Silvestro Natoli

Mariano Calatozzolo

Le nuove indicazioni ministeriali dell’indirizzo “Chimica, Materiali e Biotecnologie” articolazione “Chimica e Materiali” mostrano una tendenza alla compressione dei contenuti ispirandosi ad una logica di “razionalizzazione” delle risorse umane ed economiche anziché alle esigenze della società ed agli obiettivi del processo formativo. In particolare, sono state sacrificate 4 ore settimanali di materie di indirizzo, rendendo necessaria la soppressione di “Chimica-Fisica” per evitare un’eccessiva frammentazione delle discipline chimiche in relazione alle ore a disposizione.
 
 La nuova edizione del manuale accoglie queste indicazioni, assicurando una stretta connessione con la scansione dei programmi ministeriali ma, allo stesso tempo, gli argomenti centrali della disciplina sono sviluppati in maniera da consentire al docente di scegliere le conoscenze da trasmettere, tra tutte quelle indicate nelle indicazioni ministeriali, in base agli obiettivi formativi fissati e di sviluppare gli opportuni approfondimenti.
 
 Le principali novità riguardano i contenuti di “Chimica-Fisica” direttamente correlate alla disciplina di Tecnologie Chimiche che sono state incluse nel piano dell’opera. In particolare:
 <ul><li>lo studio degli equilibri tra fasi diverse che sono collegati alla trattazione di tutte le operazioni unitarie basate sul raggiungimento di condizioni di equilibrio tra fasi diverse;
</li><li>lo studio della termodinamica e della cinetica chimica, ovvero i cardini teorici che consentono la corretta rappresentazione dei bilanci di materia e di energia e la definizione delle migliori condizioni operative di una reazione, sia per quanto riguarda le rese che le velocità di reazione.</li></ul>

1. Il controllo automatico nei processi chimici

1.1 Premessa

1.2 Il comportamento dei processi

1.2.1 La caratteristica statica

1.2.2 Le caratteristiche dinamiche dei processi

1.2.2.1 Ricettività, resistenza e tempo morto

1.2.2.2 Il comportamento dinamico dei processi

1.2.2.2.1 Processi dotati di autoequilibrio

1.2.2.2.2 Processi di ordine zero con autoequilibrio

1.2.2.2.3 Processi con solo tempo morto

1.2.2.2.4 Processi con autoequilibrio del primo ordine

1.2.2.2.5 Processi con autoequilibrio del secondo ordine

1.2.2.2.6 Processi con autoequilibrio di ordine superiore

1.2.2.2.7 Processi privi di autoequilibrio

1.3 Il regolatore nei sistemi di controllo

1.3.1 Il comportamento dinamico dei regolatori continui in retroazione

1.3.1.1 I regolatori ad azione proporzionale (P)

1.3.1.2 I regolatori ad azione integrale (I)

1.3.1.3 I regolatori ad azione derivativa (D)

1.3.1.4 I regolatori ad azione PI

1.3.1.5 I regolatori ad azione PD

1.3.1.6 I regolatori ad azione PID

1.3.1.7 I regolatori reali

1.4 Il processo regolato in retroazione

1.4.1 Il regolatore ad azione proporzionale

1.4.1.1 Offset e reset

1.4.1.2 Stabilità dell'azione proporzionale

1.4.2 Il processo con regolatore ad azione integrale e PI

1.4.3 Il processo con regolatore ad azione PD

1.4.4 Il processo con regolatore ad azione PID

1.4.5 Caratterizzazione della regolazione e taratura (tuning) dei regolatori PID

1.4.5.1 Caratterizzazione delle risposte oscillatorie

1.4.5.2 La taratura (tuning) dei parametri del regolatore

1.5 Altri metodi di regolazione

1.5.1 La regolazione in cascata

1.5.2 I comandi

1.5.3 La regolazione in avanti (feedforward)

1.5.4 Regolazione di rapporto

1.5.5 Regolazione selettiva

1.5.6 Regolazione adattativa

1.6 Il problema della regolazione multivariabile e la scelta del sistema di regolazione

1.6.1 I gradi di libertà e il controllo di un sistema

1.6.2 Scelta dell'accoppiamento controllante - controllata. Associazione e dissociazione

1.7 Il controllo dei processi discontinui (batch)

1.7.1 L'organizzazione modulare del controllo nei processi discontinui

1.7.2 Sistemi e tipologie di controllo per i processi batch

Glossario

Esercizi

2. Le basi chimico-fisiche delle operazioni unitarie: equilibri liquido-vapore

2.1 Equilibrio liquido-vapore nei sistemi ad un componente

2.2 Grandezze parziali molari

2.2.1 Il volume parziale molare

2.2.2 Il comportamento delle miscele ideali

2.3 Equilibrio liquido-vapore per i sistemi a due componenti

2.4 La legge di Raoult e i diagrammi di equilibrio liquido-vapore

2.5 Le deviazioni dal comportamento ideale

2.6 Gli equilibri gas-liquido

3. La distillazione

3.1 Aspetti generali della distillazione

3.2 La rettifica continua

3.3 I bilanci di materia

3.4 Determinazione degli stadi con il metodo Mccabe e thiele

3.4.1 Le rette di lavoro

3.4.2 Le condizioni dell'alimentazione

3.4.3 Intersezione delle due rette di lavoro

3.4.4 La determinazione del numero di stadi

3.4.5 Scelta del rapporto di riflusso

3.5 Tipi di piatti

3.6 Efficienza della colonna e calcolo degli stadi reali

3.7 Diametro della colonna

3.8 Colonne a riempimento

3.9 Distillazione flash

3.10 Distillazione discontinua

3.11 Stripping

3.12 Distillazione estrattiva

3.13 Distillazione azeotropica

3.14 Distillazione in corrente di vapore

3.15 Il controllo di processo nella distillazione

4. Assorbimento e strippaggio

4.1 Aspetti generali dell'assorbimento e dello strippaggio

4.2 Le equazioni di trasferimento di materia

4.2.1 Il modello del doppio film

4.2.2 Il coefficiente di trasferimento globale

4.3 Il dimensionamento delle colonne di assorbimento

4.3.1 I bilanci di materia e la retta di lavoro

4.3.2 Il rapporto minimo solvente/gas

4.3.3 Determinazione del numero di stadi

4.4 Le colonne di assorbimento

4.5 Assorbimento chimico

4.6 Il controllo automatico

5. L'estrazione liquido-liquido

5.1 Principali impieghi dell'estrazione liquido-liquido

5.2 L'equilibrio di ripartizione e lo stadio d'equilibrio

5.3 Modalità di conduzione dell'estrazione

478 Penicillina 9   Princìpi di biotecnologia biotecnologiche su larga scala. Ma tra il 1926 e il 1930 il biologo e farmacologo britannico Alexander Fleming (1881-1955) scoprì l efficacia antibiotica delle muffe di Penicillum notatum. Durante la seconda guerra mondiale la collaborazione tra scienziati inglesi e industria americana consentì prima la selezione di ceppi mutanti di Penicillum chrisogenum, ottenuta sottoponendo le muffe a raggi X, e successivamente la produzione su larga scala di penicillina. A partire dai primi mesi del 1943 le truppe alleate ebbero a disposizione sufficienti quantità di antibiotico grazie a cui la cura delle ferite e le operazioni chirurgiche poterono essere condotte con successo. Fleming e i suoi collaboratori ricevettero il Nobel per la medicina nel 1945. Negli anni successivi molti altri antibiotici, prodotti sempre utilizzando muffe, vennero introdotti sul mercato consentendo la cura di molte malattie come tubercolosi e meningite. Nel frattempo progrediva la conoscenza dei processi metabolici cellulari e, allo stesso tempo, veniva scoperta la struttura del DNA, ponendo le condizioni per lo sviluppo dell ingegneria genetica. Completamento progetto GENOMA Produzione di vaccini ricombinanti 2003 1999 Chimosima ricombinante viene impiegata per la produzione di formaggio Insulina umana prodotta con la tecnica del DNA ricombinante Tecnica del DNA ricombinante 1990 1982 Codifica del codice genetico 1970 Herschey e Chase provano che il DNA contiene materiale genetico responsabile dell ereditarietà Watson e Crick propongono la struttura a doppia elica del DNA 1967 1953 1952 Fleming scopre la penicillina 1944 Buchner realizza la fermentazione alcolica da un estratto senza lieviti vivi 1928 1917 Produzione di bevande alcoliche, pane, formaggi per fermentazione Manifattura di yogurt e kefir Pasteur afferma che i processi di fermentazione sono causati da lieviti Hooke descrive le cellule Produzioni industriali di penicillina destinata alle truppe americane in Europa Produzioni su larga scala di etanolo, butanolo, acido citrico, glicerolo e acetone 1897 1869 F. Miescher estrae il DNA (nucleina) da cellule di leucociti 1859 1675 1663 3500 a.C. 6000 a.C. Fig. 9.1 Evoluzione delle biotecnologie. Van Leeuwenhoek migliora il microscopio e descrive molti microrganismi 

9.1 Lo sviluppo delle biotecnologie

479 9.2   Ambiti applicativi delle biotecnologie Grazie a queste tecniche, sperimentate con successo per la prima volta nel 1973, è possibile, tramite particolari enzimi detti di restrizione, tagliare il DNA in punti particolari per inserirvi dei nuovi geni che consentono alle cellule di svolgere funzioni ben precise (tecnica del DNA ricombinante). Le potenzialità applicative di queste tecniche spaziano dal campo dei prodotti farmaceutici, diagnostico medicali, agroalimentari, a quelli ambientali ed energetici, coprendo tutti i settori di maggiore interesse per gli anni a venire. Le aree in cui si sono conseguiti notevoli risultati e in cui si possono prevedere ulteriori sviluppi riguardano principalmente la salute, l alimentazione, l agricoltura e l ambiente, settori cruciali la cui importanza è destinata a crescere. Nel prossimo futuro è prevedibile la necessità di sostituire i combustibili fossili con altre risorse energetiche più rispettose dell ambiente. In questo senso il bioalcol e il biogas, se saremo in grado di risolvere i rilevanti problemi economici, sociali e ambientali che il loro impiego comporta, potranno costituire una valida alternativa in grado di contrastare l effetto serra. ro s Ai fini di un approccio organico alla disciplina è utile la classificazione delle biotecnologie in bianche, quelle collegate alle produzioni industriali, rosse, che si occupano della ricerca e sviluppo di farmaci e cure innovative, e verdi, collegate alle produzioni agroalimentari. L evoluzione del mercato ha visto negli ultimi anni uno sviluppo massiccio delle applicazioni in medicina, ma si prevede che le applicazioni ai processi industriali abbiano un incremento rapido nei prossimi anni. se i ot Bi B io t e ia ec nc he no lo gie ve rd Evoluzione del mercato Classificazione delle biotecnologie: bianche, rosse, verdi AMBITI APPLICATIVI DELLE BIOTECNOLOGIE Biote cnol ogie 9.2 log c no ie 2014 Fig. 9.2 Penetrazione sul mercato delle biotecnologie. b tempo 

9.2 Ambiti applicativi delle biotecnologie

Le nuove indicazioni ministeriali per "Chimica e Materiali" influenzano il manuale, mantenendo i punti chiave ma consentendo flessibilità.

Tecnologie chimiche industriali

Tecnologie chimiche industriali, Vol. 3

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