78657 - DOWNSTREAM PROCESSING OF BIOLOGICAL MOLECULES

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2018/2019

Conoscenze e abilità da conseguire

At the end of the course the student has knowledge of downstream and purification processes used for the industrial production of biological molecules.

Programma/Contenuti

PREREQUISITI

L'allievo che accede a questo insegnamento conosce e sa utilizzare i principi base dell'ingegneria chimica e in particolare le operazioni unitarie, la termodinamica e i fenomeni di trasporto.

Buona conoscenza della lingua inglese parlata e scritta.

PROGRAMMA

BIOREACTORS AND DOWNSTREAM PROCESSES MODULE I (3 CFU)

  • Richiami di cinetica chimica: velocità di reazione, reazioni elementari e non elementari, ordine di reazione, catalisi ed enzimi. Cinetiche di interesse biologico: modello di Monod e cenni su modelli cinetici complessi (strutturati e segregati).
  • Equazioni di bilancio per reattori ideali: batch, CSTR, PFR.
  • Vettori e sistemi di espressione: cellule batteriche, lieviti e mammifere.
  • Modalità operative ed analisi delle prestazioni di bioreattori: sistemi continui, discontinui e semi-continui (fed-batch). Conduzione dei bioreattori e problemi di conversione.
  • Miscelazione.
  • Bioreattori agitati ed air-lift: configurazioni, caratteristiche e modalità operative. Bioreattori per colture di cellule mammifere.

BIOREACTORS AND DOWNSTREAM PROCESSES MODULE II (6 CFU)
DOWNSTREAM PROCESSES of BIOLOGICAL MOLECULES (6 CFU)

  • Richiami sui processi di separazione in generale e criteri di scelta del processo più appropriato per una data separazione.
  • Metodi e apparati per la lisi delle cellule.
  • Separazioni solido/liquido: sedimentazione, filtrazione e centrifugazione.
  • Flocculazione: teoria del doppio strato elettrico, teoria DLVO, agenti flocculanti.
  • Precipitazione delle proteine: solubilità delle proteine (salting in e salting out), formazione di un precipitato, dimensionamento di apparati per la precipitazione.
  • Processi di separazione a membrana: microfiltrazione, ultrafiltrazione, filtrazione sterile, rimozione di virus. Diafiltrazione. Membrane: classificazione a seconda del materiale e della struttura. Moduli: descrizione e impiego dei vari tipi di modulo. Utilizzo di impianti a membrana in processi biotecnologici.
  • Estrazione liquido-liquido: principio del processo, metodi di calcolo del coefficiente di ripartizione. Calcolo del numero di stadi necessari per ottenere un determinato recupero. Estrazione con solvente e con due fasi acquose. Applicazione alle bioseparazioni. Estrazione liquido-liquido di proteine con micelle inverse.
  • Adsorbimento: principi fondamentali. Separazione per adsorbimento. Isoterme di adsorbimento: derivazione isoterma di Langmuir. Altri modelli di isoterme: Freundlich, Temkin e bi-Langmuir.
  • Cromatografia per adsorbimento: scambio ionico, affinità, interazioni idrofobiche. Gel filtrazione, cromatografia di partizione. Principi di funzionamento e modalità operative. Materiali di riempimento per colonne cromatografiche Tipi di resine. Applicazioni dei vari processi cromatografici. Cromatografia: risposta ad un disturbo in ingresso differenza tra caso ideale e reale. Forma del picco cromatografico. Dinamica di una colonna cromatografica: teoria dei piatti, efficienza di una colonna, equazione di Van Deemter, teoria della cromatografia per adsorbimento.
  • Cristallizzazione: tipi di cristalli e loro caratteristiche. Diagrammi di fase e condizioni di formazione dei cristalli. Cristallizzazione di proteine. Cristallizzatori.
  • Processo di produzione di anticorpi monoclonali: analisi del processo e valutazione economica. Analisi delle criticità e possibili miglioramenti del processo. Rimozione di impurità (polishing steps) in processi di produzione di anticorpi monoclonali: AEX; CEX; HIC e cromatografia "mixed mode".
  • Esempi di processi di produzione di prodotti biotecnologici: produzione di insulina per via ricombinante, processo di produzione di acido citrico.
  • Simulatori di processo: utilizzo di software per dimensionamento apparati e bioprocessi.

Testi/Bibliografia

P.M. Doran, Bioprocess Engineering Principles, 2nd Ed., Elsevier, 2013.

Froment G.F., Bischoff K.B., Chemical reactor analysis and design, John Wiley, 1990.

R.G. Harrison, P. Todd, S. Rudge and D. Petrides, Bioseparations Science and Engineering, 2nd Ed. Oxford U. Press, NY, 2015.

Process scale bioseparations for the biopharmaceutical industry, A.A. Shukla, M.R. Etzel. S. Gadam Editors, CRC, Taylor & Francis, 2007.

M. L. Shuler and F. Kargi, Bioprocess Engineering, 2nd Ed., Prentice Hall, 2002.

Metodi didattici

Lezioni ed esercitazioni in aula, tesina di approfondimento.

Modalità di verifica dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento verrà effettuata con la tesina di approfondimento e l'esame di fine corso. L'esame di fine corso consisterà in una prova scritta composta da due parti:

  • domande preliminari necessarie per la verifica dei prerequisiti
  • domande aperte sui contenuti del corso.

In particolare, l'esame finale è volto a valutare il raggiungimento degli obiettivi didattici:

  • Conoscere le operazioni unitarie di un processo biotecnologico.
  • Conoscere i fondamenti alla base dei bioreattori.
  • Capire il principio di funzionamento e fare dimensionamenti di massima degli apparati di separazione.
  • Stabilire quali sono le operazioni unitarie necessarie per ottenere un dato prodotto biotecnologico.

Il superamento dell'esame sarà garantito agli studenti che dimostreranno padronanza dei concetti di base illustrati nel corso e, in particolare, delle modalità di produzione dei bioprodotti e delle operazioni unitarie rilevanti. Un punteggio più elevato sarà attribuito agli studenti che dimostreranno una piena comprensione degli argomenti del corso illustrandoli con proprietà di linguaggio e capacità analitiche. Il mancato superamento dell'esame potrà essere dovuto all'insufficiente conoscenza dei principi alla base dei bioprocessi e alla mancata padronanza del linguaggio tecnico.

Il voto finale del corso viene definito come somma della valutazione dell'esame finale (70%) e della tesina che verrà presentata dallo studente alla fine del corso (30%).

Strumenti a supporto della didattica

Materiale didattico: il materiale didattico presentato a lezione verrà messo a disposizione dello studente in formato elettronico tramite internet. Per ottenere il materiale didattico: http://campus.unibo.it/

Username e password sono riservati a studenti iscritti all'Università di Bologna.

Materiale aggiuntivo verrà messo a disposizione degli studenti durante il corso. Verranno inoltre fornite indicazioni per ricerche bibliografiche individuali.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Cristiana Boi