Chemical and biological reactor design

Après une introduction (chap.1), le cours se divise en 3 parties correspondant chacune à une échelle caractéristique du réacteur. Une quatrième partie sur les bioréacteurs cloture le cours 

Partie 1 : échelle de la réaction chimique et biologique

Après un rappel sur les réacteurs idéaux (chap. 2), l'impact des schéma réactionnels composés sur le choix des réacteurs est étudié avant d'être appliqué au cas des réactions enzymatiques (chap. 3). 

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. 4) et le formalisme de la fonction de transfert est étudié. Ensuite, son application aux réacteurs idéaux et réels (chap. 5) 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. 6).

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. 7), les principes généraux du couplage entre transfert de matière et réaction (chap. 8) sont explicités avant d'être appliqués à 3 cas majeurs : les réactions avec catalyse solide (chap. 9), les réactions entre un fluide et un solide (chap. 10) et les réactions entre fluides non-miscibles (chap. 11).

Les principales notions considérées par chapitre sont :

3 : réactions en série, en parrallèle, sélectivité, modèle de Michaelis-Menten, inhibition

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

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

6 : modèle des filets parrallèle, temps de mélange

9 : module de Thiele, efficacité d'un catalyseur

10 : modèle à coeur rétrécissant

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

Partie 4 : Bioréacteurs

L'objectif de cette unité d'enseignement est d'amener les étudiant.e.s 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.e 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.

Connaissances et compétences pré-requises ou co-requises

• Phénomènes de transport (en particulier transport de matière)
• Thermodynamique d'équilibre
• Génie des réacteurs idéaux
• Résolutions d'équations différentielles
• Méthodes numériques de résolutions
• Cinétique chimique et bio-chimique

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 étudiant.e.s 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 étudiant.e.s 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 étudiant.e.s 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.

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

Support(s) de cours

• Université virtuelle

Contacts

frederic.debaste@ulb.be (à privilégier)

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

Bureau : S.UB5.1522

tel: +32-2-650.67.56

fax: +32-2-650.29.10

http://www.tips-ulb.be

Campus

Solbosch, Plaine

Méthode(s) d'évaluation

• Evaluation continue
• Examen oral
• Travail de groupe

Evaluation continue

Examen oral

• Question ouverte à développement long

Travail de groupe

Tout au long du quadrimèstre, les étudiant.es seront aménée à remettre 4 travaux écrits sur l'UV à des dates et heures fixées. Ces travaux servent de base à une partie de de l'évaluation certificative en session. La non remise d'un ou de plusieurs de ces travaux d'années sans justification médicale, dans les délais imparti expose l'étudiant.e à une note ABS pour l'ensemble de l'unité d'enseignement. 

L'évaluation certificative et un examen oral constitué de deux parties. Les deux parties de l'examen sont réalisées l'une après l'autre. 
La partie A est réalisée avec le Prof. Debaste sur sa partie de la matière (Parties 1 à 3 du cours). Lors de cet examen sans préparation, l'étudiant.e discutera des travaux remis tout au long de l'année. 
La partie B est réalisée avec le Prof. Cannella sur sa partie de la matière (Partie 4 du cours).

Les modalités d'évaluation sont les mêmes en première et en seconde session. Les travaux d'années qui servent de base à la partie A de l'examen oral sont conservé d'une session à l'autre, mais pas d'une année à l'autre.

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

Pour la partie A, une note sur 20 est donnée à la fin de l'examen oral. A cette note sont soustraits des pénalités liées aux éventuels retards dans la remise des travaux :

• 1 point de pénalité pour tout retard de moins de 3h,
• 2 points de pénalité pour tout retard entre 3h et 24h,
• Passé 24h de retard le travail est considéré comme non remis.
• Ces pénalités sont cumulatives pour les 4 travaux à remettre (et peuvent donc atteindre 8 points sur 20

Pour la partie B, une note sur 20 est donnée à la fin de l'examen oral.
La note finale est composée sur base des notes des parties A et B comme suit : 

• si au moins une des notes de la partie A ou de la partie B est strictement inférieure à 9/20, la note globale est le minimum entre la note de la partie A et de la partie B (note absorbante)
• si les notes des partie A et B sont toutes deux supérieures ou égales à 9/20, la note globale est calculée en sommant 4/5 de la note de partie A et 1/5 de la note de la partie B. La note est ensuite arrondie au demi point le plus proche

En cas de seconde session, les notes partielles supérieures ou égales à 10/20 sont automatiquement reportées. Un.e étudiant.e peut demander de renoncer à une note partielle reportée par email aux deux titulaires avant le 15 juillet.
Si l'UE doit être recommencée l'année suivante, aucun report automatique n'est octroyé.

Langue(s) d'évaluation

• anglais
• (éventuellement français )