Course Syllabus
Obiettivi
L'insegnamento si propone di fornire gli elementi fondamentali per la scelta e la progettazione delle apparecchiature impiegate nelle operazioni unitarie dell’ingegneria di processo, con particolare riferimento alle applicazioni nell’ambito delle biotecnologie.
Conoscenza e capacità di comprensione
Alla fine del corso lo studente dovrà aver acquisito familiarità con gli impianti di processo e le operazioni unitarie in essi presenti; dovrà conoscere i fenomeni chimico-fisici alla base del funzionamento delle diverse operazioni unitarie considerate; dovrà saper riconoscere i diagrammi comunemente utilizzati dall’ingegnere di processo; dovrà conoscere i principali metodi di calcolo dei costi di un impianto di processo.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Al termine dell’insegnamento lo studente dovrà essere in grado di applicare le conoscenze acquisite al punto 1) a diversi problemi nell’ingegneria di processo. In particolare, avrà la capacità di analizzare e risolvere problemi elementari relativi a unità di separazione (quali filtrazione, centrifugazione, sedimentazione, estrazione, precipitazione, flash e distillazione, adsorbimento, cromatografia, membrane) e per unità di scambio termico mediante modelli semplificati basati su bilanci di materia e di energia e su relazioni di equilibrio. Avrà inoltre la capacità di individuare l’operazione unitaria più idonea per realizzare una determinata separazione in base alle proprietà delle miscele e di stimarne il costo.
Autonomia di giudizio
Lo studente dovrà essere in grado di elaborare e saper applicare quanto appreso alla risoluzione di problemi legati all’ingegneria di processo.
Abilità comunicative
Al termine del corso lo studente dovrà essere in grado di esprimere le strategie adottate per risolvere i problemi e di comunicare i risultati ottenuti in maniera chiara e con proprietà di linguaggio.
Capacità di apprendimento
Alla fine dell’insegnamento lo studente sarà in grado di applicare le conoscenze acquisite a contesti diversi da quelli presentati durante il corso, anche mediante l’utilizzo di nuove risorse (testi, articoli su rivista).
Contenuti sintetici
1. Introduzione
2. Diagrammi e bilanci materiali ed energetici
3. Operazioni dell’ingegneria di processo (bioreattori, operazioni di recupero del prodotto e scambio termico)
4. Analisi dei costi
Programma esteso
1. Introduzione
Bioprodotti, bioseparazioni, operazioni unitarie, operazioni in continuo e batch, schemi, scelta della sequenza ottimale, richiamo di variabili e unità di misura, gas ideali.
2. Diagrammi e bilanci materiali ed energetici
Diagrammi. Diagramma a blocchi, Process Flow Diagram (PFD), Piping and Instrumentation Diagram (P&ID).
Bilanci materiali ed energetici. Legge di conservazione della massa, scrittura del bilancio materiale per processi stazionari e non, bilancio energetico, determinazione dell’entalpia, procedure di calcolo.
3. Operazioni dell’ingegneria di processo
Bioreattori. Operazione batch, fed-batch e continua, configurazioni, materiale di costruzione, monitoraggio della fermentazione, considerazioni pratiche.
Operazioni di recupero del prodotto. Filtrazione, centrifugazione, sedimentazione, estrazione, precipitazione, flash e distillazione, assorbimento e stripping (cenni), adsorbimento, cromatografia, membrane (caratteristiche, dettaglio dell’unità, calcoli di base).
Unità di scambio termico. Unità, meccanismi di scambio, calcoli di base per il progetto di uno scambiatore di calore.
4. Analisi dei costi
Metodologie per la stima dei costi di investimento e operativi.
Prerequisiti
Prerequisiti. Nessuno.
Modalità didattica
L'insegnamento è erogato tramite lezioni frontali supportate da presentazioni in PowerPoint ed esercizi pratici, basati su case study, svolte in aula.
È inoltre prevista un’uscita didattica presso i laboratori del Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica del Politecnico di Milano (previa approvazione del Consiglio di Coordinamento Didattico).
Materiale didattico
Le slides e Il materiale utilizzato a lezione verranno reso disponibili sulla piattaforma e-learning dell'insegnamento.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L’esame finale è una prova scritta con un esercizio e con domande relative a tutti gli argomenti del corso. Durante l’esame lo studente dovrà dimostrare di aver compreso gli argomenti del corso e di essere in grado di esporre con chiarezza le conoscenze acquisite. Il voto è espresso in trentesimi.
Orario di ricevimento
Ricevimento: su appuntamento tramite richiesta via email al docente.
Aims
The goal of the course is to enable students to master those unit operations that are involved in the field of process engineering, with main application in the industrial biotechnology sector.
Knowledge and understanding
At the end of the course the student will have gained knowledge of process plants and unit operations; she/he will have a deep understanding of the principles and of the chemical-physical phenomena at the basis of the considered unit operations; she/he will have to be able to understand the common diagrams daily used by the process engineer; the student will have to know how to perform an economic analysis of a process plant.
Applying knowledge and understanding
The student will be able to apply the knowledge mentioned in 1) to different problems in process engineering. In particular, she/he will have the capability of analysing and solving basic problems of separation units (as filtration, centrifugation, sedimentation, extraction, precipitation, flash and distillation, adsorption, chromatography, membranes) and of heat transfer units by employing simplified models based on material and heat balances and on equilibrium expressions. Moreover, the student will have the capability of identify the best unit operation for a given separation on the basis of the properties of the mixture to be treated and to estimate its cost.
Making judgements
The student will be able to process and apply the knowledge to solve problems related to process engineering.
Communication skills
The student will have to be able to clearly explain the strategies used for solving problems and to communicate the results, with use of appropriate scientific vocabolary.
Learning skills
At the end of the course the student will be able to apply the acquired knowledge to find solutions to problems referring to fields different from the one presented during the course, also by employing new sources (books, journal papers).
Contents
1. Introduction
2. Diagrams and material and energy balances
3. Operations in process engineering (bioreactors, operations for product recovery and heat transfer)
4. Economic analysis
Detailed program
1. Introduction
Bioproducts, bioseparations, unit operations, continuous and batch operations, schemes, choice of the best sequence, review of variables and units of measurements, ideal gases.
2. Diagrams and material and energy balances
Diagrams. Block Flow Diagram, Process Flow Diagram (PFD), Piping and Instrumentation Diagram (P&ID).
Material and energy balances. Law of mass conservation, material balance for steady-state and unsteady-state processes, energy balance, determination of the enthalpy, procedures for calculation.
3. Operations in process engineering
Bioreactors. Batch, fed-batch and continuous operation, configurations, material of construction, monitoring of fermentation, practical considerations.
Operations for product recovery. Filtration, centrifugation, sedimentation, extraction, precipitation, flash and distillation, absorption and stripping (hints), adsorption, chromatography, membrane (main characteristics, unit details, procedure for basic calculation).
Heat transfer unit. Unit, mechanism of heat transfer, basic calculations for the design of the heat transfer unit.
4. Economic analysis
Methodologies for estimation of investment and operating costs.
Prerequisites
Background. None.
Prerequisites. None.
Teaching form
The course is based on lectures, supported by PowerPoint slides, and exercises, based on case studies.
A visit to the laboratories at Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica of Politecnico di Milano (after approval of Consiglio di Coordinamento Didattico) is scheduled.
Textbook and teaching resource
Slides available at the e-learning platform of the course.
Semester
First semester
Assessment method
The final evaluation of learning will be obtained through a written test, with one exercise and with questions about all the topics covered during the course. During the examination the student will have to demonstrate a full understanding of the course topics and to be able to clearly explain the acquired knowledge. The mark is on a thirtieths basis.
Office hours
Contact: on demand by mail to the lecturer.
Key information
Staff
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Stefania Moioli