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

502 9   Princìpi di biotecnologia 9.5.4 L inseminazione del reattore Preparazione dell inoculo La produzione su scala industriale prevede l inseminazione del fermentatore con una quantità ben determinata di inoculo di microrganismi. In relazione alle cinetiche di accrescimento gli obiettivi da perseguire sono: n la limitazione della fase di latenza; n un rapporto substrato/microrganismi adatto ad una fase di crescita esponenziale illimitata. Infatti, la (9.30) evidenzia la relazione tra la produzione espressa dal primo membro e la cinetica di accrescimento di Monod, presente al secondo. In questa ottica la fase di latenza va evitata scrupolosamente mentre il rapporto substrato/ microrganismi deve essere coerente con la fase di crescita esponenziale illimitata in modo che l operatore logico possa essere posto unitario e la velocità specifica sia quella massima: FV CP =  max CC V YP/C (9.32) Per mantenere le condizioni volute il fermentatore deve essere inseminato con una quantità ben precisa di inoculo, in maniera tale che, in relazione alla capacità del fermentatore, il rapporto substrato, microrganismi sia quello voluto. Le capacità dei fermentatori possono andare da qualche centinaio di litri sino a 250 m3, per le produzioni su larga e media scala, mentre la percentuale di microrganismi inseminati varia, generalmente, tra il 3% ed il 5%. Un esempio di procedura di preparazione della quantità opportuna di inoculo, a partire da ceppi selezionati di microrganismi, è illustrata in Fig. 9.13. Incubazione su agar 4 giorni; 28°C Coltura di partenza Ceppi selezionati Liofilizzazione su latte scremato Fig. 9.13 9.6 2° stadio inseminazione Prefermentatori da 80 L; 30 h; 32°C 1° stadio inseminazione Beute da 2L; 48 h; 28°C Al fermentatore Dalla coltura all inseminazione. ENZIMI E TECNICHE DI IMMOBILIZZAZIONE Gli enzimi sono una particolare classe di proteine che svolgono l importantissima funzione di catalizzare le centinaia di reazioni che avvengono contemporaneamente all interno della cellula, accelerando le velocità di reazione anche di 10   20 volte, con una attività catalitica pur operando a temperatura ambiente. Inoltre, grazie alla specificità e selettività dell azione catalitica, non si hanno praticamente sottoprodotti della reazione, sempre possibili operando con cellule vive. 

9.5.4 L'inseminazione del reattore

503 9.6   Enzimi e tecniche di immobilizzazione Modelli di catalisi enzimatica I settori applicativi di più largo impiego sono quelli dell industria alimentare e delle bevande, seguiti dalla produzione di detergenti, che fa largo uso di proteasi e amilasi. Inoltre, anche l industria tessile e quella cartaria, seppur con fatturati inferiori, fanno largo uso di enzimi nei loro processi produttivi. L attività dell enzima è determinata dalla struttura quaternaria delle proteine che lo compongono e dalla conseguente forma che la macromolecola assume. In conseguenza della particolare struttura tridimensionale, una parte dell enzima presenta una forma complementare alla molecola da trasformare ed è in grado di legarsi ad essa tramite legami intermolecolari. Questo particolare meccanismo di catalisi enzimatica è descritto tramite il modello chiave-serratura le cui fasi, illustrate in Fig. 9.14, sono la formazione di un complesso enzima-substrato, il riarrangiamento intermolecolare con formazione di un complesso enzima-prodotto e la dissociazione di questo complesso per riformare l enzima libero più il prodotto. Substrato P S ES E Enzima libero con sito attivo sulla superficie Fig. 9.14 Complesso enzima-substrato Prodotto principale E Complesso enzima-prodotto Enzima libero Schema dell azione enzimatica. L attività enzimatica è influenzata dalle condizioni ambientali, soprattutto pH e temperatura. La maggior parte degli enzimi presenta un massimo di attività per valori di pH intorno a 7, anche se alcuni presentano un massimo a pH inferiori. Come per tutte le reazioni chimiche, l aumento di temperatura determina un aumento della velocità, che per le reazioni enzimatiche raddoppia per un aumento di 10 °C, ma la stabilità degli enzimi decade rapidamente per temperature superiori a 55   60 °C. 9.6.1 Estrazione degli enzimi Operazioni di recupero degli enzimi Il recupero degli enzimi dalle cellule che li producono viene effettuato secondo una sequenza di operazioni illustrata in Fig. 9.15. Il primo passo è la distruzione della cellula, che può essere effettuata con metodi chimici o fisici. I metodi chimici utilizzano alcali, enzimi o detergenti. La prima tecnica può essere utilizzata per quegli enzimi che non si denaturano ai valori di pH di processo (11,0   12,5). La seconda tecnica si realizza con l enzima Lysozyma, talvolta impiegato con EDTA, che catalizza l idrolisi dei costituenti della parete cellulare. La lisi cellulare è provocata anche da diversi detergenti specifici, soprattutto non ionici che presentano minori rischi di denaturazione. Tra i metodi fisici più utilizzati si hanno gli ultrasuoni, impiegati soprattutto in scala di laboratorio, lo shock osmotico, il congelamento e scongelamento, 

9.6.1 Estrazione degli enzimi

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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