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Contexte historique, repères et acteurs du développement durable. Concepts théoriques, modèles, indicateurs et mesures tels que : produit intérieur brut, indice de développement humain, Genuine Progress Indicators, empreinte écologique. Cadre légal : Loi 118, Loi sur la qualité de l'environnement du Québec, Loi sur les ingénieurs. Leviers et outils de mise en œuvre : responsabilité sociale des organisations, analyse de cycle de vie, écoconception. Outils de reddition de compte, certification : normes de l'Organisation internationale de normalisation et du Bureau de normalisation du Québec, Global reporting initiave, écolabel. Enjeux majeurs tels que : biodiversité, eau, sols, énergie, changements climatiques, industrie extractive, procédés de transformation, matières résiduelles, milieu bâti, transport, éthique, société. Défis et contraintes.

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Synthèse et méthodologie d'application des principes du développement durable (DD) à partir d'études de cas ou de problèmes rencontrés pour la prise en compte des relations environnementales, économiques et sociales propres à un produit, procédé ou service pendant tout son cycle de vie. Aspect méthodologique de la préparation d'un rapport de durabilité. Revue des critères d'écoconception. Application de l'analyse du cycle de vie selon les normes ISO14040 et suivantes. Rôle de l'ingénieur dans les débats de société. Connaissance des milieux de mises en œuvre des principes du DD. Exemples d'intégration des aspects à impacts durables dans les procédés de transformation et dans l'utilisation des produits et services. Exemples de l'influence de la source d'énergie utilisée pour développer une technologie, un produit ou un service sur leurs impacts de durabilité.

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Étude détaillée de l'analyse du cycle de vie (ACV). Normalisation ISO 14040 et 14044. Définition des objectifs et du champ de l'étude. Analyse de l'inventaire : aspects mathématiques, approches ascendante et descendante, approches attributionnelle et conséquentielle, multi-fonctionnalité. Évaluation des impacts du cycle de vie : chaînes de cause à effet, modèles et facteurs de caractérisation, méthodologies d'évaluation des impacts du cycle de vie. Impacts et indicateurs environnementaux. Classification, caractérisation, normalisation et pondération. Interprétation des résultats : analyses de contribution, de sensibilité, d'incertitude, de scénario. Utilisation des bases de données et des logiciels d'ACV. Analyse critique d'une ACV publique. Réalisation d'un projet réel d'ACV dans le domaine de compétence de l'étudiant. Types d'études ACV : interne, rapport tierce partie, assertion comparative divulguée au public.

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Chimie de l'environnement : solutions, changements de phase, réactions acide-base, système carbonate, réactions d'oxydation. Thermodynamique chimique : 2e loi de la thermodynamique, réactions spontanées, entropie, énergie libre de Gibbs. Électrochimie : états d'oxydation, cellule voltaïques. Cinétique de réaction. Modélisation des réacteurs. Diffusion des polluants dans les liquides et les gaz. Microbiologie de l'environnement : types de microorganismes, techniques de comptage, microbiologie des eaux naturelles, des eaux potables et des eaux d'égouts.

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Définition de l'énergie. Notions de base sur l'énergie. Les différentes sources primaires de l'énergie. Énergies fossiles: charbon, pétrole, gaz naturel. Énergie nucléaire. Énergies renouvelables : énergie hydraulique, énergie éolienne, énergie solaire, biomasse, énergie géothermale, énergie des déchets, fusion thermonucléaire. Notion de vecteur énergétique : électricité, chaleur, cogénération et trigénération, hydrogène, piles à combustible. Production, stockage, transport et utilisation de l'énergie. Rendement, coût et efficacité énergétique selon le type de sources. Relation entre source d'énergie et type de pollution. Gestion de l'énergie : avantages et inconvénients de la déréglementation de la distribution de l'électricité en Amérique du Nord. Énergie et recyclage des déchets. Économies d'énergie, perspectives d'avenir.

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Définition des concepts de continuité opérationnelle et de résilience. Processus normatifs appliqués à la continuité opérationnelle (BS, CSA, ISO). Meilleures pratiques de la gestion de continuité. Programmes de gestion de la continuité opérationnelle. Exemples d'application industrielle. Approches internationales de la résilience. Volets principaux de l'évaluation de la résilience. Intégration des mécanismes de gestion de la continuité opérationnelle. Méthodologie d'évaluation de la résilience. Applications pratiques gouvernementales, municipales et industrielles.

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Science économique, économie circulaire et bilan des flux de matières. Approche cycle de vie. Boucles de matières et perspectives de l'ingénieur. Déchets municipaux et recyclage : technologies, instruments incitatifs, politiques publiques, taxes, subventions, responsabilité élargie des producteurs, modèles théoriques et résultats empiriques, norme sociale, corruption, taille et densité des villes. Remise à neuf : modèles de location et théorie des contrats, droit de propriété, cannibalisation et compétition sur le marché secondaire. Écoconception : innovation et hypothèse de Porter, recyclabilité, réutilisabilité et durabilité, obsolescence programmée. Aspect international : marché et flux des matières, dépendance à la ressource, accords internationaux, commerce illégal et corruption, dons. Marché vert : éco-étiquetage et écoblanchiment. Sujets choisis en ingénierie tels que responsabilité sociale des entreprises, éco-industrie, lobbying environnemental.

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Spécificité du concept de développement durable en conception de produits et de procédés. Modélisation des produits par noeuds de composants fonctionnels et d'attachement. Amélioration des caractéristiques techniques du produit en vue d'en faciliter la transformation durant l'ensemble de son cycle de vie. Conception de procédés sains : aspects mécaniques et environnementaux.

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Design de bioréacteurs. Configuration d'une usine pilote. Instrumentations, sondes, capteurs et techniques d'analyse. Paramètres d'ingénierie des biosystèmes. Pratiques industrielles de mise à l'échelle. Cellules animales et végétales, bactéries, levures et moisissures. Stratégie de commande de bioprocédés de production. Récupération des bioproduits. Stages pratiques et projets de culture cellulaire en bioréacteurs d'échelle pilote. Règlements et normes de sécurité. Normes de confinement. Bonnes pratiques de fabrication. Rédaction d'articles scientifiques.

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Modélisation des impacts reliés à l'émission de substances toxiques dans l'environnement. Évaluation des impacts du cycle de vie. Relation avec l'analyse des risques écotoxicologiques et à la santé humaine. Cadre méthodologique de la modélisation environnementale multi-compartiments. Bilans de masse, coefficients de disparition et de transfert de premier (pseudo-premier) ordre, calcul matriciel. Modèles à l'équilibre, à l'état stationnaire et modélisation dynamique. Modélisation de l'exposition à l'homme, introduction au concept de fraction ingérée de substances toxiques par une population, exposition directe vs indirecte via la chaîne alimentaire, bioconcentration. Exposition à l'écosystème via la chaîne trophique. Notions d'effets cancérigènes et non cancérigènes, effets sur les écosystèmes. Bases de données physico-chimiques et toxicologiques (écotoxicologiques). Indicateurs de toxicité.

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Types de biomasse et composition. Chimie de la biomasse. Conversion de la biomasse : physique, chimique, biologique, thermique. Produits à haute valeur ajoutée. Bioraffineries intégrées. Bioraffineries de première, deuxième et troisième génération. Différents produits chimiques. Synthèses organiques. Efficacité énergétique. Simulation et modélisation des procédés avec application au bioraffinage. Contribution de la biomasse au développement durable, réduction des gaz à effet de serre, politiques réglementaires. Crédits de carbone. Viabilité économique des bioraffineries.

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Notions d'agents toxiques et implications écologiques des pollutions dans la conception et l'opération de procédés. Sources et classification des polluants toxiques. Propriétés physico-chimiques des polluants. Devenir des polluants toxiques dans l'environnement. Mode d'exposition, récepteurs biologiques et niveaux d'effets. Relation concentration-réponse. Notions d'effets aigus/chroniques, létaux/sublétaux. Outils de mesure et d'évaluation de l'effet. Notions de danger et de risque écotoxicologique dans la protection de l'environnement et en assainissement industriel. Logiciels d'évaluation du risque écotoxicologique. Contexte règlementaire. Études de cas réels documentés. Notions de développement durable et de réingénierie des procédés.

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Gestion des matières résiduelles solides : déchets domestiques, déchets dangereux, rebus industriels. Enfouissement, incinération, gazéification : plasma, pyrolyse. Biométhanisation, recyclage et valorisation. Énergie gaspillée/résiduelle, énergie thermique et chimique, génération de vapeur d'eau, ressources chaudes et formation d'électricité à partir de ressources à basse température : cycle de Rankine organique, pompage thermique.

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Problématique des opérations industrielles de mélange pour des milieux newtoniens et rhéologiquement complexes. Principes fondamentaux de l'homogénéisation solide-liquide et gaz-liquide. Critères de conception, de dimensionnement et d'extrapolation des mélangeurs. Performance des équipements industriels. Logiciels de conception.

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Principes et importance de la catalyse hétérogène. Adsorption sur les surfaces solides. Isothermes d'adsorption. Structure et activité des différents types de catalyseurs. Propriétés physiques des catalyseurs. Synthèse de catalyseurs. Cinétique de réactions catalytiques gaz-solide. Expressions pour la vitesse de réaction. Expérimentation. Recherche de modèles cinétiques. Applications à des procédés industriels, particulièrement ceux de l'industrie du pétrole.

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Revue du réacteur homogène tubulaire. Transport de matière et d'énergie à l'intérieur d'un catalyseur poreux et entre la phase fluide et la surface externe du catalyseur. Réacteur catalytique en lit fixe : le réacteur isotherme, le réacteur adiabatique, le réacteur non isotherme. Fluidisation : phénomènes et régimes de fluidisation. Hydrodynamique des lits fluidisés. Conversion catalytique en régime de bullage. Design des systèmes à lits fluidisés et à lits fluidisés circulants.

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Rôles des minerais dans la société et l'économie, extraction minière, explosifs, sites d'exploitation québécois. Bilans de matière en intégrant la granulométrie, teneur. Fragmentation : énergie de surface et de broyage, dureté/friabilité, concassage, granulation, broyage, pulvérisation, voies sèches et humides, indices de performance, ratio de réduction. Boues. Procédés de séparation des minerais. Classification dimensionnelle : tamis, cyclones, cribles. Flottation : tension de surface et mouillabilité, surfactants, séparation gravimétrique. Séparation physico-chimique (magnétique). Transport des solides : convoyeurs, transport pneumatique, grilles vibrantes. Hydrométallurgie : aspects thermodynamiques (Debye-Huckel), chimie aqueuse, solubilités. Lixiviation et extraction par solvants, précipitation, cémentation, réactions ioniques. Études de cas. Aspects environnementaux.

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Rôle des procédés pyrométallurgiques dans la société et au Québec. Opérations unitaires en pyrométallurgie: calcination, grillage, fusion/convertissage, réduction, distillation, affinage. Aspects thermochimiques: diagrammes de prédominance, diagrammes d'Ellingham, conditions d'opérations. Phases liquides: mattes, laitiers, speiss, sels fondus. Compatibilité chimique des réfractaires. Procédés d'élaboration des métaux étudiés via les principaux secteurs comme la sidérurgie: filières des hauts-fourneaux et fours électriques. Production des métaux non-ferreux tels le cuivre et le nickel. Électrolyse de l'aluminium. Production du zinc/plomb. Autres procédés selon l'actualité. Bilans de matière et d'énergie. Logiciel de simulation thermochimique.

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Commande en cascade. Commande par anticipation. Compensation de retard. Commande par modèle interne. Commande inférentielle. Commande sélective. Commande partagée. Commande de procédés multi-entrées multi-sorties. Analyse d'interactions. Intégration design et commande. Simulations de systèmes de commande. Applications tirées de l'industrie chimique et biochimique.

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Principes fondamentaux des outils et techniques d'intégration des procédés : complexité et défis. Simulation de procédés de toute une usine en régime permanent et dynamique. Outils de pointe : réconciliation des données, analyse du pincement thermique, analyse du cycle de vie, modélisation empirique et analyse multivariable, modélisation de la chaîne d'approvisionnement et de la chaîne logistique. Études de cas industriels et utilisation d'outils d'intégration de procédés pour la résolution de projets industriels.