Introdução à Engenharia de Sistemas e de Bioprocessos

Código:

EBE0231

Sigla:

IESB

Áreas Científicas
Classificação	Área Científica
OFICIAL	Ciências da Engenharia

Ocorrência: 2020/2021 - 2S

Ativa?	Sim
Unidade Responsável:	Departamento de Engenharia Química
Curso/CE Responsável:	Mestrado Integrado em Bioengenharia

Ciclos de Estudo/Cursos

Sigla	Nº de Estudantes	Plano de Estudos	Anos Curriculares	Créditos UCN	Créditos ECTS	Horas de Contacto	Horas Totais
MIB	78	Plano de estudos oficial	2	-	6	42	162

Língua de trabalho

Português

Objetivos

Aquisição pelos estudantes das competências necessárias à análise qualitativa e quantitiativa de sistemas de engenharia biomédica e de bioprocessos.

Resultados de aprendizagem e competências

Esta unidade curricular apresenta os elementos introdutórios da Engenharia de Sistemas Biomédicos e da Engenharia de Bioprocessos. Oferece um tratamento abrangente e coerente de conceitos e ferramentas para a análise de sistemas e para a descrição matemática de bioprocessos simples.

A unidade curricular introdutória promove também a visão crítica das vantagens e limitações das diferentes abordagens através da sua aplicação à resolução de problemas concretos com grau de dificuldade ajustado ao segundo ano do curso.

Modo de trabalho

Presencial

Pré-requisitos (conhecimentos prévios) e co-requisitos (conhecimentos simultâneos)

Matemática (Cálculo Diferencial básico)

Programa

ENGENHARIA DE BIOPROCESSOS:
Cap 1- Cinética Biológica-descrição matemática de casos simples
   1.1.-Equações fundamentais da cinética: termodinâmica e velocidade de reação.
   1.2.-Tipos de cinéticas mais comuns em sistemas biológicos.
   1.3.-Fatores de Rendimento.
   1.4.-Crescimento microbiano em sistemas fechados.
   1.5.-Cinética do consumo de substrato e da formação de produto.
   1.6.-Cálculo do calor gerado em processos metabólicos.
Cap 2 - Balanços de Massa em Estado Estacionário e Não-Estacionário
   2.1.-Conceitos gerais: sistemas abertos e fechados; processos contínuos e descontínuos; equilíbrio versus estado estacionário. Sistemas em estado Não-estacionário. Sistemas sem e com reação biológica.
   2.2.-Equação básica dos balanços de massa
   2.3.-Regras práticas dos balanços de massa: balanços a correntes totais e balanços a componentes; junção e sub-divisão de correntes; reciclagem; purga.
   2.4.-Estequiometria da conversão biológica
Cap 3 - Balanços de Energia em Estado Estacionário e Não-Estacionário
   3.1.-Introdução: Unidades de Energia. Formas de Energia. Propriedades extensivas e intensivas.
   3.2.-Entalpia: definição e cálculo -Calores de Reação e de Formação.
   3.3.-Equação do Balanço de Energia em estado estacionário e Não-estacionário, com e sem reação.
Cap 4 - Aplicação da Engenharia de Processos à Análise de Sistemas Biológicos
   4.1.-Equações principais na descrição de processos biológicos.
   4.2.-Caso 1:Sistemas mono-fásicos com transferência de massa e reação
   4.3.-Caso 2: Sistemas bi-fásicos gás-líquido com transferência de massa e reação
   4.4.-Notas breves sobre biorreatores ideais.

ENGENHARIA DE SISTEMAS:
Parte 1  -Modelação e análise de modelos baseados em EDO lineares de coeficientes constantes: análise no domínio do tempo e no domínio das frequências

• Modelos de fenómenos eléctricos e mecânicos simples


• Modelação via equações diferenciais input/output: resposta livre e resposta forçada; cálculo das soluções via transformada de Laplace (revisão);


• Função de transferência e seu significado;


• Resposta de um sistema a sinais padrão (impulso, degrau, rampa) com particular ênfase para sistemas de 1ª e 2ª ordem;


• Sistemas de ordem superior; modos de um sistema; modos dominantes;


• Estabilidade BIBO e sua caracterização;


• Resposta em frequência                                  

Parte 2 - Modelos de espaço de estados

• Modelos lineares de espaço de estados: importância; obtenção por modelação directa; obtenção por realização de funções de transferência; obtenção por linearização de modelos não lineares (revisão);


• Evolução livre e evolução forçada; função de transferência associada;


• Cálculo das soluções (revisão);


• Estabilidade interna e estabilidade BIBO: definição; relação; caracterização da estabilidade interna por critérios espectrais.


• Controlabilidade e observabilidade; controladores e observadores           

Parte 3 – Modelos compartimentais

• Modelos compartimentais: definição; os modelos compartimentais como caso particular de modelos de espaço de estados; propriedades específicas (positividade; conservação de massa; estabilidade);


• Análise da evolução da massa total do sistema. 

Bibliografia Obrigatória

Luis Melo; Introdução à Engenharia de Bioprocessos, FEUP, 2018
Willem van Meurs; Modeling and simulation in biomedical engineering. ISBN: 978-0-07-171445-7

Bibliografia Complementar

Pauline M. Doran; Bioprocess engineering principles. ISBN: 978-0-12-220851-5
Kossiakoff A, Sweet W; Systems engineering, principles and practice, Hoboken NJ, John Wiley, 2003
Madihally SV; Principles of biomedical engineering, Artech House, Boston, USA, 2010

Métodos de ensino e atividades de aprendizagem

No seu processo formativo o estudante participará em aulas expositivas, realizará trabalhos teóricos e práticos convenientemente acompanhados pelo docente, em particular na resolução de problemas quantitativos.

O processo de ensino-aprendizagem estará centrado no trabalho do estudante, devendo daqui resultar uma aprendizagem mais proativa e dinâmica que estimulem o estudante a ser gradualmente mais autónomo.

Tipo de avaliação

Avaliação distribuída com exame final

Componentes de Avaliação

Designação	Peso (%)
Exame	60,00
Trabalho escrito	40,00
Total:	100,00

Componentes de Ocupação

Designação	Tempo (Horas)
Estudo autónomo	78,00
Frequência das aulas	42,00
Trabalho escrito	42,00
Total:	162,00

Obtenção de frequência

Frequência das aulas, de acordo com o regulamento da FEUP

Fórmula de cálculo da classificação final

A avaliação compreende:
-1 trabalho de grupo da componente "Engenharia de Bioprocessos"
-1 trabalho de grupo da componente "Engenharia de Sistemas"
-Exame Final

A fórmula de cálculo é:
Exame - peso 60%
Trabalho da componente "Engenharia de Bioprocessos" - peso 20%
Trabalho da componente "Engenharia de Sistemas" - peso 20%

A classificação mínima no exame final é de 8 valores.

Melhoria de classificação

Exame Final (recurso), mantendo-se a classificação obtida no Trabalho de Grupo.