli matematici

8 BIOTECNOLOGIE delle FERMENTAZONI Definizione di moderne biotecnologie dell'oecd (Organization for Economic Cooperation and Development): l'applicazione di scienza e tecnologia a organismi viventi, sia a parti, prodotti, modelli di questi, per alterare il materiale vivente o non vivente per la produzione di conoscenze, beni e servizi DNA Genomica Farmaco-genetica Ingegneria genetica Proteine e molecole Proteomica Bioingegneria Cellule e tessuti Ibridazione Manipolazione embrionale Processi biotecnologici Bioprocessi Fermentazione Bioreattori Organismi sub-cellulari Terapia genica Vettori virali Fermentazione: trasformazione di materiale organico in prodotti di vario interesse ad opera di microrganismi ( dalla definizione microbiologica )

9 STORIA DELLA FERMENTAZIONE 5000 anni fa pane, birra e vino Oggi formaggi, yoghurt. vini pregiati cellule microbiche (biomasse) enzimi e/o proteine (insulina, vaccini) Prodotti finali metaboliti primari (acido citrico, etanolo, et al.) metaboliti secondari (antibiotici) composto aggiunto (antibiotici) concetto industriale non solo biochimico o microbiologico

10 APPLICAZIONI DELLE FERMENTAZIONI Ambito sanitario farmaceutico Es.: ormoni, vaccini, immunomodulanti, terapia genica, sostituzione enzima difettoso con enzima prodotto per via fermentativa. Biorisanamento Biolisciviazione APPLICAZIONI Es: estrazione metalli da residui delle miniere. Trattamento reflui e compostaggio rifiuti umidi Benessere organismi superiori Es: funghi su piante o flora intestinale IN QUESTO CORSO PRODUZIONE DI MOLECOLE CHIMICAMENTE DEFINITE

11 Aspetti socio-economici delle biotecnologie fermentative migliorare il presente senza compromettere il futuro Sostenibilità ambientale nuove fonti di energia (bioetanolo e biodiesel) nuovi materiali (polimeri biodegradabili) nuovi enzimi alternativi a processi chimici sintetici nuovi farmaci, vaccini e additivi alimentari

12 Fermentazione = processo microbiologico S + X P substrato cellule prodotto GRAS OGM generally recognized as safe es. ambito alimentare Alto valore aggiunto (piccole quantità, piccoli impianti) Basso valore aggiunto (grandi quantità, grandi impianti) VALORE AGGIUNTO = differenza tra costi di produzione e valore della produzione 1. Upstream fase di fermentazione/biotrasformazione 2. Downstream fase di isolamento del prodotto

13 SOSTENIBILITA DI UN PROCESSO FERMENTATIVO Resa: rapporto tra quantità di prodotto e quantità di substrato Produzione: quantità di prodotto ottenuto Produttività: quantità di prodotto ottenuta nell unità di tempo

14 SCHEMA DI UNA FERMENTAZIONE

15 ..

16 dalla beuta al fermentatore industriale

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