Génie des réacteurs chimiques et biologiques CHIM-H413

Langue d'enseignement: français
Premier quadrimestre

Contenu

Après une introduction (chap.1), le cours se divise en 3 parties correspondant chacune à une échelle caractéristique du réacteur :

Partie 1 : échelle de la réaction chimique et biologique

Après un rappel sur les réacteurs idéaux (chap. 2), l'impact des schéma réactionnels composés (chap. 3) sur le choix des réacteurs est étudié avant d'être appliqué au cas des réactions enzymatiques (chap. 4). Une extension aux bioréacteurs (chap. 5) clotûre cette partie.

Partie 2 : échelle de l'écoulement

Cette partie s'intéresse essentiellement aux réacteurs non-idéaux de par l'écart des écoulements qui y prennent place par rapport aux réacteurs idéaux. Après une mise en contexte, l'outil d'analyse des écoulements réels la distribution de temps de séjour (chap. 6) et le formalisme de la fonction de transfert est étudié. Ensuite, son application aux réacteurs idéaux et réels (chap. 7) est explicitée. La partie est cloturée en explicitant comment utiliser la distribution de temps de séjour pour évaluer les performances d'un réacteur réel (chap. 8).

Partie 3 : échelle du transfert de matière

Cette partie est focalisée sur les situations dans lesquelles le transfert de matière limite la vitesse globale de réaction. Après un rappel sur le transfert de matière (chap. 9), les principes généraux du couplage entre transfert de matière et réaction (chap. 10) sont explicités avant d'être appliqués à 3 cas majeurs : les réactions avec catalyse solide (chap. 11), les réactions entre un fluide et un solide (chap. 12) et les réactions entre fluides non-miscibles (chap. 13).

Les principales notions considérées par chapitre sont :

3 : réactions en série, en parrallèle, sélectivité

4 : modèle de Michaelis-Menten, inhibition

5 : modèle de Monod, fed-batch, conduite d'un fed-batch

6 : distribution de temps de séjour, courbe de percée, fonction de transfert

7 : modèle a compartiment, piston dispersif, CSTR en cascade, court-circuit, volume mort

8 : modèle des filets parrallèle, temps de mélange

11 : module de Thiele, efficacité d'un catalyseur

12 : modèle à coeur rétrécissant

13 : modèle des 2 films, nombre de Hatta, facteur d'accélération, kLa

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Objectifs (et/ou acquis d'apprentissages spécifiques)

L'objectif de cette unité d'enseignement est d'amener les étudiants à appréhender les outils permettant le dimensionnement de réacteurs chimiques et biologiques non-idéaux au travers d'une stratégie basée sur l'identification et l'analyse, entre autre au travers de la modélisation mathématique, des phénomènes physico-chimiques prenant place dans le réacteur.

A l'issue de cette unité d'enseignement, l'étudiant sera capable :

  • d'identifier les phénomènes (chimique/biologique et mécanismes de transport) prenant place dans un réacteur,

  • de développer des modèles mathématiques décrivant et couplant ces différents phénomènes,

  • de proposer des critères permettant de simplifier ces modèles,

  • de résoudre (analytiquement ou numériquement à l'aide d'un tableur) les équations des modèles simplifiés,

  • d'utiliser des données expérimentales pour valider ou non les simplifications proposées,

  • d'analyser des résultats expérimentaux au regard des modèles développés,

  • de proposer des voies de dimensionnement ou d'optimisation de réacteurs.

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Pré-requis

Connaissances et compétences pré-requises

Introduction au génie des procédés, Mécanique des fluides, Phénomènes de transports, Bases d'analyses numérique, Calcul différentiel et intégral
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Méthodes d'enseignement et activités d'apprentissages

Le cours intègre quatre types d'activités présentielles intégrées pour chacune des parties du cours décris au point précédent :

  1. Lors de cours magistraux, la problématique est contextualisée, la stratégie de résolution est abordée, les équations de bases sont rappelées. Des outils théoriques sont décrit et les principaux critères de simplification sont présentés. Le cours magistral vise principalement à permettre aux étudiants de reconnaître et comprendre les concepts clés.

  2. Lors de séminaires, les étudiants sont amenés à redévelopper les modèles les plus classiques et à en analyser les principales caractéristiques. Ces séminaires sont réalisés en groupes. Chaque groupe s'intéresse à un modèle différent. Les résultats des différents groupes sont comparés et discutés collégialement en fin de séminaire. Les séminaires visent principalement à permettre aux étudiants de comprendre et d'appliquer les concepts clés.

  3. Lors d'exercices dirigés, les étudiants appliquent les différents modèles et outils vus au cours et développés aux séminaires. Les exercices augmente progressivement en difficulté et s'approchent de cas réels dans les domaines des biotechnologies, de l'agro-alimentaire ou de l'environnement. L'accent est mis sur l'analyse et la discussion des résultats des exercices. Les exercices dirigés visent principalement à permettre aux étudiants de comprendre, d'appliquer les concepts clés et d'analyser des cas pratiques simples.

  4. Lors de travaux pratiques sur PC, les étudiants sont confrontés à un problème intégré pratique issu des domaines des biotechnologies, de l'agro-alimentaire ou de l'environnement. Ce problème implique de coupler les outils développés dans la partie en cours avec les parties précédentes. Une résolution numérique à l'aide du tableur Excel est réalisée. Comme pour les exercices dirigés, l'analyse et la discussion des résultats fait l'objet d'une attention spécifique. Les travaux pratiques visent principalement à permettre aux étudiants d'appliquer les concepts clésainsi que d'analyser, synthétiser et évaluer des cas pratiques s'approchant de cas réels.

Support(s) de cours

L'Université Virtuelle comporte un ensemble de ressources, fréquemment mises à jour, pour cette unité d'enseignement :

  • Slideshows vus au cours

  • Enoncés complets des séances d'exercices, des travaux pratiques et des séminaires

  • Corrections partielles et solutions des séances d'exercices et des travaux pratiques

  • Formulaires, tables et how to utiles à la réalisation des séances d'exercices et des travaux pratiques

  • Exemples d'anciennes questions d'examen et grille d'évaluation correspondante

Références, bibliographie et lectures recommandées

Principaux ouvrages de référence : (disponibles à la Bibliothèque des sciences et techniques de l'ULB et/ou au service TIPs)

  • O. Levenspiel, Chemical Reaction Engineering, 1998

  • H. Fogler, Elements of Chemical Reaction Engineering, 2005

  • R. Bird, W. Steward, E. Lightfoot Transport phenomena, 2006

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Contribution au profil d'enseignement

Pour tous les MA suivant cette UE :

  • Opérations unitaires, génie des procédés, régulation et optimisation

  • Adapter et dimensionner un dispositif d’observation ou d’expérience en fonction des objectifs poursuivis par l’étude.

Spécifiquement dans le MA Bioingénieur en Sciences et Technologies de l'Environnement :

  • Appliquer des techniques d’analyse, d’échantillonnage et d’identification dans le cadre d’études scientifiques de pointe dans les domaines des sciences et techniques de l’environnement.

  • Mettre en oeuvre des solutions scientifiques et technologiques de gestion et de préservation de l’environnement répondant aux objectifs et exigences des parties prenantes.

Spécifiquement dans le MA Bioingénieur en Chimie et Bio-industries :

  • Cinétique chimique

  • Appliquer des techniques d’analyse, d’échantillonnage et d’identification (faisant notamment appel aux techniques avancées d’imagerie) dans le cadre d’études scientifiques de pointe dans les domaines de la chimie et des bio-industries.

  • Proposer des procédés de production (notamment en bioréacteurs) et de purification dans les domaines de la chimie, des biotechnologies, des bioressources, de la technologie des aliments et de l’industrie pharmaceutique, répondant aux objectifs et exigences des parties prenantes.

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Évaluation

Méthode(s) d'évaluation

L'évaluation certificative est réalisée intégralement lors d'un examen en session (en janvier pour la première session) de 3 heures. Le déroulement est identique en première et en seconde session. Il n'y a pas de reports partiels entre la première et la seconde session.

L'évaluation est essentiellement un examen écrit mais avec une partie nécessitant l'utilisation d'un tableur. Les étudiants ont accès à une ordinateur équipé de Microsoft Excel, soit sur une machine personnelle soit en salle informatique. A l'issue de l'examen, chaque étudiant doit remettre sa copie papier mais également un fichier excel. Les étudiants sont autorisés à disposer de toutes les ressources écrites qu'ils veulent, au format papier ou électronique. Toute connexion au réseau ou échange entre les étudiants pendant l'examen est interdite.

L'examen est constitué d'un unique problème, d'un niveau similaire aux dernières séances de travaux pratiques, contextualisé. Ce problème est divisé en un ensemble (généralement 4 ou 5) de questions interconnéctées portant sur les différentes parties du cours. La dernières question est généralement intégralement centrée sur l'analyse, la synthèse et l'évaluation des résultats obtenus. Pour éviter qu'un étudiant ne soit bloqué dans l'ensemble de l'examen à cause d'un point spécifique, des résultats alternatifs sont proposés lorsqu'une question s'appuye sur un résultat antérieur.

Des exemples d'examens sont disponibles sur l'université virtuelle.

Construction de la note (en ce compris, la pondération des notes partielles)

La note est basée uniquement sur l'examen écrit réalisé en session. La manière construire la note est exactement la même en première et en seconde session.

Une grille d'évaluation qualitative transversale aux différentes questions est utilisée pour construire la note. Il n'y a donc pas stricto sensu un nombre de point associé à une question. Les éléments repris dans cette grille sont :

  • Manipulation de cinétiques chimiques et biologiques (2/20)

  • Calcul de bilans (2/20)

  • Application des outils relatifs au couplage entre transfert de matière et réaction (4/20)

  • Application des outils relatifs aux réacteurs réels (4/20)

  • Utilisation des prérequis (réacteurs idéaux, calculs différentiels et intégral, transfert de matière) (1/20)

  • Application des méthodes numérique en Excel (2/20)

  • Résultats : rigueur, précision et exactitude (1/20)

  • Analyse des résultats (4/20)

Les pondérations données ci dessus peuvent être légèrement revues pour mieux s'ajuster à l'importance de différents éléments dans l'examen. La pondération exacte utilisée est communiquée sur l'université virtuelle avant l'examen.

Le modèle de grille utilisé et le calcul automatique correspondant sont disponibles sur l'université virtuelle.

Langue d'évaluation

Français

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Autres renseignements

Contact(s)

fdebaste@ulb.ac.be (à privilégier)

Service Transferts, Interfaces et Procédés (CP.165/67)

Bureau : S.UB5.159

tel: +32-2-650.67.56

fax: +32-2-650.29.10

http://www.tips-ulb.be

Lieu d’enseignement

Campus du Solbosch (exceptionnellement à la Plaine).

Les séances de travaux pratiques sur PC sont réalisées en salle informatique.

Volume horaire

60h réparties en :

  • 20h de cours magistral

  • 6h de séminaires

  • 18h d'exercices dirigés

  • 16h de travaux pratiques

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Programmes proposant ce cours à la faculté des Sciences

MA-IRBC
Master : bioingénieur en chimie et bioindustries, Spécialisée - bloc 1
Cours obligatoire, 5 crédits [Cours magistral: 24h, Exercices dirigés: 24h, Travaux pratiques: 12h] - premier quadrimestre
MA-IRBE
Master : bioingénieur en sciences et technologies de l'environnement, Spécialisée - bloc 1
Cours obligatoire, 5 crédits [Cours magistral: 24h, Exercices dirigés: 24h, Travaux pratiques: 12h] - premier quadrimestre
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Programmes proposant ce cours à l'école polytechnique de Bruxelles

MA-IRBC
Master : bioingénieur en chimie et bioindustries, Spécialisée - bloc 1
Cours obligatoire, 5 crédits [Cours magistral: 24h, Exercices dirigés: 24h, Travaux pratiques: 12h] - premier quadrimestre
MA-IRBE
Master : bioingénieur en sciences et technologies de l'environnement, Spécialisée - bloc 1
Cours obligatoire, 5 crédits [Cours magistral: 24h, Exercices dirigés: 24h, Travaux pratiques: 12h] - premier quadrimestre
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