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

524 10   Processi biotecnologici mulino P1. La pasta così ottenuta viene conservata nel polmone D1 da dove passa alla cottura in un bollitore continuo D2, riscaldato con vapore diretto. Nel bollitore si raggiungono temperature di circa 175°C e pressioni di 2 bar, con un tempo di permanenza di circa 5 minuti. Con questa operazione gli amidi, presenti nel mais sotto forma di microscopici granuli, si rigonfiano fino a scoppiare formando un gel. B Inoculo Alimentazione al 10% saccarosio Alcol al 40% F1 TRC AC pH O2 AC H2SO4 C1 D1 AR R1 D1: correzione pH D2: polmone C1: colonna di distillazione P1: centrifuga F1 : filtro aria R1: fermentatore Soluzione zuccherina concentrata D2 P1 Lieviti allo smaltimento Fig. 10.4 Produzione di bioalcol da soluzioni zuccherine. Idrolisi enzimatica dell amido Quindi la temperatura viene abbassata, prima per passaggio nella camera di flash D3 e successivamente per raffreddamento con acqua nello scambiatore E1. Al gel così ottenuto vengono aggiunti enzimi amilasi presenti nel malto, ottenuto dalla germinazione dell orzo. Questi enzimi hanno lo scopo fondamentale di catalizzare l idrolisi dell amido per ottenere prima maltosio ed infine glucosio secondo la reazione complessiva: (C6H10O5 )n + nH2O   nC6H12O6 (10.8) La reazione avviene in un miscelatore tubolare (R1) con un tempo di permanenza di pochi minuti alla temperatura di non oltre 60°C, temperatura limite sopra la quale si inattiverebbe l enzima. A questo punto può essere aggiunta una portata di riciclo proveniente dalla coda dell impianto, costituita dal brodo di coltura privato dell alcol prodotto. Oltre al recupero del glucosio non trasformato, il riciclo consente di abbassare il pH e di fornire i nutrienti ai lieviti. La miscela ottenuta insieme ai lieviti viene ulteriormente raffreddata, per passaggio attraverso serpentini ad acqua (E2), e introdotta al fermentatore (R2), dove si abbassa il pH ai valori ottimali, pH 4,8   5, con acido solforico diluito, mentre la temperatura viene controllata in maniera che non superi i 32°C. Dal fermentatore esce il brodo di fermentazione contenente alcol ad una concentrazione massima dell 11%, che procede quindi verso la sezione di purificazione e rettifica, costituita da tre colonne di distillazione. La prima (C1), che funziona 

10.1.3 Materie prime e condizioni operative

525 10.2   Produzione di antibiotici come colonna di strippaggio, viene alimentata dall alto producendo un residuo contenente il saccarosio non trasformato che in parte viene riciclato a valle del reattore R1. Il prodotto di testa della colonna di strippaggio è costituito da una corrente di vapore contenente acqua, alcol e aldeidi, dove queste ultime sono i sottoprodotti del processo di fermentazione. Questa corrente procede verso una seconda colonna di purificazione (C2), dove vengono separati eventuali bassobollenti dalla testa, acqua dal fondo della colonna, ed una corrente ricca in etanolo che esce come taglio laterale. L ultima colonna (C3) separa dal fondo acqua e, dalla testa, alcol etilico al 95%. TRC Acqua Mais VB Enzima amilasi D2 A A Vapore R1 E2 P1 LIC A D3 TRC D1 E1 Lieviti Aria CO2 F1 B C1 TRC Aldeidi Alcol 95% C2 C3 Acqua Acqua E3 pH AC H2SO4 A R2 VB P2 Fig. 10.5 10.2 Lieviti Soluzione zuccherina a riciclo P1: mulino a cilindri D1: polmone D2: bollitore D3: camera di flash R1: reattore di idrolisi R2: fermentatore P2: centrifuga C1, C2, C3: colonne di distillazione E1, E2, E3: scambiatori di calore Produzione di etanolo dal mais. PRODUZIONE DI ANTIBIOTICI Con il termine antibiotici si indicano quelle sostanze prodotte da microrganismi che hanno la capacità di inibire la crescita o di distruggere altri microrganismi, anche a piccolissime dosi. Sebbene siano numerosissimi gli antibiotici immessi sul mercato a partire dalla penicillina, i più impiegati rientrano in quattro categorie principali, ovvero le penicilline, le eritromicine, le cefalosporine e le tetracicline. Tra i diversi microrganismi che producono antibiotici, tra cui batteri, muffe, attinomiceti, streptomiceti ecc., i più impiegati appartengono ai generi Streptomyces (batteri attinomiceti), Penicillium e Cefalosporium (muffe), che danno il nome alle classi di antibiotici corrispondenti, e gli Aspergillus. 

10.2 Produzione di antibiotici

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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