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    Umberto ARENA

    Insegnamento di IMPIANTI PER LA PRODUZIONE DI FARMACI

    Corso di laurea magistrale a ciclo unico in FARMACIA

    SSD: ING-IND/25

    CFU: 3,00

    ORE PER UNITÀ DIDATTICA: 24,00

    Periodo di Erogazione: Annualità Singola

    Italiano

    Lingua di insegnamento

    ITALIANO

    Contenuti

    Elementi fondamentali dei bilanci di materia ed energia di processi chimici, partendo dalle equazioni generali di bilancio fino allo sviluppo di esempi calcolativi per processi di complessità crescente, con particolare attenzione agli aspetti di utilità per impianti di produzione dei farmaci diversi.

    Testi di riferimento

    R.M. Felder, R.W. Rousseau, L.G. Bullard (2016) Elementary Principles of Chemical Processes, 4rd ed., J. Wiley ISBN-13: 978-0-470-61629-1
    D.W. Green e R.H. Perry (2007) Perry's Chemical Engineers' Handbook. 8th ed Mc Graw Hill
    Materiale di supporto disponibile a: https://uninadue.sharepoint.com/sites/docenti/UMBERTO_ARENA_057684/SitePages/Home%20Page.aspx

    Obiettivi formativi

    L’insegnamento si prefigge di descrivere gli aspetti fondamentali per il dimensionamento di impianti di produzione dei farmaci. Dopo brevi richiami su metodi di calcolo e sul significato delle principali variabili di interesse nell’industria di processo, lo studente acquisirà gli strumenti per effettuare bilanci di materia e di energia su processi diversi, in presenza o meno di reazione, in reattori continui, semicontinui o discontinui, principalmente in regime stazionario.
    Alla fine del corso lo studente, partendo dalle equazioni generali di bilancio, saprà affrontare problemi calcolativi che simulano le principali condizioni di funzionamento dei processi di maggiore interesse, e di comprendere l’impiego di parametri in uso nella pratica industriale.

    Prerequisiti

    Conoscenze e abilità fornite dai corsi di Chimica generale ed inorganica

    Metodologie didattiche

    Il corso è prevalentemente organizzato con lezioni frontali, supportate dalla distribuzione preliminare del file pdf delle slide che verranno usate a lezione, con riferimenti precisi al principale libro di testo. Molte lezioni saranno incentrate su esercitazioni numeriche, con impiego di tabelle anch'esse distribuite nella prime lezioni del corso. Gli studenti saranno coinvolti continuamente nello sviluppo dei problemi numerici da risolvere.

    Metodi di valutazione

    Prova scritta con esercitazioni numeriche e domande. La prova sarà unica, con aspetti calcolativi e alcune domande di teoria, con una durata variabile tra 1,5 e 2 ore, durante la quale sarà possibile consultare tabelle e dati, forniti durante il corso.
    La successiva prova orale, a cui sono ammessi solo gli studenti che hanno superato la prova scritta, consiste nella discussione della stessa prova scritta.

    Altre informazioni

    È disponibile materiale di supporto on-line.
    Programmi di tutorato posso essere attivati.
    A fine corso è usuale organizzare alcuni incontri per discutere di eventuali aspetti che richiedano ulteriori delucidazioni.

    Programma del corso

    1. Bilanci di materia per impianti industriali. L’equazione generale di bilancio: bilanci su processi continui in stato stazionario; bilanci su processi discontinui e semicontinui. Calcoli di bilanci di materia per processi con singole unità: diagrammi di flusso; basi di calcolo; procedura generale di calcolo. Calcoli di bilanci di materia per processi con unità multiple: procedura generale; riciclo e bypass; spurgo. Stechiometria delle reazioni chimiche: rapporto stechiometrico; reagenti limitanti ed in eccesso; conversione frazionaria ed estensione della reazione; equilibrio chimico; reazioni multiple, resa e selettività. Calcoli di bilanci di materia sulle specie molecolari ed atomiche. Reazioni di combustione: aria teorica ed eccesso d’aria. Sistemi a singola fase: densità di solidi e liquidi; gas ideali (equazione di stato; miscele di gas ideali); equazioni di stato per gas non-ideali.
    2. Bilanci di energia per impianti industriali. Forme di energia e prima legge della termodinamica. Bilanci di energia su sistemi aperti in stato stazionario (lavoro all’albero; proprietà specifiche ed entalpia). Tabelle di dati termodinamici (stato di riferimento; proprietà di stato; tabelle del vapore). Procedure di bilancio di energia. Bilanci di energia per processi non reattivi: cammini di processi ipotetici; cambi di pressione a costante temperatura e stato di aggregazione; cambi di temperatura (calore sensibile e calori specifici) a costante pressione e stato di aggregazione; operazioni con cambio di fase (calori latenti). Bilanci di energia per processi reattivi: calori di reazione; calori di formazione; calori di combustione; procedura generale di calcolo.

    English

    Teaching language

    Italian

    Contents

    Elementary principles of chemical processes, starting from the general equation of material and energy balances for non-reactive and reactive processes, with a particular focus on case studies related to manufacturing plants for different drugs.

    Textbook and course materials

    R.M. Felder, R.W. Rousseau, L.G. Bullard (2016) Elementary Principles of Chemical Processes, 4rd ed., J. Wiley ISBN-13: 978-0-470-61629-1
    D.W. Green and R.H. Perry (2007) Perry's Chemical Engineers' Handbook. 8th edition. Mc Graw Hill
    Didactic material available at: https://uninadue.sharepoint.com/sites/docenti/UMBERTO_ARENA_057684/SitePages/Home%20Page.aspx

    Course objectives

    The course aims to provide a general framework about the principles of the industrial production of different kind of drugs. A specific attention will be given to the fundamental tools to develop material and energy balances on manufacturing processes, in continuous, batch or semi-batch systems, with or without the occurrence of a chemical reaction, mainly at steady state.
    At the end of the course the student will be able to develop material and energy balances on drug manufacturing processes: starting from the general equation of balance until the quantitative description of the processes of larger interest, with a particular attention to effect of the main process variables.

    Prerequisites

    Knowledge and skills provided by the courses of General and Inorganic Chemistry

    Teaching methods

    The course is mainly organized in front desk lectures, supported by the preliminary distribution of pdf files containing most of the slides that will be utilized, and references to the main textbooks. In several cases, numerical exercises will be implemented with the full involvement of the audience and the utilization of numerical tables, also taken from the main textbooks.

    Evaluation methods

    Written test containing numerical exercise and questions. There will be just one written test, with an available time of 1.5-2 h. During the test it will be possible to utilize table and data, provided during the course.
    Only the students that pass the written test will be admitted to the oral exam, where there will be a discussion of the written test.

    Other information

    Support material is available on-line.
    Tutorial programs can be activated.
    At the end of the course, it is usual to organize a few meetings to discuss together specific aspects for which the students require further clarifications.

    Course Syllabus

    1. Mass balance calculations for industrial plants. The general balance equation: balances on continuous steady-state processes; integral balances on batch and semibatch processes. Balances on single-unit processes: flowchart, basis of calculation; scale-up; general procedure for single-unit process material balance calculations. Balances on multiple-unit processes: general procedure; recycle and bypass; purge. Chemical reaction stoichiometry: stoichiometric ratio; limiting and excess reactants; fractional conversion and extent of reaction; chemical equilibrium; multiple reactions, yield and selectivity. Balances on reactive processes: balances on molecular and atomic species. Combustion reactions: theoretical and excess air. Single-phase systems: liquid and solid densities; ideal gases (equation of state; ideal gas mixtures); equations of state for non-ideal gases.
    2. Energy balance calculations for industrial plants. Form of energy and the first law of thermodynamics. Energy balances on open systems at steady state (shaft work; specific properties and enthalpy). Tables of thermodynamic data (reference state and state properties; steam tables). Energy balance procedures. Balances on nonreactive processes: hypothetical process paths; changes in pressure at constant temperature and state of aggregation; changes in temperature at constant pressure and state of aggregation (sensible heat and heat capacities); phase changes at constant temperature and pressure (latent heats). Balances on reactive processes: heat of reaction; heat of formation; heat of combustion; general procedures of calculations.

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