INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

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1 PROGRAMA SINTÉTICO UNIDAD ACADÉMICA: UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA CARRERA: Ingeniería en Alimentos, Ingeniería Ambiental, Ingeniería Biotecnológica, Ingeniería Farmacéutica. UNIDAD DE APRENDIZAJE: Bioseparaciones Mecánicas NIVEL: V y VI OBJETIVO GENERAL: El alumno diseñará y seleccionará operaciones de separación mecánica, empleando los principios básicos de las operaciones que se desarrollarán durante el curso. DESCRIPCIÓN GENERAL DE CONTENIDOS: I. Introducción a los procesos de separación mecánica II. Procesos regidos por fuerzas inerciales III. Procesos regidos por diferencia de presión IV. Membranas V. Procesos regidos por campo eléctrico ORIENTACIÓN DIDÁCTICA: Análisis de los principios teóricos básicos de las operaciones unitarias que forman parte de los procesos de separación mecánica de sólidos y líquidos por los alumnos, con la guía del profesor. Resolución de problemas teóricos de aplicación práctica. Inferirá las consecuencias prácticas de los resultados obtenidos en la resolución de los problemas planteados. El docente orientará a los alumnos en la búsqueda documental para la construcción de su propio conocimiento. Ejemplificará estrategias de solución de problemas y discutirán los resultados obtenidos con la coordinación del profesor. EVALUACIÓN Y ACREDITACIÓN: Al inicio del curso se realizará un examen diagnóstico para conocer los antecedentes socio-académicos de los estudiantes. Los alumnos que lo soliciten podrán presentar un examen general de conocimientos, habilidades y destrezas, que al ser aprobado con una calificación mínima de (seis) les permitirá acreditar la asignatura. La evaluación del curso se realizará en tres evaluaciones parciales. Para cada una de ellas se contempla una evaluación continua de las actividades realizadas por los alumnos incluyendo tareas, ejercicios, resolución de problemas, participación en clase y un examen departamental escrito. La calificación mínima aprobatoria será de (seis). BIBLIOGRAFÍA: Foust, S. A. y Wensel, A. L. Principios de operaciones unitarias. CECSA. 1ra. Edición. México págs. McCabe, W. L.; Smith, J. C. y Harriott, P. Operaciones unitarias en ingeniería química. McGraw-Hill. 7a. Edición. México págs. Rosabal, V. J. y Valle, M. M. Hidrodinámica y separaciones mecánicas. Tomo II. Instituto Politécnico Nacional. Mexico. Ministerio de Educación Superior. Cuba págs. Tejeda, M.A. Bioseparaciones. UNISON. 1ª. Edición México. 842 págs. Belter, P.A.; Cussler, E.L.; Wei-Shou, H. Bioseparations. John Wiley and sons. USA págs.

2 UNIDAD ACADÉMICA: Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología CARRERA: Ingeniería en Alimentos, Ingeniería Ambiental, Ingeniería Biotecnológica, Ingeniería Farmacéutica. OPCIÓN: PROFESIONAL ASOCIADO: UNIDAD DE APRENDIZAJE: Bioseparaciones Mecánicas TIPO DE UNIDAD DE APRENDIZAJE: Teórica/ obligatoria VIGENCIA: Agosto 2008 NIVEL: V, VI CRÉDITOS: 9.0 (nueve) ÁREA FORMATIVA: Profesional MODALIDAD: Escolarizada PROPÓSITO GENERAL La importancia del conocimiento de las bases teóricas de los procesos de separación mecánica radica en adquirir la habilidad de calcular con éxito las variables que hagan eficiente estas operaciones a nivel laboratorio, piloto o industrial. La construcción de estos conocimientos contribuirá en el diseño, desarrollo y operación de bioprocesos involucrados en la producción y purificación de productos biotecnológicos. Los antecedentes de esta asignatura son: métodos numéricos, termodinámica, mecánica de fluidos y sólidos, fenómenos de transporte, balances de materia y energía. Esta unidad de aprendizaje será un antecedente directo para los cursos de: laboratorio de bioseparaciones, diseño de plantas y para cursos posteriores de ingeniería. OBJETIVO GENERAL El alumno diseñará y seleccionará operaciones de separación mecánica, empleando los principios básicos de las operaciones que se desarrollarán durante el curso. TIEMPOS ASIGNADOS HORAS TEORÍA/SEMANA: 4.5 HORAS PRÁCTICA/SEMANA: 0.0 HORAS TEORÍA/SEMESTRE: 81.0 HORAS PRÁCTICA/SEMESTRE:0.0 HORAS TOTALES/SEMESTRE: 81.0 UNIDAD DE APRENDIZAJE DISEÑADA O REDISEÑADA POR: Academia de Bioseparaciones 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 Mecánicas HOJA: 2 DE 8 N UNIDAD TEMÁTICA: I NOMBRE: Introducción a los procesos de separación mecánica El alumno diseñará procesos regidos por gravedad aplicando los elementos de diseño en el desarrollo de diagramas de flujo y su correspondiente memoria de cálculo. Explicará los criterios cualitativos de selección de un proceso de separación mecánica. Clasificará los procesos de separación mecánica que existen en base a su principio de separación. Procesos de separación: Definición e importancia. Clasificación general y aplicaciones prácticas Procesos regidos por la gravedad: sedimentación, decantación y tamizado. Procesos regidos por fuerzas inerciales: centrifugación y filtración centrífuga. Procesos regidos por diferencia de presión: filtración. Procesos de membrana: Microfiltración, ultrafiltración, ósmosis inversa y diálisis. Criterios de selección de un proceso de separación Importancia económica de los procesos de separación. Procesos regidos por la gravedad. Introducción Sedimentación Tipos de equipo y principios de funcionamiento Elemento de diseño para una unidad de sedimentación Decantación líquido-líquido. Decantador continuo Elementos de diseño. Decantación líquido-gas. Ciclones y recolectores de neblina. Elementos de diseño B, 6B, 7C Subtotal: 13.5 Búsqueda bibliográfica sobre ejemplos de procesos de separación mecánica. Elección y elaboración de un diagrama de flujo de un proceso industrial que incluya operaciones de separación mecánica. Solución de problemas bajo la supervisión del profesor. Entrega de problemarios. La evaluación de esta unidad se realiza a partir de entrega de problemario. Discusión de artículos que implique varios procesos de separación. Entrega del diagrama de flujo así como la memoria de cálculo de los balances de materia y energía correspondientes. La evaluación continua tiene un valor del 30%. Se realiza un examen de la unidad I y II el cual contribuye con el 70% de la calificación.

4 UNIDAD DE APRENDIZAJE: Bioseparaciones Mecánicas HOJA: 3 DE 8 N UNIDAD TEMÁTICA: II NOMBRE: Procesos regidos por fuerzas inerciales El alumno diseñará y seleccionará una centrífuga mediante la aplicación de los criterios técnicos adecuados e identificará las separaciones creadas por fuerzas inerciales mediante su principio de operación. 2.1 Introducción a los procesos de separación basadas en fuerzas inerciales Modelos Magnitud de la fuerza centrífuga Velocidad crítica Área equivalente Centrifugación Tipos de equipos y principios de funcionamiento Escalamiento de centrífugas Especialización de equipos de centrifugación Ciclones e hidrociclones Principio de funcionamiento de ciclones Cálculo y construcción de ciclones. Subtotal: B, 6B, 7C Actividades a realizar por los alumnos bajo la dirección, asesoría y supervisión del profesor: Búsqueda de información sobre los criterios de diseño y selección de centrífugas y ciclones. Elaboración por equipo de un reporte de la información encontrada. Presentación y discusión en clase de los elementos de diseño y selección de una centrífuga. Solución de problemas bajo la supervisión del profesor. Las actividades que realice (participación en clase, tareas y ejercicios) corresponderán al 20% de la evaluación, 10% para la exposición y 70% para la evaluación escrita de las unidades I y II.

5 UNIDAD DE APRENDIZAJE: Bioseparaciones Mecánicas HOJA: 4 DE 8 N UNIDAD TEMÁTICA: III NOMBRE: Procesos regidos por diferencia de presión El alumno diseñará los procesos de separación aplicando conceptos básicos de operación. Definirá las variables que afectan durante la operación de los procesos de separación e identificará el funcionamiento de los procesos cuya fuerza impulsora de separación es la presión Filtración Clasificación de equipos de filtración Medios filtrantes Ayuda filtros Ecuaciones fundamentales de filtración Caídas de presión Tortas de filtración compresible e incompresible Resistencia del medio filtrante Filtración a presión constante Filtración a velocidad constante Filtración continua B, 4B, 6B, 5C 8B Subtotal: 18.0 Actividades a realizar por los alumnos bajo la dirección, tutoría y supervisión del profesor. Búsqueda de información sobre el proceso de filtración. Elaboración de mapas mentales sobre la clasificación y funcionamiento de los equipos de filtración. Resolución por grupos de trabajo de problemas de filtración. Aplicación de los criterios de diseño en la solución de problemas. Las actividades que el alumno realice (participación en clase, tares y ejercicios) corresponderán al 20% y el 80% restante será de exámenes aplicados a lo largo de las unidades III y IV.

6 UNIDAD DE APRENDIZAJE: Bioseparaciones Mecánicas HOJA: 5 DE 8 N UNIDAD TEMÁTICA: IV NOMBRE: Membranas El alumno calculará los elementos mínimos para la resolución de problemas de separaciones mecánicas basadas en membranas. Seleccionará las separaciones mecánicas basadas en membranas para áreas de aplicación específicas. Definirá los propósitos de las separaciones mediante membranas. 4.1 Introducción Soluciones, suspensiones y coloides Presión osmótica Definiciones de los procesos 4.2. Clasificación y descripción de procesos Diálisis Microfiltración Ultrafiltración Osmosis inversa Electrodiálisis 4.3. Membranas porosas Tipos, características y arreglos Porosidad y permeabilidad Diámetro de poro y tamaño de partícula de corte Selectividad Transporte de sólidos Patrones de flujo Caídas de presión Polarización de la concentración 2B, 6B, 8B, 1C, 3C De manera general la clase será expuesta con los recursos disponibles en la Unidad y con los que cuente el docente. Búsqueda documental, en fuentes especializadas, previa a la clase del tema programado. Realización de un resumen de la información expuesta en cada clase. Recopilación de información técnica (materiales de construcción, dimensiones, arreglos de las membranas y los módulos, precios, aplicaciones, etc.), y entrega de un reporte, en grupos pequeños, de los equipos de microfiltración, ultrafiltración, ósmosis inversa y diálisis con la aplicación a su carrera, mediante la consulta a proveedores de equipo. Exposición de la información obtenida y entrega de la misma al resto del grupo. Elaboración individual de un cuadro que integre la información expuesta de los equipos investigados. Resolución de un problemario de ejercicios de aplicación para el cálculo de las diferentes variables de diseño, entregado al inicio de la unidad. La calificación para esta unidad consta del promedio de la calificación obtenida en las siguientes evidencias que presente el alumno: Las actividades que el alumno realice (resúmenes, problemario, participaciones y cuadros sinópticos) corresponderán al 20% y el 80% restante será de exámenes aplicados a lo largo de las unidades III y IV.

7 UNIDAD DE APRENDIZAJE: Bioseparaciones Mecánicas HOJA: 6 DE 8 N UNIDAD TEMÁTICA: IV NOMBRE: Membranas El alumno calculará los elementos mínimos para la resolución de problemas de separaciones mecánicas basadas en membranas. Seleccionará las separaciones mecánicas basadas en membranas para áreas de aplicación específicas. Definirá los propósitos de las separaciones mediante membranas. Diálisis Fundamento de la operación Modos de operación Microfiltración y ultrafiltración Filtración tangencial Polarización de la concentración y consecuencias físicas Modelos de predicción del flujo de permeado Métodos de control de la polarización de la concentración y de la obstrucción Osmosis inversa 4.5 Membranas densas Fenómenos reductores del flujo de permeado Efectos de carga Compactación de la membrana Consideraciones de diseño Operación intermitente y operación continua Geometrías típicas, diseño y arreglo de los módulos Consideraciones generales para el escalamiento Subtotal: B, 6B, 8B, 1C, 3C De manera general la clase será expuesta con los recursos disponibles en la Unidad y con los que cuente el docente. Búsqueda documental, en fuentes especializadas, previa a la clase del tema programado. Realización de un resumen de la información expuesta en cada clase. Recopilación de información técnica (materiales de construcción, dimensiones, arreglos de las membranas y los módulos, precios, aplicaciones, etc.), y entrega de un reporte, en grupos pequeños, de los equipos de microfiltración, ultrafiltración, ósmosis inversa y diálisis con la aplicación a su carrera, mediante la consulta a proveedores de equipo. Exposición de la información obtenida y entrega de la misma al resto del grupo. Elaboración individual de un cuadro que integre la información expuesta de los equipos investigados. Resolución de un problemario de ejercicios de aplicación para el cálculo de las diferentes variables de diseño, entregado al inicio de la unidad. La calificación para esta unidad consta del promedio de la calificación obtenida en las siguientes evidencias que presente el alumno: Las actividades que el alumno realice (resúmenes, problemario, participaciones y cuadros sinópticos) corresponderán al 20% y el 80% restante será de exámenes aplicados.

8 UNIDAD DE APRENDIZAJE: Bioseparaciones Mecánicas HOJA: 7 DE 8 N UNIDAD TEMÁTICA: V NOMBRE: Procesos regidos por campo eléctrico El alumno explicará la electroforesis como método de separación y analizará su aplicación en los bioprocesos Introducción Definición Aplicaciones típicas Electroforesis Teoría de la electroforesis de partículas Teoría del electrolito fuerte Movilidades electroforéticas Tipos de electroforesis 4.5 2B, 8B Electroforesis continua Electroforesis de flujo libre Subtotal: 10.5 Actividades a realizar por los alumnos bajo la dirección, asesoría y supervisión del profesor: Búsqueda de información, sobre la importancia de los procesos de electroforesis como método de purificación. Presentación oral en clase acerca de un artículo científico donde esté aplicada la electroforesis. Resolución en grupos de trabajo de problemas de electroforesis. Las actividades que el alumno realice (participación en clase, tareas y ejercicios) corresponderán al 20% y el 80% restante será de exámenes aplicados

9 UNIDAD DE APRENDIZAJE: Bioseparaciones Mecánicas HOJA: 8 DE 8 PERÍODO UNIDAD PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN Evaluación diagnóstica escrita, realizada en la primera sesión. El alumno que obtenga una calificación mínima de acredita el curso completo I y II III y IV V Las actividades que el alumno realice (exposiciones, participación en clase, tareas y ejercicios) corresponderán al 30% y el 70% restante será de exámenes aplicados Las actividades que el alumno realice (participación en clase, tareas y ejercicios) corresponderán al 20% y el 80% restante será de exámenes aplicados Las actividades que el alumno realice (participación en clase, tareas y ejercicios) corresponderán al 20% y el 80% restante será de exámenes aplicados La calificación final estará dada por el promedio de las calificaciones de los tres periodos. Para acreditar el curso se requiere: Obtener una calificación mínima de como promedio final. B C BIBLIOGRAFÍA 1 Baker, R.W. Membrane technology and applications. John Wiley. 2a. Edición USA. 538 págs. ISBN Belter, P.A.; Cussler, E.L.; Wei-Shou, H. Bioseparations. John Wiley and sons. USA págs. ISBN Cheryan, M. Ultrafiltration Handbook. Technomic Publishing, Inc USA. 374 págs. ISBN Foust, S. A. y Wensel, A. L. Principios de operaciones unitarias. CECSA. 1ra. Edición págs. ISBN Genkoplis C.J. Procesos de transporte y principios de separación. CECSA. 4a Edición México 1034 págs. ISBN McCabe, W. L.; Smith, J. C. y Harriott, P. Operaciones unitarias en ingeniería química. McGraw-Hill. 6ta. Edición. México págs. ISBN Rosabal, V. J. y Valle, M. M. Hidrodinámica y separaciones mecánicas. Tomo II. Instituto Politécnico Nacional. México. Ministerio de Educación Superior. Cuba págs. ISBN Tejeda, M.A. Bioseparaciones. UNISON. 1ª. Edición México. 842 págs. ISBN

10 PERFIL DOCENTE POR ASIGNATURA 1. DATOS GENERALES ESCUELA: UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA CARRERA Ingeniería en Alimentos, Ingeniería Ambiental, Ingeniería Biotecnológica, Ingeniería Farmacéutica ÁREA: BÁSICAS C. INGENIERÍA D. INGENIERÍA C. SOC. y HUM. NIVEL V y VI ACADEMIA: Ingeniería Básica ASIGNATURA: Bioseparaciones Mecánicas ESPECIALIDAD Y NIVEL ACADÉMICO REQUERIDO: Ingeniero en Biotecnología, Ingeniero Farmacéutico, Ingeniero Bioquímico, Ingeniero Químico o afín y/o con estudios de posgrado 2. OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA: El alumno diseñará y seleccionará operaciones de separación mecánica, empleando los principios básicos de las operaciones que se desarrollarán durante el curso. 3. PERFIL DOCENTE: CONOCIMIENTOS Conocimientos en separaciones mecánicas y en bioprocesos. Conocimientos en el lenguaje de la ingeniería. Conocimiento en las herramientas de cálculo empleados comúnmente. Conocimientos en el diseño, operación y control de los bioprocesos productivos. Diseño didáctico y evaluación. EPERIENCIA PROFESIONAL Experiencia industrial en el ramo farmacéutico, de alimentos y/o biotecnológico. Experiencia docente. HABILIDADES Capacidad de transmitir los conocimientos y su aplicación a situaciones prácticas. Habilidad en la operación de bioseparaciones mecánicas y su equipo auxiliar. Habilidades de planeación y control. Mediador del aprendizaje. Mediador del manejo de las TICs ACTITUDES Compromiso social y ético. Reflexión y análisis. Innovación. Proactividad. Comunicación efectiva. Visión global. Trabajo en equipo. Responsabilidad. Tolerancia. Acción tutorial. ELABORÓ REVISÓ AUTORIZÓ Dra. Rosa Isela Carbajal De Nova _Ing. Yésica Domínguez Galicia Dr. Enrique Duran Páramo PRESIDENTE DE ACADEMIA SUBDIRECTORA ACADÊMICA DIRECTOR FECHA: Abril 2008