72668 - MICROBIOLOGIA APPLICATA AL RISANAMENTO AMBIENTALE E ALLE BIOENERGIE

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine dell'insegnamento lo studente avrà ampliato le conoscenze acquisite dallo studio della microbiologia generale estendendole alle caratteristiche dei gruppi microbici utilizzati nella produzione di energia da biomasse e nella biodegradazione di inquinanti ambientali. Lo studente sarà in grado di applicare tali conoscenze alla gestione di impianti per la produzione di bioenergia e per il biorisanamento di habitat contaminati (acqua, suolo).

Contenuti

A)    Prerequisiti

Lo studente che approccia a questo insegnamento è in possesso di una buona preparazione nei fondamenti della microbiologia generale agraria e della biochimica agraria. Queste conoscenze di base sono forniti dagli insegnamenti erogati durante il primo e il secondo anno del corso di studi.

B)    Unità didattiche

Il corso è diviso in 3 Unità didattiche, ognuna delle quali prevede una parte teorica, svolta mediante lezioni frontali, e una parte pratica, svolta attraverso visite didattiche e attività di laboratorio.

1.      Approccio allo studio delle popolazioni microbiche in matrici ambientali (Totale unità didattica 8 ore)

1.1  Tecniche di analisi di popolazioni microbiche coltura dipendenti e coltura indipendenti e loro applicazioni per lo studio di popolazioni microbiche in matrici complesse. Applicazioni della microscopia a fluorescenza e confocale laser nello studio di matrici ambientali.

1.2  Visita ai laboratori di microbiologia presenti nel Dipartimento di Scienze Agrarie per una visione e descrizione dell'impiego delle strumentazioni trattate in linea teorica nel punto 1.1 (4 ore).

 Conoscenze acquisite nell'unità didattica 1:

Lo studente è in grado di decidere la tecnica più opportuna per la caratterizzazione microbica di una matrice ambientale

2.      Applicazione dei microrganismi per la produzione di bioenergie e di bioplastiche (Totale unità didattica 16 ore)

2.1 Produzione di biogas: i microrganismi come agenti della metanogenesi in habitat anaerobici. I substrati per la metanogenesi. I bioreattori per la metanogenesi: a cellule libere, a cellule immobilizzate, a letto espanso e fluidizzato, reattori UASB, reattori a due stadi. Processi in mesofilia e termofilia.

2.2 Produzione di bioetanolo: Saccharomyces cerevisiae e Zymomonas mobilis come agenti biologici, vantaggi e svantaggi dei due processi. Bioetanolo di prima e seconda generazione, processi di pre-trattamento dell'amido e dei materiali lignocellulosici. Produzione di bioetanolo da zuccheri e da amido in lievito: processi in batch e in continuo.

 2.3 Produzione di bioidrogeno: microrganismi utilizzati, le idrogenasi. Produzione di idrogeno per via fermentativa al buio: fermentazione acido-mista e fermentazione butirrica, bioreattori per la produzione di idrogeno con fermentazione al buio. Produzione di idrogeno da microrganismi fotosintetici : le microalghe verdi, i cianobatteri, i batteri rossi non sulfurei. Cenni ai fotobioreattori per la coltivazione delle microalghe.

 2.4 Produzione di bioplastiche: plastiche di sintesi, plastiche biodegradabili; concetto di biodegradabilità e di compostabilità. L'acido polilattico: produzione, ruolo dei batteri lattici, proprietà. Biopolimeri a base di amido: produzione e uso. I poliidrossialcanoati: il PHB, produzione di PHA da colture pure, miste e da sottoprodotti/prodotti di scarto.

 2.5 Visita didattica ad un digestore anaerobico nella provincia di Bologna alimentato con deiezioni animali e biomasse (4 ore).

Conoscenze acquisite nell'unità didattica 2:

Conoscenza dei principali gruppi microbici coinvolti nella produzione di bioenergie
Conoscenza di base degli impianti che prevedono l'impiego di microrganismi per la produzione di bioenergie
Conoscenza dei principali processi per la produzione di bioplastiche

3.      Applicazione dei microrganismi per il risanamento ambientale (Totale unità didattica 16 ore)

3.1 Il comparto suolo: applicabilità del biorisanamento, biodegradabilità e tossicità degli inquinanti organici ed inorganici, distribuzione degli inquinanti nel suolo, potenzialità dei microrganismi nella degradazione degli inquinanti nel suolo. Tecnologie di biorisanamento in situ, on site and ex situ: bioattenuazione, biorisanamento accelerato, bioaugmentation, bioventilazione, biospargimento, landfarming e biopile, fitorisanamento, trattamento in bioreattori. 

 3.2  Il comparto acqua: applicabilità dei microrganismi nei processi di biorisanamento delle acque, biodegradabilità degli inquinanti, trattamenti primari, secondari e terziari con particolare riferimento ai trattamenti secondari biologici. La microbiologia dei fanghi attivi e ruolo dei microrganismi in questo processo. Processi a cellule libere e immobilizzate: letti e filtri percolatori, i biodischi. Trattamento dei fanghi residuali e digestione anaerobica.

 3.3  Attività di laboratorio: analisi microbiologica di campioni di acqua. I microrganismi indicatori di inquinamento fecale: breve introduzione. Gli studenti, divisi in gruppi, eseguiranno in laboratorio una analisi quali e quantitativa dei microrganismi presenti in un campione di acqua, accertando la presenza di microrganismi indicatori di contaminazione fecale (6 ore).

     Conoscenze acquisite nell'unità didattica 3:

Conoscenza dei principali gruppi microbici coinvolti nel risanamento ambientale

Conoscenza di base delle tecnologie che prevedono l'impiego di microrganismi per il trattamento di acque e suoli contaminati

Capacità di svolgere un'analisi microbiologica di base dell'acqua

Testi/Bibliografia

Fondamentale sarà l'utilizzo di materiale proiettato dal docente e reso disponibile agli studenti e degli appunti di lezione. Alcuni aspetti sono trattati in:

B. Biavati, C. Sorlini, Microbiologia agroambientale, Casa Editrice Ambrosiana, Milano, 2007.

Metodi didattici

Il corso è diviso in 3 Unità didattiche, ognuna delle quali prevede una parte teorica, svolta mediante lezioni frontali, e una parte pratica, svolta attraverso visite didattiche e attività di laboratorio.

1) Didattica frontale: attraverso le lezioni frontali in aula lo studente acquisirà familiarità coi processi microbiologici coinvolti nella produzione di bioenergie, bioplastiche e nella biodegradazione di inquinanti ambientali.  Sarà inoltre in grado di applicare le conoscenze microbiologiche acquisite nella gestione di impianti per la produzione di bioenergia e per il risanamento di habitat contaminati (acqua, suolo)

2) Esercitazioni e visite didattiche: lo studente si inserirà in problematiche reali per verificare le capacità d'applicazione delle conoscenze acquisite nel settore della microbiologia applicata.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento dell'insegnamento di Microbiologia Applicata al Risanamento Ambientale e alle Bioenergie avviene attraverso un esame finale orale. Il colloquio verterà sugli argomenti svolti nelle lezioni dell'insegnamento, sia teorici che pratici. Saranno poste 3 domande di base, una per ogni Unità Didattica che fa parte del corso (Approccio allo studio delle popolazioni microbiche in matrici ambientali; Applicazione dei microrganismi per la produzione di bioenergie e di bioplastiche; Applicazione dei microrganismi per il risanamento ambientale). Per ogni Unità Didattica sarà formulata una votazione in trentesimi, dalla cui media risulterà la votazione finale. E' necessario che il candidato raggiunga la votazione di 18/30 in ognuna delle 3 unità didattiche caratterizzanti il corso. La durata della prova orale sarà di 30 minuti.

Strumenti a supporto della didattica

Per la didattica frontale si utilizzeranno PC, videoproiettore e lavagna tradizionale. Le esercitazioni di laboratorio avranno luogo nei laboratori didattici del Dipartimento di Scienze Agrarie.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Diana Di Gioia