Inglese

I contenuti essenziali del corso riguardano gli argomenti basilari di ingegneria chimica e biotecnologica. In particolare, i principali sono: processi e variabili di processo; classificazione dei processi; bilanci di materia su processi non reattivi; bilanci di materia su processi reattivi; sistemi di reazioni biochimiche.

- R.M. Felder e R.W. Rousseau (2000). Elementary Principles of Chemical Processes, J. Wiley.
- O. Levenspiel (1999). Chemical reaction engineering, J. Wiley.

Lo scopo del corso è quello di fornire agli studenti i concetti base necessari a formulare e risolvere bilanci di materia su differenti processi chimici e biotecnologici industriali. In sostanza, si introduce l’approccio ingegneristico alla risoluzione di problemi relativi a processi industriali, ovvero: scomposizione di un processo nelle sue unità fondamentali, identificazione delle relazioni tra variabili note ed incognite, assemblaggio delle informazioni necessarie per determinare le incognite del processo al fine di ottenere la soluzione desiderata del problema.
Al termine del corso, lo studente avrà acquisito conoscenze teoriche che gli consentiranno di valutare l’efficienza di un processo e, eventualmente, di proporre semplici accorgimenti volti al miglioramento delle prestazioni complessive.

Conoscenze acquisite dai corsi di Chimica, Fisica, Matematica e Biologia. Lo studente, in particolare, deve avere le conoscenze basilari riguardanti: unità di misura; sistemi di unità di misura; omogeneità dimensionale; calcolo numerico; stechiometria delle reazioni chimiche; velocità di reazione; attività metabolica microbica.

Il corso è articolato in 8 lezioni (per un totale 24 ore di lezioni frontali) svolte dal docente in cui verrà esposta la teoria e verrà applicata mediante la risoluzione di molteplici esercizi e casi studio. Il corso prevede, inoltre, l’applicazione degli argomenti esposti attraverso lo svolgimento di esercitazioni numeriche in aula sotto la supervisione del docente o di un tutor. Sono anche previste esercitazioni di gruppo a casa che saranno poi oggetto di chiarimenti e correzioni da parte del docente negli orari di ricevimento.
Il corso non prevede la frequenza obbligatoria.

L’esame consiste nel superamento di una prova scritta da svolgere alla fine del corso. La prova scritta prevede la risoluzione di tre o quattro esercizi (il numero di esercizi può variare in relazione al loro grado di complessità) in un tempo massimo di 150 minuti. la prova si intende superata se il voto finale è di almeno 18/30. La risoluzione numerica degli esercizi prevede l'applicazione, da parte dello studente, delle conoscenze acquisite sulla formulazione e sulla risoluzione delle equazioni di bilancio di materia concernenti processi chimici e biochimici.
L'esame scritto mira a valutare, da parte dello studente, l'abilità di connessione dei vari argomenti del corso. In particolare, saranno valutate le capacità organizzative delle informazioni fornite dagli esercizi per la costruzione del corretto layout del processo in esame e il percorso logico seguito per risolvere le problematiche proposte.

Lo studente potrà avvalersi del materiale didattico aggiuntivo (slides, dispense, esercizi, ecc.) messo a disposizione sul sito web di Ateneo.
Il docente è disponibile per ricevimento studenti nei giorni indicati sulla scheda insegnamento e in ulteriori giorni previa richiesta inoltrata via e-mail.

1. Introduzione ai calcoli di ingegneria
Conversioni di unità di misura, Omogeneità dimensionale, Sistemi di unità di misura.
Variabili di processo: massa e volume; portata; composizione chimica; pressione; temperatura.

2. Fondamenti di bilanci materiali
L’equazione generale di bilancio; bilanci su processi continui in stato stazionario; bilanci su processi discontinui; bilanci su processi 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 e estensione della reazione; equilibrio chimico; reazioni multiple, resa e selettività.

3. Processi biochimici
Fermentazione enzimatica: cinetica di Michaelis-Menten; Inibizione da parte di una sostanza estera; Inibizione competitiva e non competitiva.
Fermentazione microbica: cinetica di Monod; Fermentazione microbica con substrato ad azione limitante: fermentatori batch; Fermentatori miscelati; Operazioni ottimali dei fermentatori.
Fermentazione microbica con prodotto ad azione limitante: fermentatori batch; Fermentatori miscelati.

English

The essential contents of the course cover the topics related to chemical and biotechnological engineering calculations. The essential ones are: processes and process variables; process classification; material balances on non-reactive processes; material balances on reactive processes; biochemical reaction systems.

- R.M. Felder e R.W. Rousseau (2000). Elementary Principles of Chemical Processes, J. Wiley.
- O. Levenspiel (1999). Chemical reaction engineering, J. Wiley.

The course aims to provide the basic concepts necessary to formulate and solve material balance of biotechnological industrial processes. Fundamentally, an engineering approach to solve process-related problems is introduced: breaking a process down into its components, establishing the relations between known and unknown process variables, assembling the information needed to solve unknown process variables in order to obtain the desired problem solution.
At the end of the course, students will acquire the theoretical information which will allow to evaluate the efficiency of a process and, possibly, to suggest simple solutions aimed to improve the overall performance of the examined process.

Knowledge acquired during the courses of Chemistry, Physics, Mathematics and Biology. In particular, students must have the basic knowledge concerning: unit of measurement; systems of measurement; dimensional homogeneity; numerical calculation; stoichiometry of chemical reactions; reaction rate; microbial metabolic activity.

The course consists of 8 lessons for a total of 24 hours of lectures in which the theory will be exposed and applied by the resolution of numerous exercises and case studies. The course also includes the application of the given topics by the resolution of numerical classroom exercises under the supervision of the teacher or a tutor. Furthermore, home group exercises will be carried out and will be the object of clarifications and corrections provided by the teacher during office hours.
The course does not include compulsory attendance.

The exam consists in passing a written test to be performed at the end of the course. Students must pass a written test which requires to solve three or four exercises (the number of exercises can vary according to their degree of complexity) in a maximum time of 150 minutes. The exam is considered passed if the students’ final grade is at least 18/30.
The numerical resolution of the exercises involves the application of the acquired knowledge about the formulation and resolution of material balance equations concerning chemical and biochemical processes.
The exam aims to evaluate the students’ ability to connect the various subjects of the course. In particular, will be evaluated the organizational capacity of the information provided by the exercises for the construction of the correct layout of the proposed process and the logical path followed to solve the problems.

Students can use additional teaching material (slides, lecture notes, exercises, etc.) made available by the teacher on the University website.
The teacher is available to receive students on the days indicated on the teacher web page and on additional days by request sent via e-mail.

1. Introduction to Engineering Calculations:
Conversion of Units; Dimensional Homogeneity; Systems of Units.
Processes and Process Variables: Mass and Volume; Flow Rate; Chemical Composition; Pressure and Temperature.

2. Fundamentals of Material Balances
The General Balance Equation; Balances on Continuous Steady-State Processes; Integral Balances on Batch Processes; Integral Balances on Semi-batch Processes.
Material Balance Calculations; Balances on Single-Unit Processes: Flowchart Scaling and Basis of Calculation; General Procedure for Single-Unit Process Material Balance Calculations.
Balances on Multiple-Unit Processes: General Procedure for Multiple-Unit Process Material Balance Calculations; 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.

3. Biochemical Processes
Enzyme Fermentation: Michaelis-Menten Kinetics; Inhibition by a Foreign Substance; Competitive and Noncompetitive Inhibition.
Microbial Fermentation: Monod Kinetics; Substrate-Limiting Microbial Fermentation: Batch Fermentors; Mixed Flow Fermentors; Optimum Operations of Fermentors.
Product-Limiting Microbial Fermentation: Batch Fermentors; Mixed Flow Fermentors.