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

512 Glossario glossario Biotecnologie. Secondo la Federazione delle   Società Europee di Biotecnologia «L uso integrato della microbiologia, biochimica ed ingegneria genetica al fine di realizzare l applicazione industriale delle capacità potenziali di microrganismi, cellule di tessuti coltivati e loro parti . Si classificano in bianche, rosse e verdi. Chemostato. Reattore continuo derivato da un   reattore batch (vedi), in cui ad una determinata portata di alimentazione corrisponde una portata uscente uguale.   Crescita esponenziale illimitata. Particolare fase della crescita batterica batch in cui la disponibilità di substrato non è un fattore limitante e il numero di cellule varia secondo una funzione esponenziale del tempo. Enzimi. Particolari proteine prodotte dalle   cellule viventi che presentano attività catalitica nei confronti di reazioni chimiche che si verificano durante i vari processi metabolici. Conservano la loro attività catalitica anche indipendentemente dai sistemi viventi che li hanno generati.   Enzimi immobilizzati. Tecnica che consiste nel fissare gli enzimi su un supporto, in modo da bloccarli all interno del bioreattore. A fronte di una ridotta attività catalitica si raggiunge una più duratura stabilità. di Monod. Equazione che descrive   Equazione matematicamente le varie fasi della curva di accrescimento batterico in un reattore batch (vedi). batch. Reattore discontinuo in cui   Reattore dopo l inizio della reazione non si ha più scambio di materia con l esterno. Può essere modificato in reattore fed-batch, in cui si introducono nutrienti anche dopo l inizio della reazione. Industrialmente, se il processo è aerobico è necessario comunque immettere l aria durante la reazione. Relativamente ad un processo   Sterilizzazione. biotecnologico, la riduzione del contenuto in microrganismi estranei al processo. Vanno sterilizzate la materia prima liquida, l aria utilizzata nei processi aerobici ed in alcuni anaerobici come gas di strippaggio, nonché il reattore e tutte le apparecchiature collegate. Le tecniche più impiegate sono la sterilizzazione termica e la filtrazione. di generazione. Il tempo necessario al   Tempo raddoppio del numero di microrganismi nella fase di crescita esponenziale illimitata.   legato alla velocità specifica massima  max. 

513 esercizi Capitolo 9 esercizio 1 Per ridurre del 90% le spore di Streptomyces è necessario mantenere una temperatura di 60 °C per 10 minuti. Determinare la costante KT della cinetica di sterilizzazione. (Risposta: KT = 0,23 min 1) esercizio 2 Le spore di Bacillus stearothermophilus presentano una costante KT = 0,019 min 1 alla temperatura di 100°C. Determinare il tempo necessario a ridurre la carica del 90%. (Risposta: t = 121 min) esercizio 3 Costruire la curva tempo contro N/N0 per i dati dell esercizio precedente, con N numero di spore al tempo t e N0 numero di spore iniziali. esercizio 4 Determinare la quantità di Bacillus subtilis ottenibile a partire da 1000 unità dopo 6 ore. (Risposta: N6 = 15,7   106) esercizio 5 La costante di affinità di un substrato per un dato microrganismo è KS = 200 ppm, mentre la velocità specifica massima è  max = 0,5 h 1. Determinare la concentrazione di substrato per cui la velocità di accrescimento specifica risulta   = 0,35 h 1. (Risposta: CS = 467 ppm) esercizio 6 Un bioreattore continuo viene alimentato con una portata di 50 m3/h di substrato in cui la concentrazione del fattore limitante è CS0 = 2000 ppm. Determinare il volume del reattore e la concentrazione cellulare per i seguenti dati: concentrazione di regime del fattore limitante CS = 1200 ppm; costante di affinità KS = 400 ppm; velocità specifica massima  max = 0,35h 1; resa cellule-substrato YC/S = 0,1. Calcolo del volume Si ricava il volume dalla (9.25) ottenendo: FV CC +  max FV V =  max CS KS + CS = 0,35h 1 CS CC V = 0 KS + CS 50m3 /h = 190m3 1200ppm 400ppm + 1200ppm 

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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