72390 - PROCESSI BIOLOGICI E CHIMICI SOSTENIBILI

insegnamento

ID:

72390

Tipo Insegnamento:

Obbligatorio

Durata (ore):

48

CFU:

SSD:

CHIMICA E BIOTECNOLOGIA DELLE FERMENTAZIONI

Url:

Dettaglio Insegnamento:

TECNOLOGIE AGRARIE E GESTIONE SOSTENIBILE DEGLI AGROECOSISTEMI/PERCORSO COMUNE Anno: 2

Anno:

2025

Periodo di attività

Primo Semestre (01/10/2025 - 14/01/2026)

Obiettivi Formativi

L'obiettivo principale del corso è fornire agli studenti le conoscenze teoriche e pratiche per comprendere, analizzare e progettare processi di trasformazione di biomasse e scarti organici in prodotti ad alto valore aggiunto (bioenergia, biocarburanti, molecole chimiche), in un'ottica di sostenibilità e di economia circolare. Il corso si propone di integrare i principi della chimica verde, della microbiologia industriale e della biochimica con gli aspetti legati ai bioreattori e all'ottimizzazione di processo. Al termine del corso lo studente sarà in grado di: 1. Conoscenze e capacità di comprensione - Conoscere i principi di sostenibilità, chimica verde, economia circolare e bioraffineria. - Descrivere i principali percorsi metabolici e i fattori chimico-fisici che regolano la crescita microbica. - Comprendere i fondamenti della biocatalisi, della cinetica enzimatica e delle tecniche di immobilizzazione. - Conoscere i principi dei bioprocessi per la produzione di bioetanolo, biodiesel, biogas, syngas e per il compostaggio. - Descrivere le tipologie, le modalità operative e i criteri di progettazione dei bioreattori. - Conoscere i fondamenti della Progettazione degli Esperimenti (DOE) per l'ottimizzazione di processo. 2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione - Analizzare e confrontare diversi processi di valorizzazione delle biomasse. - Identificare le tecnologie appropriate per la conversione di specifiche materie prime organiche. - Applicare i concetti di base della DOE per l'impostazione di un piano di ottimizzazione. - Valutare criticamente vantaggi e svantaggi di diverse configurazioni di processo e di reattore. 3. Autonomia di giudizio - Valutare la sostenibilità e la fattibilità tecnico-economica di un bioprocesso. - Interpretare dati sperimentali per trarre conclusioni sull'efficacia di un processo. 4. Abilità comunicative - Utilizzare con precisione e proprietà la terminologia tecnico-scientifica specifica della chimica sostenibile, della microbiologia industriale e dei bioprocessi. - Descrivere in modo chiaro e strutturato processi complessi, schemi di reazione e configurazioni di reattori. - Presentare e argomentare analisi comparative tra diverse opzioni tecnologiche. 5. Capacità di apprendimento - Sviluppare le basi concettuali e metodologiche per approfondire in autonomia tematiche avanzate nel campo delle biotecnologie industriali e della bioeconomia. - Acquisire un approccio interdisciplinare che integri concetti di chimica, biologia e ingegneria per affrontare problemi complessi legati alla valorizzazione sostenibile delle risorse rinnovabili.

Prerequisiti

Per una completa comprensione degli argomenti trattati è necessario che lo studente abbia acquisito le conoscenze fornite dai corsi di chimica generale e organica.

Metodi didattici

L'approccio didattico del corso si basa su una metodologia costruttivista, finalizzata a promuovere l'apprendimento attivo e la capacità di problem-solving. L'obiettivo è guidare gli studenti nella costruzione delle proprie conoscenze, passando dalla comprensione dei principi fondamentali all'applicazione pratica in scenari complessi. Le attività didattiche sono progettate per stimolare il pensiero critico, il lavoro collaborativo e l'autonomia. La didattica si articola in modalità sincrone e asincrone, integrate tra loro per creare un percorso formativo completo e flessibile. 1. Modalità Sincrona (Lezioni Frontali Interattive) - Le lezioni frontali, supportate da presentazioni PowerPoint, non saranno una mera trasmissione di nozioni, ma un momento di dialogo e costruzione condivisa della conoscenza. Saranno strutturate per includere: - Spiegazioni Dinamiche: Utilizzo della lavagna (fisica o virtuale) per illustrare schemi di reazione complessi, diagrammi di flusso dei processi e calcoli cinetici, favorendo una comprensione visuale e passo-passo. - Domande-Stimolo e Discussione Guidata: Sessioni di domande e risposte (Q&A) interattive e discussioni guidate su dilemmi tecnologici. - Problem-Based Learning (PBL) in Aula: Verranno presentati brevi problemi o scenari da analizzare e risolvere in piccoli gruppi durante la lezione, con successiva discussione collettiva dei risultati. 2. Modalità Asincrona (Piattaforma E-learning) - Il lavoro asincrono è fondamentale per l'approfondimento individuale e l'applicazione delle conoscenze. Gli studenti avranno a disposizione: - Video-Lezioni e/o Materiali tematici: Brevi video registrati dal docente e/o altri materiali di base (articoli scientifici, report tecnici) che introducono i concetti chiave di moduli, permettendo agli studenti di apprendere secondo i propri ritmi. Questi materiali sono propedeutici alla discussione in aula. - Studi di Caso (Case Studies): Verranno assegnati studi di caso basati su scenari reali. Gli studenti lavorando da soli o in gruppo e la consegna avverrà tramite un report scritto o una presentazione. - Wiki di Corso Collaborativa: Descrizione: Per ogni modulo tematico del corso, verrà creata una pagina Wiki vuota o con una struttura di base. Lavorando individualmente, gli studenti avranno il compito di popolare queste pagine, creando una vera e propria enciclopedia del corso. Obiettivo: Gli studenti dovranno ricercare, sintetizzare, rielaborare e presentare le informazioni in modo chiaro e strutturato, integrando testo, schemi, immagini e link a fonti esterne attendibili. Funzionamento: Ognuno sarà responsabile primario di una o più sezioni, ma tutti gli studenti saranno incoraggiati a leggere, commentare, correggere e integrare le sezioni degli altri. La cronologia delle modifiche permetterà al docente di monitorare i contributi individuali e di gruppo. Valutazione: La qualità, l'accuratezza e la chiarezza dei contenuti inseriti nella Wiki costituiranno un elemento significativo della valutazione continua. - Forum di Discussione: Spazi virtuali dedicati a ogni modulo o studio di caso, dove gli studenti possono porre domande, scambiarsi opinioni e collaborare, con la supervisione e il feedback del docente. La partecipazione attiva al forum sarà parte della valutazione continua.

Verifica Apprendimento

La verifica dell'apprendimento è progettata secondo un modello di valutazione continua e formativa, che si sviluppa lungo l'intero percorso del corso. L'obiettivo è monitorare costantemente il progresso degli studenti, fornire feedback tempestivi e valorizzare il processo di apprendimento attivo, individuale e collaborativo. La valutazione si articola in due percorsi distinti: A) Percorso di Valutazione Continua in Itinere Gli studenti che seguono attivamente il corso hanno la possibilità di sostenere la valutazione tramite prove in itinere, eliminando la necessità di presentarsi agli appelli d'esame ufficiali. Questo percorso è strutturato come segue: 1. Prove di Verifica Intermedie (Punteggio totale: 30 punti) Il corso è suddiviso in quattro blocchi tematici, al termine di ciascuno dei quali è prevista una verifica in presenza durante l'orario di lezione. Le verifiche sono finalizzate a valutare la comprensione dei contenuti trattati nelle lezioni sincrone e asincrone (video, materiali tematici) e la capacità di applicarli. Le modalità possono includere: - Risoluzione di studi di caso - Questa sezione è volta a valutare le capacità di analisi, sintesi, problem-solving e di collegamento trasversale tra i diversi argomenti del corso. - Risposta a domande multiple, aperte e/o chiuse - Finalizzate a verificare la conoscenza e la comprensione dei concetti fondamentali, delle definizioni e dei principi chiave trattati nel corso. - Discussione di problemi pratici - Questa sezione è volta a valutare le capacità di analisi, sintesi, problem-solving e di collegamento trasversale tra i diversi argomenti del corso. Le prove possono essere svolte individualmente o in piccoli gruppi, a discrezione del docente. La distribuzione del punteggio è la seguente: - Prima verifica intermedia: peso massimo 5 punti. - Seconda verifica intermedia: peso massimo 5 punti. - Terza verifica intermedia: peso massimo 10 punti. - Quarta verifica intermedia: peso massimo 10 punti. 2. Valutazione delle Attività Collaborative (Punteggio integrativo) La partecipazione attiva alle attività collaborative è un elemento fondamentale della valutazione: - Costruzione della Wiki di Corso: Verrà valutata la qualità, l'accuratezza e la chiarezza dei contributi forniti dal gruppo di lavoro. - Partecipazione ai Forum: Verrà considerata la qualità e la pertinenza degli interventi nei forum di discussione tematici. Il punteggio derivante da queste attività potrà integrare il voto finale, a discrezione del docente, per premiare l'impegno e la proattività. Criteri di Superamento Lo studente che, al termine del percorso di valutazione continua, ottiene un punteggio complessivo pari o superiore a 18/30 avrà superato l'esame. Il voto finale sarà la somma dei punteggi ottenuti nelle quattro prove intermedie. Attribuzione della Lode La lode potrà essere attribuita agli studenti che, avendo raggiunto il punteggio massimo nelle prove intermedie, abbiano dimostrato un impegno eccezionale e una partecipazione particolarmente costruttiva nelle attività collaborative del corso, quali: - Costruzione della Wiki di Corso: Contributi di eccellente qualità, accuratezza e originalità. - Partecipazione ai Forum: Interventi proattivi e di elevato valore per la discussione collettiva. B) Percorso di Valutazione Tramite Esame Finale (Appello Ufficiale) Gli studenti che non partecipano alla valutazione continua, che non raggiungono il punteggio minimo di 18/30, o che intendono migliorare il voto ottenuto, dovranno sostenere l'esame finale durante gli appelli ufficiali. Modalità d'Esame - L'esame consiste in una prova scritta della durata massima di 4 ore, strutturata in due parti: - Prima Parte: Una serie di domande a risposta chiusa e/o descrittiva breve, finalizzate a verificare la conoscenza e la comprensione dei concetti fondamentali, delle definizioni e dei principi chiave trattati nel corso. - Seconda Parte: Una o più domande a risposta aperta e/o la risoluzione di uno studio di caso. Questa sezione è volta a valutare le capacità di analisi, sintesi, problem-solving e di collegamento trasversale tra i diversi argomenti del corso. Criteri di Valutazione dell'Esame Finale - La valutazione della prova scritta terrà conto dei seguenti aspetti: - Correttezza e completezza dei contenuti. - Chiarezza espositiva e proprietà di linguaggio tecnico-scientifico. - Capacità di analisi critica e di argomentazione delle soluzioni proposte. Il voto finale sarà espresso in trentesimi. La lode potrà essere attribuita agli studenti che, avendo raggiunto il punteggio massimo nell’Esame Finale, abbiano dimostrato un impegno eccezionale nella attività proposta. Disposizioni Linguistiche Previo accordo con il docente, tutte le modalità di verifica dell'apprendimento, sia quelle in itinere sia l'esame finale, potranno essere sostenute in lingua italiana, portoghese o spagnola.

Testi

Per eventuali approfondimenti si segnalano i seguenti testi: - Manzoni, M. Microbiologia industrial. 1 Ed., Casa Editrice Ambrosiana, 2005. - Biavati, B; Sorlini, C. Microbiologia generale e agraria. 2 Ed., Casa Editrice Ambrosiana, 2012. - Nelson, D.L.; Cox, M.M. I principi di biochimica di Lehninger. 8 Ed., Zanichelli, 2022. - Drapcho, C.M.; Nhuan, N.P.; Walker, T.H. Biofuels Engineering Process Technology. 1st Ed., McGraw-Hill, 2008. - Clark, J.; Deswarte, F. Introduction to chemicals from biomass. 2nd Ed., Wiley, 2014. - Rodrigues, M.I., Iemma, A.F. Experimental design and process optimization, 1st Ed., CRC Press, New York, 2014.

Contenuti

Introduzione alla Sostenibilità: - Definizione di sostenibilità e i suoi tre fondamenti: sociale, economico, ambientale. - Concetti di Chimica Verde e i suoi 12 principi. - Dall'economia lineare all'economia circolare: principi di riduzione, riuso, riciclo e valorizzazione. Microbiologia e Colture Microbiche: - Metabolismo: catabolismo e anabolismo. - Fattori fisici e chimici che influenzano la crescita microbica (temperatura, pH, ossigeno, pressione osmotica, nutrienti). - La curva di crescita batterica: fasi di latenza (lag), esponenziale (log), stazionaria e di morte. - Terreni di coltura: classificazione, preparazione e tecniche di semina. Enzimologia e Cinetica: - Gli enzimi come proteine e catalizzatori biologici: specificità, efficienza, regolazione. - Classificazione e nomenclatura (numero E.C.). - Principi di termodinamica delle reazioni (esoergoniche/endoergoniche, energia libera di Gibbs). - Meccanismi di catalisi: modello chiave-serratura e adattamento indotto. - Cinetica enzimatica: l'equazione di Michaelis-Menten (Km, Vmax), la linearizzazione di Lineweaver-Burk, il numero di turnover (kcat). - Inibizione enzimatica: irreversibile e reversibile (competitiva e non-competitiva). - Regolazione dell'attività enzimatica: modulazione allosterica e modificazione covalente. Immobilizzazione di Cellule ed Enzimi: - Definizione, vantaggi (riutilizzo, stabilità) e svantaggi (costi, limitazioni diffusionali). - Metodi di immobilizzazione: legame (adsorbimento, ionico, covalente), intrappolamento, cross-linking. - Supporti (carrier): organici, inorganici, naturali e sintetici. - Esempi pratici: immobilizzazione in alginato di calcio. Bioreattori - Progettazione e Funzionamento: - Definizione di bioreattore e criteri di progettazione (sterilità, miscelazione, trasferimento di massa e calore). - Modalità operative: discontinuo, semi-continuo e continuo. Vantaggi e svantaggi. - Componenti chiave: sistemi di agitazione, aerazione, controllo della schiuma, sterilizzazione, sensori. - Tipologie di reattori per colture sommerse: Stirred Tank Reactor (STR), colonne a bolle (bubble column), reattori airlift, letti fissi (Packed Bed) e letti fluidizzati (Fluidized Bed). - Reattori per fermentazione allo stato solido (FSS). La Bioraffineria come Concetto Centrale: - Definizione e analogia con la raffineria di petrolio. - Classificazione delle bioraffinerie: I, II, III e IV generazione. - La piramide del valore delle biomasse: dai prodotti a basso volume/alto valore (farmaceutici) a quelli ad alto volume/basso valore (energia). - Le biomasse: definizione, composizione chimica (carboidrati, lipidi, lignina, proteine) e principali fonti (scarti agricoli, forestali, zootecnici, urbani). Bioetanolo: - I Generazione: fermentazione di zuccheri semplici e amido. - II Generazione: valorizzazione di biomasse lignocellulosiche. Struttura di cellulosa, emicellulosa e lignina. - Pretrattamenti della lignocellulosa: acido (concentrato/diluito), esplosione di vapore (steam explosion), con ammoniaca, biologico. - Idrolisi enzimatica: ruolo di cellulasi, emicellulasi e pectinasi. Gas di Sintesi (Syngas): - Produzione tramite gassificazione di biomasse. - Fasi del processo: essiccazione, pirolisi, ossidazione, riduzione. - Depurazione e conversione fermentativa ad acido organico o etanolo. Biogas: - Digestione Anaerobica: Le 4 fasi del processo (idrolisi, acidogenesi, acetogenesi, metanogenesi). - Popolazioni microbiche coinvolte. - Reattori a umido e a secco. Biodiesel: - Materie prime: oli vegetali e grassi animali. - Processi di produzione: transesterificazione di trigliceridi, esterificazione di acidi grassi liberi ed idroesterificazione. - Catalisi: chimica (basica, acida) vs. enzimatica (lipasi). Idrogeno: - Concetti sula produzione d’idrogeno. - Produzione tramite Elettrolisi, processi termochimici e biologici (biofotolisi, fotofermentazione, dark fermentation). Compostaggio: - Processo Aerobico: Fasi del processo (mesofila, termofila, maturazione). - Parametri di controllo (rapporto C/N, umidità, aerazione, pH). Sintesi Enzimatica di Esteri: - Vantaggi della via enzimatica rispetto a quella chimica. - Sistemi reattivi: con e senza solvente. - Tecniche di intensificazione di processo: fluidi pressurizzati, ultrasuoni, microonde. - Casi di studio: produzione enzimatica di esteri di interesse. Progettazione degli Esperimenti (Design of Experiments - DOE): - Principi e vantaggi rispetto all'approccio "una variabile alla volta". - Terminologia: fattori, livelli, risposte, repliche, randomizzazione. - Disegni sperimentali: disegni fattoriali (es. 2k) e disegni composti centrali (es. CCD). - Analisi statistica dei risultati: stima degli effetti, analisi della varianza (ANOVA), coefficienti di regressione e superfici di risposta.