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 particolare, lo studente sviluppa la capacità di interazione con altre figure professionali coinvolte nella realizzazione e nella conduzione di processi industriali.

Contenuti

Descrizione generale dei processi biotecnologici; esempi. Fattori che determinano il costo di prodotti dell'industria .biotecnologica. Apparati principali. Operazioni unitarie, fenomeni di trasporto come metodologia.

Introduzione ai bilanci di materia in condizioni stazionarie senza e con reazione chimica/biochimica. Richiami generali sui bilanci di materia per sistemi stazionari e transitori in assenza di reazioni; fase perfettamente miscelata e flusso a pistone. Miscelazione transitoria in fase perfettamente miscelata. Discussione. Esempi di applicazione per diafiltrazione. Bilanci di materia con reazione chimica: fase perfettamente miscelata in condizioni stazionarie; esempi con cinetiche diverse, e con cinetica di Michaelis-Menten. Bilanci di materia con reazione chimica: fase perfettamente miscelata, condizioni transitorie; funzionamento batch (discontinuo); esempio per cinetica di primo ordine e per cinetica di Michaelis-Menten. Bilanci di materia con reazione chimica in flusso a pistone: condizioni stazionarie ed esempi; condizioni transitorie.

Elementi di statica dei fluidi: distribuzione idrostatica di pressione; carico idraulico. Elementi di moto dei fluidi; bilancio di quantità di moto. Sforzi interni di origine viscosa. Viscosità di fluidi Newtoniani; fluidi Newtoniani e non-Newtoniani. Bilancio di quantità di moto in moto laminare in condotto circolare: andamento degli sforzi viscosi. Equazione di Poiseuille per moto laminare in condotti circolari; stabilità di moti laminari. Discussione sull'equazione del moto e valutazione dell'ordine di grandezza dei suoi termini: numero di Reynolds e suo significato. Moti viscosi e moti inerziali: diversa dipendenza delle perdite di carico dalla velocità.

Velocità di sedimentazione di una sfera singola e da una sospensione concentrata. Determinazione dell'area di un sedimentatore. Centrifugazione; calcolo della velocità terminale e calcolo della distanza percorsa dalla particella; coefficiente di sedimentazione, tempo effettivo di sedimentazione; centrifughe e loro funzionamento. Calcolo delle distribuzione di concentrazione in una centrifugazione ed in ultracentrifugazione (legge di Lamm senza diffusione): discussione e soluzione.

Legge di Darcy per il moto viscoso in mezzi porosi. Filtrazione cieca: andamento temporale dello spessore della torta, del volume filtrato e della velocità di filtrazione; metodologie per il passaggio dalla scala di laboratorio alla scala industriale: equazione della filtrazione. Filtri rotativi: descrizione; lavaggio delle torta e sua asportazione. Esempi di calcolo di scale-up nella filtrazione.

Moto di fluidi e perdita di carico in colonne riempite, per moto viscoso, moto inierziale ed in generale.

Esempi di problemi di moto: derivazione del legame portata-perdite di carico: moto laminare in condotto circolare. Relazioni basate sull'analisi dimensionale, fattore di attrito e sua dipendenza dal numero di Reynolds.

Cenni sugli equilibri fra fasi; generalità ed espressioni di uso frequente per il caso di equilibri liquido vapore (tensione di vapore, legge di Henry, legge di Raoult) e per liquido liquido. Equilibri fra fasi: liquido-liquido; liquido-liquido-vapore; equilibrio osmotico e pressione osmotica; isoterme di equilibrio in solidi polimerici.

Diffusione: generalità, legge di Fick; diffusività. Ordini di grandezza dei coefficienti di diffusione per fasi gassose, liquide e solide e loro dipendenza dalla temperatura. Bilanci di materia stazionari in presenza di diffusione: calcolo del flusso diffusivo in geometria piana, cilindrica. Diffusione transitoria in geometria piana (assorbimento simmetrico): andamento del flusso interfacciale e della massa assorbita nel tempo; misura del coefficiente di diffusione; equazione di bilancio di materia nel transitorio

Diffusione transitoria: valutazioni sui tempi caratteristici dall'equazione di bilancio. Permeazione transitoria; time lag, Permeabilità. Equazione di bilancio di materia per fluido in moto, in presenza di diffusione: flusso a pistone, adimensionalizzazione, numero di Péclèt e suo significato; numero di Schmidt e suo ordine di grandezza per soluzioni acquose.

Scambi di materia fra fasi: forza motrice globale come distanza dalla concentrazione di equilibrio con la fase esterna. Definizione di coefficiente globale di scambio di materia. Calcolo del coefficiente di scambio di materia: correlazioni adimensionali, numero di Sherwood ed esempi di correlazioni per moti turbolenti e per moti laminari; numero di Graetz e grafico di Graetz. Lunghezze di entrata, per il moto e per il profilo di concentrazione. Applicazioni alle separazioni con membrane: discussione qualitativa sul fenomeno della polarizzazione di concentrazione; esame dell'andamento del flusso permeato con la differenza di pressione in osmosi inversa: valutazione quantitativa della polarizzazione. Andamento del flusso transmembranale con la differenza di pressione nell'ultrafiltrazione, flusso limite e sua dipendenza dalla concentrazione e dalla fluidodinamica. Valutazione quantitativa della polarizzazione di concentrazione e dell'esistenza del flusso limite.

Illustrazione di esempi concreti di flusso limite. Effetti del fouling: sue origini, discussione. Uso del coefficiente di scambio: calcolo del profilo di concentrazione per dialisi in corrente monodimensionale che scambia con soluzione a concentrazione costante. Coefficiente di scambio globale: suo calcolo e proprietà: calcolo dei profili di concentrazione e delle forza motrice media per dialisi in correnti monodimensionali: equicorrente e controcorrente; discussione dei risultati; media logaritmica del salto di concentrazione.

Cromatografia: generalità, cromatografia preparativa; tipi di cromatografia, materiali usati. Descrizione dei cicli cromatografici, breakthrough curves, lavaggio ed eluizione. Fenomeni di trasporto che influenzano la cromatografia; dispersione fluidodinamica in colonna; dispersione esterna. Isoterme di adsorbimento: Langmuir e Temkin.

Richiami sul primo principio della termodinamica: generalità, energie possedute ed energie scambiate. Problemi di scambio termico: legge di Fourier, conduzione stazionaria e transitoria, numero di Fourier; coefficiente di scambio termico e suo calcolo tramite relazioni adimensionali: numero di Nusselt, di Péclèt e di Prandtl. Analogie fra scambio termico e scambio di materia.

Scambio termico: coefficiente di scambio globale, sue proprietà. Determinazione dell'andamento della temperatura in uno scambiatore; calcolo della forza motrice media: delta T medio logaritmico.

Testi/Bibliografia

1 D. Forciniti Industrial Bioseparations: Principles and Practice Wiley-Blackwell, 2007 (ISBN: 978-0-8138-2085-9)

2. R.G. Harrison, P. Todd, S.R. Rudge, D. P. Petrides, Bioseparations Science and Engineering, Oxford Univ. Press, 2003

3 C. Gostoli Primo corso di trasporto di materia e reattoristica chimica, Pitagora ed, 2005

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L'esame finale èorale. Sono svolte due prove scritte intermedie facoltative.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Giulio Cesare Sarti