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Docente
NICOLA LAI (Tit.)
Periodo
Primo Semestre 
Modalità d'Erogazione
Convenzionale 
Lingua Insegnamento
ITALIANO 



Informazioni aggiuntive

Corso Percorso CFU Durata(h)
[70/75]  INGEGNERIA BIOMEDICA [75/00 - Ord. 2017]  PERCORSO COMUNE 5 50

Obiettivi

Obiettivi
Nell'ambito del corso di Fondamenti di Bioingegneria Chimica gli allievi acquisiranno nozioni di base sul trasporto della materia, gli equilibri chimici e di fase come pure sull'ingegneria delle reazioni chimiche e biochimiche. Si affronterà la progettazione di massima e la relativa verifica delle apparecchiature fluodinamicamente ideali sedi di fenomeni reattivi. Infine, si affronterà il problema del dimensionamento e della verifica di una apparecchiatura tipica dell'ingegneria biomedica. I problemi verranno analizzati sia a livello locale (monodimensionali), determinando i relativi profili di concentrazione, sia a livello macroscopico. A valle del corso gli studenti saranno in grado di risolvere problemi riguardanti i fenomeni di trasporto presenti in diverse applicazioni dell'ingegneria biomedica. Per la comprensione, da punto di vista quantitativo, dei fenomeni di trasporto e delle reazioni biochimiche caratterizzati da variazioni nel tempo e nello spazio (caso monodimensionale) saranno adottate opportune tecniche di risoluzione attraverso metodi analitici e l’impiego di un software computazionale. Il software consentirà di applicare tecniche di analisi numerica efficaci per la risoluzione di problemi in sistemi biologici e biomedici.

Conoscenza e capacità di comprensione
Il corso è fondato sul rigore metodologico per lo studio del trasporto di materia e delle reazioni chimiche in sistemi biomedici e consentirà allo studente di maturare competenze e capacità di comprensione tali da permettere l'acquisizione di conoscenze di base fondamentali per il prosieguo degli studi.
Nello specifico del corso, lo studente matura competenze e capacità di comprensione relativamente a:
- i principi che governano gli equilibri chimici e di fase, l’ingegneria delle reazioni chimiche e biochimiche e i fenomeni di trasporto di materia;
- il dimensionamento di sistemi ideali nei quali hanno luogo fenomeni reattivi;
- trasporto di gas e farmaci in colture cellulari, sistemi organo-tessuto.

Capacità di applicare la conoscenza e capacità di comprensione
L’impostazione didattica prevede che la formazione teorica sia accompagnata da esempi applicativi, che sollecitano la partecipazione attiva, l’attitudine propositiva, la capacità di elaborazione autonoma.
A valle del corso gli studenti saranno in grado di risolvere, adottando opportune tecniche analitiche e software di risoluzione, problemi riguardanti:
- i fenomeni di trasporto presenti in diverse applicazioni dell'ingegneria biomedica;
- la valutazione della prestazione di diverse tipologie di bioreattori impiegati per differenti applicazioni biomediche;
- l’identificazione dei parametri che influenzano il processo biologico o fisiologico. 

Autonomia di giudizio
Lo studio dei Fondamenti di Bioingegneria Chimica sviluppa la capacità di definire una strategia di risoluzione per problemi di dimensionamento di apparecchiature biomedicali e trasporto in sistemi biomedici, valutare i risultati, selezionare quali sono le informazioni e parametri rilevanti e quali approssimazioni sono appropriate.

Abilità comunicative
Lo svolgimento di esercitazioni in aula e a casa, la tipologia dell’esame (prova scritta e orale) richiede che lo studente acquisisca capacità di comunicare sia i risultati ottenuti sia i problemi incontrati.

Capacità di apprendere autonomamente
Il trasferimento delle conoscenze di base legate ai Fondamenti di Bioingegneria Chimica permette allo studente di auto-apprendere applicando le informazioni acquisite nella risoluzione di problematiche anche non trattate a lezione.

Prerequisiti

Le propedeuticità obbligatorie sono indicate nel Regolamento didattico del Corso di studi. In particolare, sono indispensabili le conoscenze impartite nei corsi di base della matematica, chimica e della fisica del primo anno della Laurea di base.

Contenuti

Modulo 1 (5 h Lez. + 2 h Es.) – Introduzione: Variabili di processo, concentrazione, frazione molare e massica; Analisi dimensionale e principio di omogeneità; Regressione lineare; Metodi analitici per risolvere equazioni differenziali del primo ordine e secondo ordine; Software computazionale per applicare tecniche di analisi numerica efficaci per la risoluzione di problemi di trasporto di materia e reazioni biochimiche in sistemi biologici e biomedici.

Modulo 2 (4h Lez. + 4h Es.) Bilanci di materia e reattori Ideali: Apparecchiature continue e discontinue, a mescolamento perfetto e a flusso a pistone. Dimensionamento e verifica.

Modulo 3 (6 h Lez. + 6 h Es.) – Equilibri Chimici e di Fase, e Cinetica Chimica: Condizioni di equilibrio in assenza di reazioni. Equilibrio in sistemi reagenti. Valutazione degli equilibri chimici in sistemi fisiologici. Grado di avanzamento della reazione, relazione tra le velocita di reazione di prodotti e reagenti, reagente limitante, equazione di Arrhenius, reazioni omogenee, eterogenee, elementari, non elementari e reversibili. Reazioni in parallelo, reazioni in serie: reazioni irreversibili del primo ordine e concetto di stadio lento.

Modulo 4 (5h Lez. + 5h Es.) - Fondamenti dei Fenomeni di Trasporto di Materia: Equazione generale di conservazione della materia. Modelli di diffusione. Analogie tra le equazioni costitutive. Diffusione in strato sottile ed in mezzo semi-infinito. Dispersione e convezione. Coefficienti di trasferimento materiale: analisi dimensionale e loro determinazione.

Modulo 5 (6 h Lez. + 6h Es.) Reazioni enzimatiche: Michaelis-Menten, Inibizione competitiva, acompetitiva e non competitiva. Bilanci di materia applicati a colture cellulari, substrati e prodotti in bioreattori. Fasi di crescita cellulare e leggi di velocità di crescita di organismi.

Metodi Didattici

La didattica verrà erogata prevalentemente in presenza, integrata e “aumentata” con strategie online, allo scopo di garantirne la fruizione in modo innovativo e inclusivo. Il corso è di 50 ore complessive: Lezioni 25 ore, esercitazioni pratiche 25 ore. Durante lo svolgimento delle lezioni il docente tratterà gli aspetti teorici del corso, che saranno accompagnati da numerosi esempi applicativi. In questa fase il docente stimolerà gli studenti con quesiti inerenti all'argomento trattato, con lo scopo di verificare il loro grado di attenzione e di apprendimento. Le esercitazioni in aula saranno svolte in gruppo o singolarmente e prevedono, almeno in una prima fase, il supporto da parte del docente, mentre nel proseguo del corso gli studenti saranno stimolati a risolvere in modo progressivamente più autonomo le problematiche incontrate.

Verifica dell'apprendimento

La valutazione viene espressa in trentesimi, l'esame si svolge mediante prova scritta e orale.

Testi

R.L. Fournier – Basic transport phenomena in biomedical engineering 4th Ed – Taylor and Francis – 2018
C. Gostoli – Primo corso di trasporto di materia e reattoristica chimica – Pitagora Editrice Bologna – 2005
G.A. Truskey, F. Yuan, D.F. Katz – Transport Phenomena in Biological Systems 2nd Ed – Pearson Hill – 2004
M.L. Shuler, F Kargi – Bioprocess Engineering Basic Concepts 2nd Ed. – Prentice Hall – 2002

Altre Informazioni

Lavagna, Computer (slides in Power point)

Questionario e social

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