Orientamento Consapevole Biotecnologie Innovative

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1 Orientamento Consapevole Biotecnologie Innovative UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BARI ALDO MORO DIPARTIMENTO DI BIOSCIENZE, BIOTECNOLOGIE E BIOFARMACEUTICA CLASSI DI LAUREA IN BIOTECNOLOGIE I MICRORGANISMI NEI PROCESSI DI FERMENTAZIONE Dott.ssa Isabella Pisano BARI, 5 FEBBRAIO 2016

2 La nostra offerta formativa ad oggi

3 Piano degli Studi Biotecnologie per l Innovazione di Processi e Prodotti I Anno

4 Piano degli Studi Biotecnologie per l Innovazione di Processi e Prodotti II Anno

5 Piano degli Studi Biotecnologie per l Innovazione di Processi e Prodotti III Anno

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7 Biotecnologie dei microrganismi

8 Esperimento di Pasteur con fiasca a collo di cigno MICROBIOLOGIA A.A

9 La teoria microbica delle malattie : postulati di Koch MICROBIOLOGIA A.A

10 Tasso di morte relativo alle prime 10 cause di morte negli USA nel 1900 e oggi Biotecnologie = BIO + TECNOLOGIA BIO = microbiologia scienza antica o moderna? nata dallo studio degli agenti eziologici delle malattie infettive. Oggi la microbiologia studia anche ciò che di positivo fanno i microrganismi verso l uomo. MICROBIOLOGIA A.A

11 L impatto della microbiologia sull uomo (1) in natura il ruolo dell infinitamente piccolo è infinitamente grande (L. Pasteur) Microrganismi nell agricoltura moderna MICROBIOLOGIA A.A

12 L impatto della microbiologia sull uomo (2) in natura il ruolo dell infinitamente piccolo è infinitamente grande (L. Pasteur) MICROBIOLOGIA A.A

13 L impatto della microbiologia sull uomo (3) in natura il ruolo dell infinitamente piccolo è infinitamente grande (L. Pasteur) MICROBIOLOGIA A.A

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16 PERCHE LE BIOTECNOLOGIE INDUSTRIALI? TIME anni fa LEGNO 200 d.c. ad oggi GRASSI (animali o vegetali) 1830 PARAFFINA (1st distillation) Today RESINE Light Heat da PETROLIO Materiale non vivente NON RINNOVABILE BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A

17 ENERGY from BREAKAGE of C-C bonds: oils vs sugars TALLOW PARAFFIN WAX FERMENTATION COMBUSTION ENERGY BIOFUELS BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A

18 Dal petrolio non si produce solo ENERGIA! US DEPT. OF ENERGY TOP ADDED VALUE CHEMICALS FROM BIOMASS (AUGUST 2004)

19 Biotecnologie = BIO + TECNOLOGIA Biotecnologie delle Fermentazioni Fermentazione trasformazione di materiale organico in prodotti di vario interesse ad opera di microrganismi Bioprocesso BIOPROCESSI TRADIZIONALI: 5000 anni fa pane, birra e vino Oggi formaggi, yoghurt. vini pregiati BIOPROCESSI NON TRADIZIONALI: da microrganismi ma non solo (cellule vegetali, cellule mammifero). Esempi di prodotti: cellule microbiche (biomasse, mangimi e integratori alimentazione) enzimi e/o proteine (insulina, vaccini) metaboliti primari (etanolo, acido citrico) metaboliti secondari (antibiotici) molecole complesse funzionalizzate (antibiotici, dolcificanti) BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A

20 APPLICAZIONI DELLE FERMENTAZIONI MICROBICHE Settori industriali Industria Chimica Organica Industria Chimica Inorganica Industria Farmaceutica Industria Combustibili Industria Alimentare Agro-Industria Di Base Fine Bioestrazione Antibiotici Etanolo Additivi alimentari Mangimi Etanolo Enzimi Biolisciviazione Diagnostica Metano Integratori alimentari Compostaggio Acetone Essenze e Aromi Vaccini Biomasse Scarti Acidi Organici Polimeri Cosmetica BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A

21 Aspetti socio-economici delle biotecnologie fermentative 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 Vantaggi: Produzione molecole complesse Rese superiori Condizioni operative blande (T, ph) Catalisi specifica Prodotti isomerici Bioprocessi vs Processi chimici BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A Svantaggi: Facile contaminazione Lavorazione a valle Approvvigionamento, gestione e scarico grandi volumi di acqua Lentezza del processo

22 Fermentazione = processo microbiologico S + X P substrato cellule prodotto 1. Upstream fase di fermentazione/biotrasformazione 2. Downstream fase di isolamento del prodotto SOSTENIBILITA DI PROCESSO Resa: rapporto tra quantità di prodotto e quantità di substrato Produzione: quantità di prodotto ottenuto Produttività: quantità di prodotto ottenuta nell unità di tempo BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A

23 la macchina cellula Come una cellula si procura la materia di cui è costituita? Come una cellula si procura l energia? Quali istruzioni la cellula deve seguire? MICROBIOLOGIA A.A

24 Cellula procariotica vs eucariotica MICROBIOLOGIA A.A

25 Composizione elementare delle macromolecole cellulari MICROBIOLOGIA A.A

26 Come si costruisce una cellula batterica? Macro molecole Polimeri Strutture cellulari MICROBIOLOGIA A.A

27 Allestimento di una coltura batterica 1. Inoculo in appropriato terreno di coltura (nutrienti, ph) con 1 colonia batterica (~ 10 6 cells) ; 2. Incubazione in condizioni appropriate (T, aerazione, agitazione); 3. Osservazione della coltura microbica (torbidità, contenuto). MICROBIOLOGIA A.A

28 quindi sono necessarie poche ore per trasformare la materia presente nel terreno di coltura e riorganizzarla in molecole e strutture sofisticate che compongono le cells. 1. Di cosa necessita la cell per fare tutto questo? 2. Come caratterizzare i microrganismi in base alle loro esigenze metaboliche? 3. Diversità metabolica? MICROBIOLOGIA A.A

29 dalla beuta al fermentatore industriale BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A

30 Saccharomyces cerevisiae Organismo GRAS (Generally Recognized As Safe) nessun pericolo per l uomo Elevata flessibilità metabolica (metabolismo fermentativo vs respiratorio) Elevata duttilità (facile ed economico da crescere in laboratorio; facile manipolazione genetica) BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A

31 S. cerevisiae: ANAEROBIO FACOLTATIVO capacità di utilizzare glucosio in presenza e in assenza di O2 BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A

32 PRODUZIONI INDUSTRIALI ATTUALI 1. Produzione di biomassa (lievito per panificazione) 2. Produzione di bevande alcoliche (starter: lieviti selezionati per particolari caratteristiche fermentative) 3. Produzione di bioetanolo 4. Produzione di proteine ricombinanti (vaccino epatite B; insulina) BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A

33 Fermentazione alcolica: schema a blocchi BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A

34 ASPETTI METABOLICI ENZIMI CHIAVE 1. Piruvato decarbossilasi 2. Alcol deidrogenasi 3. Acetaldeide deidrogenasi 4. Glicerolo-3Pdeidrogenasi Prodotto 2 ario Fermentazione ± O 2 Respirazione +O 2 BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A Prodotto 2 ario

35 Cinetica di fermentazione in S. cerevisiae Glucosio Cellule + Etanolo Stop Etanolo Cellule BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A

36 LIMITI DELLA PRODUZIONE DI BIOETANOLO DA S. cerevisiae Limitazione nutrienti (es. azoto) Inibizione da substrato (es. stress osmotico da elevate concentrazioni zuccherine nelle materie prime) Inibizione da prodotto (es. etanolo ad alte concentrazioni forte inibitore) No metabolismo di pentosi e zuccheri più complessi (lattosio, amido, ecc) Inibizione da composti tossici rilasciati dal pretrattamento delle materie prime la ricerca continua! BIOTECNOLOGIE DELLE FERMENTAZIONI A.A

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41 Messaggeri della Conoscenza Bando ministeriale del proposte di cui 113 finanziate stanziati

42 BIOTECNOLOGIE per la BIORAFFINERIA produrre carburanti e prodotti chimici sostenibili da materie prime rinnovabili Universitá degli Studi di Bari Aldo Moro Dipartimento di Bioscienze, Biotecnologie e Biofarmaceutica

43 Messaggeri della Conoscenza Conoscenza 43

44 Messaggeri della Conoscenza Conoscenza Struttura del Corso SEMINARI di Ricercatori in Biotecnologie Industriali LAVORO di GRUPPO

45 Messaggeri della Conoscenza Rosita Erika Maria Vincenzo Il periodo di studi all estero ha previsto quattro fasi: 1. Studio di letteratura scientifica 2. Svolgimento di attività sperimentali 3. Stesura di una relazione finale 4. Presentazione finale del progetto di ricerca

46 A lot of work!!!

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59 Il vostro futuro