INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

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1 PROGRAMA SINTÉTICO UNIDAD ACADÉMICA: CARRERA: UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA Ingeniería en Alimentos, Ingeniería Ambiental, Ingeniería Biotecnológica e Ingeniería Farmacéutica UNIDAD DE APRENDIZAJE: Bioseparaciones Fluido-Fluido NIVEL: V y VI OBJETIVO GENERAL: El alumno explicará los fenómenos de equilibrio y transferencia de masa, así como sus expresiones matemáticas, para el diseño de procesos de separación fluido-fluido; definirá los conceptos de etapa de equilibrio, proceso en cascada y eficiencia aplicados a bioseparación de etapa simple y multietapa en estado estable; y resolverá las ecuaciones para el cálculo y dimensionamiento de contactores continuos. DESCRIPCIÓN GENERAL DE CONTENIDOS: I. Conceptos de equilibrio termodinámico. II. Transferencia de masa entre fases. III. Procesos de equilibrio en una etapa. IV. Procesos de equilibrio multietapa. V. Procesos de velocidad de transferencia en contacto continuo. ORIENTACIÓN DIDÁCTICA: Exposición de temas centrales por el profesor. Resolución ilustrativa de problemas paradigmáticos, elaboración de resúmenes escritos y ejercicios, búsqueda por los alumnos de datos de equilibrio y coeficientes de transferencia, inducción al aprendizaje significativo por correlación de los temas con otras unidades de aprendizaje. Análisis y discusión de los temas centrales en cada clase, con la coordinación del profesor. EVALUACIÓN Y ACREDITACIÓN: La unidad de aprendizaje se evaluará considerando tres exámenes parciales y evaluaciones continuas en diferentes modalidades (participación, resolución de cuestionarios y otras tareas). La unidad de aprendizaje también podrá acreditarse al presentar y aprobar un examen global al inicio del curso. BIBLIOGRAFÍA: Ghosh, R. Principles of Bioseparations Engineering. World Scientific Estados Unidos de América. 265 págs. ISBN McCabe, W. L., Smith, J. C. y Harriot, P. Unit Operations of Chemical Engineering. McGraw-Hill International Estados Unidos de América págs. ISBN Schweitzer, P. A. Handbook of Separation Techniques for Chemical Engineers. McGraw-Hill Estados Unidos de América págs. ISBN Seader, J. D. y Henley, E. J. Separation Process Principles. John Wiley and Sons, Inc Estados Unidos de América. 886 págs. ISBN

2 UNIDAD ACADÉMICA: Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología CARRERA: Ingeniería en Alimentos, Ingeniería Ambiental, Ingeniería Biotecnológica e Ingeniería Farmacéutica OPCIÓN: PROFESIONAL ASOCIADO: UNIDAD DE APRENDIZAJE: Bioseparaciones Fluido-Fluido TIPO DE UNIDAD DE APRENDIZAJE: Teórica / Obligatoria VIGENCIA: Agosto 2008 NIVEL: V y VI CRÉDITOS: 6.0 ÁREA FORMATIVA: Profesional MODALIDAD: Escolarizada PROPÓSITO GENERAL La unidad de aprendizaje Bioseparaciones Fluido-Fluido representa un conjunto de conocimientos indispensables para la formación en Ingeniería de Procesos (en sus especialidades de Ingeniería en Alimentos, Ingeniería Ambiental, Ingeniería Biotecnológica e Ingeniería Farmacéutica) puesto que introduce al diseño de procesos de separación en los que el compuesto de interés es transferido de un fluido a otro para su aislamiento y recuperación. Aporta al perfil de egreso tanto los conocimientos mencionados como el desarrollo de las capacidades para el diseño que caracterizan a la Ingeniería de Procesos. El curso tiene como antecedente directo al Laboratorio de Bioseparaciones (nivel IV) y tiene una base en Termodinámica II (nivel III), en donde se introduce al alumno en las habilidades prácticas implicadas en la operación de equipos de proceso utilizados en la recuperación de productos. Los aspectos ingenieriles teóricos del diseño y el cálculo de los procesos fluido-fluido se abordan en la presente unidad de aprendizaje. Bioseparaciones Fluido-Fluido, junto a Bioseparaciones Mecánicas y Bioseparaciones Sólido-Fluido, proporciona las bases para abordar el curso Taller de Diseño de Bioseparaciones (nivel VII), así como el de Síntesis y Análisis de Bioprocesos (nivel VII). OBJETIVO GENERAL El alumno explicará los fenómenos de equilibrio y transferencia de masa, así como sus expresiones matemáticas, para el diseño de procesos de separación fluido-fluido; definirá los conceptos de etapa de equilibrio, proceso en cascada y eficiencia aplicadas a bioseparación de etapa simple y multietapa en estado estable; y resolverá las ecuaciones para el cálculo y dimensionamiento de contactores continuos. TIEMPOS ASIGNADOS HORAS TEORÍA/SEMANA: 3.0 HORAS PRÁCTICA/SEMANA: HORAS TEORÍA/NIVEL: 54.0 HORAS PRÁCTICA/SEMESTRE: HORAS TOTALES/NIVEL: 54.0 UNIDAD DE APRENDIZAJE DISEÑADA O REDISEÑADA POR: Academia de Procesos de Bioseparación REVISADA POR: Subdirección Académica APROBADA POR: Consejo Técnico Consultivo Escolar Dr. Enrique Durán Páramo AUTORIZADO POR: Comisión de Programas Académicos del Consejo General Consultivo del IPN Dr. David Jaramillo Vigueras Secretario Técnico de la Comisión de Programas Académicos

3 UNIDAD DE APRENDIZAJE: Bioseparaciones Fluido-Fluido HOJA: 2 DE 7 N UNIDAD TEMÁTICA: I NOMBRE: Conceptos de equilibrio termodinámico El alumno describirá el fenómeno de equilibrio termodinámico y explicará los criterios matemáticos que lo definen. 1.1 Procesos de bioseparación dependientes del equilibrio y aplicaciones 1.5 8B características 1.2 Composición de sistemas multifásicos y multicomponentes 2B, 1C Estabilidad térmica y mecánica B Equilibrio entre fases B 1.3 Constantes y diagramas de equilibrio 1.5 5B 1.4 Factores de separación inherentes 8B 1.5 Regla de las fases B Subtotal 7.5 Introducción al curso por exposición del profesor. Explicación general de los medios de evaluación y dinámica general del curso. Introducción a los sistemas multifásicos y multicomponentes. Aplicación ilustrativa de conceptos de termodinámica a los procesos de separación (aprendizaje significativo por relación de los conceptos de equilibrio termodinámico con los fundamentos abordados en Termodinámica). Búsqueda por los alumnos de constantes de equilibrio en bibliografía recomendada. Ejercicios resueltos ilustrativos de la regla de las fases. Resolución por los estudiantes de cuestionarios dirigidos. Análisis y discusión en clase de los aspectos más relevantes de cada tema. Elaboración de resúmenes y notas de clase por los estudiantes. Esta unidad temática será evaluada en el primer examen parcial (50 %). La evaluación continua incluye la participación en clase (5 % de la primera evaluación parcial) y la búsqueda de datos de equilibrio termodinámico ilustrativos del tema, así como la resolución de un cuestionario dirigido del contenido temático de la unidad cuya evaluación aditiva representará el 5 % de la evaluación parcial.

4 UNIDAD DE APRENDIZAJE: Bioseparaciones Fluido-Fluido HOJA: 3 DE 7 N UNIDAD TEMÁTICA: II NOMBRE: Transferencia de masa entre fases El alumno describirá el fenómeno de transferencia de masa entre fases y los coeficientes de transferencia de masa. Así mismo, explicará la teoría matemática que permite cuantificar la transferencia de masa entre fases. 2.1 Mecanismos de transporte de materia en una fase B Difusión y ley de Fick 9C Convección 9C 2.2 Teoría de la doble película para transferencia interfacial B Coeficientes de transferencia 8B, 5B Fuerza impulsora lineal 8B Subtotal 7.5 Exposición introductoria a la Transferencia de masa en una fase y entre fases. Elaboración por el estudiante de un resumen de los fenómenos de transporte básicos en transferencia de masa. Explicación en el aula de la teoría de la doble película estancada en su aplicación al diseño de procesos de separación, enfatizando el uso de coeficientes de transferencia. Ilustración aplicativa acerca de la transferencia de masa en bioseparaciones. Discusión en clase dirigida a la transferencia de masa entre fases con aplicaciones biotecnológicas. Búsqueda por el alumno de métodos para la estimación de coeficientes de transferencia y elaboración de resumen escrito. Esta unidad temática se evalúa en el primer examen parcial (30 %). Se considera una evaluación continua compuesta por 5 % por participación en clase, y 5 % por entrega de resúmenes de los temas de fenómenos de transporte básicos en transferencia de masa y estimación de coeficientes de transferencia. La entrega de trabajos escritos tiene como requisito una asistencia mínima del 80 % en la cobertura de las unidades I y II.

5 UNIDAD DE APRENDIZAJE: Bioseparaciones Fluido-Fluido HOJA: 4 DE 7 N UNIDAD TEMÁTICA: III NOMBRE: Procesos de equilibrio en una etapa El alumno diseñará procesos de equilibrio en estado estable aplicando el concepto de etapa de equilibrio y explicará los procesos de separación controlados por el equilibrio. 3.1 Separación gobernada por la velocidad de transferencia o por el B equilibrio 3.2 Concepto de etapa de equilibrio 8B, 5B 3.3 Definición general de diseño de proceso 8B, 5B 3.4 Definición general de diseño de equipo 8B, 5B 3.5 Cálculo de proceso: Destilación y Absorción B, 3C Descripción y condiciones del proceso en una etapa 5B, 4C Ecuaciones de balance de materia y energía en la destilación 8B Relaciones de equilibrio y volatilidad relativa 7C Punto de rocío y punto de burbuja 8B 3.6 Cálculo de proceso: Extracción líquido-líquido B Descripción de la extracción en una etapa 2B, 4C Ecuaciones de balance de materia 8B Relaciones de equilibrio y selectividad relativa. Diagramas de equilibrio 6C 3.7 Generalización de las ecuaciones de diseño y consideraciones 1.5 generales de equilibrio 8B Subtotal 15.0 Orientación sobre los conceptos fundamentales del diseño de procesos de equilibrio en una etapa. Ilustración del cálculo de procesos de equilibrio de una etapa. Resolución de problemas paradigmáticos en clase. Discusión de bases de diseño. Realización de ejercicios extraclase, por el estudiante, sobre destilación y extracción. Lectura del artículo Kertes A. S. y King C. J. (1986). Extraction chemistry of fermentation product carboxylic acids, Biotechnol. Bioeng., 28: Esta unidad temática corresponde al segundo examen parcial (80 %). La entrega de problemarios u otros ejercicios escritos, representa la evaluación continua en un 20 % de la evaluación parcial.

6 UNIDAD DE APRENDIZAJE: Bioseparaciones Fluido-Fluido HOJA: 5 DE 7 N UNIDAD TEMÁTICA: IV NOMBRE: Procesos de equilibrio multietapa El alumno calculará procesos multietapa mediante métodos gráficos previa explicación del concepto de procesos en cascada. 4.1 Conceptos de etapa teórica y proceso en cascada B 4.2 Importancia de los procesos multietapa 8B, 5B 4.3 Configuraciones de flujo en procesos multietapa: Flujos paralelo y contracorriente 8B 4.4 Método Hunter-Nash para extracción multietapa líquido-líquido 3.0 8B 4.5 Método de McCabe-Thiele para destilación y absorción multietapa B 4.6 Conceptos de etapa real y eficiencia del proceso B Modelo de eficiencia de Murphree 8B Método de McCabe-Thiele corregido por la eficiencia de Murphree 8B 4.7 Introducción a los métodos rigurosos 1.5 8B, 3C Subtotal 16.5 Ampliación de los procesos de una etapa revisados en la Unidad III a procesos de equilibrio multietapa. Uso de material didáctico en proyector digital o de acetatos para la descripción de procesos multietapa. Explicación de los métodos gráficos de diseño de procesos de separación. Resolución de ejercicios dirigidos para procesos multietapa en bioingeniería. Discusión en el grupo sobre el concepto de eficiencia. Deducción matemática del concepto de eficiencia ilustrada en la referencia 8B y elaboración de un informe escrito por el estudiante. Resolución de ejercicios extraclase por el estudiante. La unidad temática IV se evalúa en el tercer examen parcial (45 %). Se considera como evaluación continua la entrega de problemas resueltos por los métodos de McCabe-Thiele y de Hunter-Nash en un 5 %.

7 UNIDAD DE APRENDIZAJE: Bioseparaciones Fluido-Fluido HOJA: 6 DE 7 N UNIDAD TEMÁTICA: V NOMBRE: Procesos de velocidad de transferencia en contacto continuo El alumno diseñará procesos de contacto continuo, explicará el funcionamiento básico de los procesos de contacto continuo, basado en la velocidad de transferencia. Así mismo, explicará los conceptos de longitud y número de unidades de transferencia. 5.1 Descripción general de los procesos de contacto continuo B Control del proceso por la velocidad de transferencia de masa 8B, 9C Conceptos de equilibrio en contactores continuos 9C 5.2 Balances diferenciales de materia en un contactor continuo B, 9C Número de unidades de transferencia 8B Longitud de unidades de transferencia 8B 5.3 Dimensionamiento de un contactor continuo B 5.4 Caída de presión, arrastre y anegamiento 8B, 5B Subtotal 7.5 Exposición de los aspectos fundamentales de los procesos en contacto continuo. Desarrollo matemático dirigido a los estudiantes de las ecuaciones de balance diferencial. Búsqueda de aplicaciones de contactores continuos en biotecnología, por los estudiantes. La unidad temática V se evalúa en el tercer examen parcial (45 %). Para la tercera evaluación se incluye la continuidad en la asistencia y la participación en clase (5 % de la evaluación parcial).

8 UNIDAD DE APRENDIZAJE: Bioseparaciones Fluido-Fluido HOJA: 7 DE 7 PERÍODO UNIDAD PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN 1 I y II Primer examen parcial, 80 % (50 % Unidad I, 30 % Unidad II). Primera evaluación continua, 20 % (5 % participación en clase Unidad I, 5 % búsqueda de datos de equilibrio y resolución de cuestionarios Unidad I, 5 % asistencia y participación en clase Unidad II, 5 % entrega de resúmenes escritos Unidad II). Se aplicará como requisito para derecho a evaluación continua (resúmenes escritos) de la Unidad II una asistencia mínima del 80 % a las sesiones de las Unidades I y II. 2 III Segundo examen parcial, 80 %. Segunda evaluación continua, 20 % (entrega de problemarios de Unidad III). 3 IV y V Tercer examen parcial, 80 % (45 % Unidad IV, 45 % Unidad V). Tercera evaluación continua, 20 % (5 % entrega de problemarios de Unidad IV, 5 % de la participación). Esta unidad de aprendizaje se puede aprobar con un examen inicial de conocimientos o con la presentación del examen extraordinario el cual también es par aumentar calificación. B C BIBLIOGRAFÍA 1 X Felder, R. M. y Rousseau, R. W. Principios Elementales de los Procesos Químicos. 3ª edición. Limusa-Wiley México págs. ISBN X Ghosh, R. Principles of Bioseparations Engineering. World Scientific Estados Unidos de América. 265 págs. ISBN X Holland, Ch. D. Fundamentals and Modeling of Separation Processes. Prentice-Hall International Estados Unidos de América. 430 págs. ISBN X Humphrey, J. L. y Keller, G. E. Separation Process Technology. McGraw-Hill Estados Unidos de América. 408 págs. ISBN X McCabe, W. L., Smith, J. C. y Harriot, P. Unit Operations of Chemical Engineering. McGraw-Hill International Estados Unidos de América págs. ISBN X Schügerl, K. Solvent Extraction in Biotechnology. Springer-Verlag. Alemania págs. ISBN X Schweitzer, P. A. Handbook of Separation Techniques for Chemical Engineers. McGraw-Hill Estados Unidos de América págs. ISBN X Seader, J. D. y Henley, E. J. Separation Process Principles. John Wiley and Sons, Inc Estados Unidos de América. 886 págs. ISBN X Treybal, R. E. Mass-Trasfer Operations. 3 a edición. McGraw-Hill International Estados Unidos de América. 784 págs. ISBN

9 PERFIL DOCENTE POR ASIGNATURA 1. DATOS GENERALES UNIDAD ACADÉMICA: UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA CARRERA: Ing. Ambiental, Ing. Biotecnológica, Ing. en Alimentos, Ing. Farmacéutica. NIVEL V y VI ÁREA: BÁSICAS C. INGENIERÍA D. INGENIERÍA C. SOC. y HUM. ACADEMIA: Procesos de Bioseparación ASIGNATURA: Bioseparaciones Fluido-Fluido ESPECIALIDAD Y NIVEL ACADÉMICO REQUERIDO: Ingeniero Biotecnólogo o Ingeniero de Proceso con posgrado en Procesos Biotecnológicos o similar 2. OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA El alumno explicará los fenómenos de equilibrio y transferencia de masa, así como sus expresiones matemáticas, para el diseño de procesos de separación fluido-fluido; definirá los conceptos de etapa de equilibrio, proceso en cascada y eficiencia aplicadas a bioseparación de etapa simple y multietapa en estado estable; y resolverá las ecuaciones para el cálculo y dimensionamiento de contactores continuos. 3. PERFIL DOCENTE CONOCIMIENTOS Cálculo infinitesimal. Fundamentos de termodinámica. Equilibrio termodinámico. Fenómenos de transporte. Modelos de transferencia de masa. Balances de materia y energía. Fundamentos de diseño. Diseño de procesos biotecnológicos. Destilación, absorción y extracción L-L. EXPERIENCIA PROFESIONAL Haber impartido con anterioridad asignaturas similares a nivel superior o posgrado. Tener formación docente demostrable (cursos o diplomados). Contar con experiencia industrial en un área relacionada con la presente unidad de aprendizaje (deseable) HABILIDADES Facilidad de expresión oral. Docencia centrada en el aprendizaje. Resolución de problemas de ingeniería. Diseño de procesos. Trabajo en equipo. Manejo de TICs. Acción tutorial. Diseño didáctico. ACTITUDES Responsabilidad. Compromiso social. Respeto. Actualización permantente. Tolerancia. Honestidad. Facilidad de adaptación a grupos de trabajo. Propositiva en la facilitación del aprendizaje. ELABORÓ REVISÓ AUTORIZÓ Dra. Rosa Isela Carbajal de Nova Ing. Yesica Ma. Domínguez Galicia Dr. Enrique Durán Páramo PRESIDENTA DE ACADEMIA SUBDIRECTORA ACADÉMICA DIRECTOR Fecha: Abril 2008