28994 - PRINCIPI DI INGEGNERIA BIOCHIMICA

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso lo studente conosce gli elementi fondamentali dei fenomeni fisici, chimici e biochimici che determinano il comportamento degli apparati industriali di maggior interesse in campo biotecnologico, ed è quindi in grado di effettuare una analisi quantitativa dei processi dell'industria biotecnologica, sviluppando così capacità di interagire con le altre figure professionali coinvolte nella realizzazione e nella conduzione di processi industriali. In particolare, lo studente i) è in grado di comprendere uno schema di processo di produzione di un prodotto biotecnologico, ii) sa eseguire bilanci di materia ed energia per sistemi multicomponenti in singole apparecchiature e in sistemi complessi, iii) sa comprendere i fenomeni di trasporto coinvolti nel processo.

Contenuti

Modulo 1 (20h)

1. Descrizione generale dei processi biotecnologici, operazioni continue e discontinue, stato stazionario e non stazionario.
2. Richiami di algebra e calcolo infinitesimale.
3. Moto dei fluidi: moto laminare e turbolento, fluidi newtoniani, viscosità, equazione di Poiseuille, fluidi non newtoniani. Equazione di Bernouilli, perdite di carico, fattore d’attrito.

Modulo 2 (32h)

1. Variabili di composizione.
2. Equazioni integrali di bilanci di materia, bilanci per sistemi non reagenti in condizioni stazionarie e non stazionarie.
3. Stadi di equilibrio. Richiamo alle equazioni di equilibrio fra fasi per sistemi gas–liquido e solido–fluido. Analisi di singoli stadi di equilibrio e sistemi in serie o parallelo.
4. Bilanci di materia in sistemi reagenti. Velocità di reazione, cinetiche semplici (primo ordine, Michaelis–Menten, crescita esponenziale, …)
5. Reattori continui, discontinui, semi-continui. Modelli fluidodinamici: fase perfettamente miscelata e corrente monodimensionale, bilanci di materia ed analisi di reattori isotermi.
6. Trasporto di materia tra fasi: coefficienti globali di trasporto.
7. Coefficienti di trasporto di fase, additività delle resistenze, reazioni fluido–solido, concetto di resistenza controllante. Aerazione di fermentatori: il kLa.
8. La diffusione: trasporto diffusivo e trasporto convettivo, la legge di Fick, diffusione in gas, liquidi e solidi, diffusione stazionaria e non stazionaria in geometria piana, cilindrica e sferica, applicazioni (polimeri barriera, membrane).
9. Trasporto di materia in moto laminare e turbolento, teoria del film, correlazioni empiriche per i coefficienti di trasporto, analisi dimensionale.
10. I meccanismi di trasporto del calore, conduzione e convezione in condizioni stazionarie. Problemi di trasporto di calore in condizioni non stazionarie, analogia fra trasporto di materia, calore, trasporto simultaneo di materia e calore.
11. Bilanci di energia. Richiami sul primo principio della termodinamica, bilanci di energia per sistemi aperti, applicazioni a reattori, macchine motrici e operatrici.

Testi/Bibliografia

Slides e appunti di lezione.

Testi per consultazione:

1. Gostoli C., Trasporto di materia con elementi di reattoristica chimica e biochimca, Pitagora editrice, Bologna, 2011.
2. Cussler E.L., Diffusion, Mass Transfer in Fluid System, Cambridge University Press, 1984.
3. R.G. Harrison, P. Todd, S.R. Rudge, D. P. Petrides, Bioseparations Science and Engineering, Oxford Univ. Press, 2003.
4. Y.A. Çengel, Termodinamica e trasmissione del calore, McGraw-Hill, 3a Ed., Milano (2009).

Metodi didattici

Lezioni frontali teoriche e risoluzione di esercizi.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L'esame prevede una prova scritta suddivisa in due parti:

• Due domande a risposta aperta su qualunque argomento del corso. Ciascuna da rispondere in circa mezza pagina. Durata: 30 minuti.
• Un problema da risolvere sul trasporto di momento, materia o calore. Durata: 1 ora.

Strumenti a supporto della didattica

Proiezione di slides che verranno rese disponibili agli studenti.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Camilla Luni

Consulta il sito web di Cristiana Boi