Rappresentazione grafica
processi e impianti chimici
Corso di Fondamenti di processi e impianti
biotecnologici
Laboratorio di Fondamenti di processi e impianti
biotecnologici
28/03/2011
Rappresentazione dei processi chimici:
l’unificazione in ambito tecnico e
industriale
Lo scopo dell’unificazione consiste nello stabilire
un complesso di regole a cui attenersi
nell’obiettivo di facilitare lo scambio di
informazioni in un grandissimo numero di
attività sia in ambito tecnico che in generale.
UNI: ente Nazionale Italiano di
Unificazione
Si occupa in Italia delle emissioni delle norme di
unificazione, ha una struttura federativa che al
momento comprende:
UNICHIM: principali campi di
applicazione
Norme UNICHIM:
• Caratteristiche dei materiali da costruzione
• Dimensionamento dei pezzi di più comune impiego
• Metodi di calcolo per le apparecchiature in pressione
• Pressioni e diametri nominali delle tubazioni
Rappresentazione grafica UNICHIM:
• Simbologia delle varie apparecchiature
• Sigle relative alle apparecchiature
• Simbologia e simboli di strumenti di controllo
• Modalità di rappresentazione dei dati di processo in
uno schema grafico
Schema a blocchi (o flow sheet)
• Rappresenta la successione degli stadi
fondamentali del ciclo operativo, senza
specificare il numero e il tipo degli apparecchi
utilizzati
• Ogni stadio viene rappresentato tramite un
rettangolo o un cerchio al cui interno viene
riportato il nome dell’operazione. In alcuni casi lo
schema a blocchi può essere quantificato, ovvero
corredato con le specifiche delle portate dei
materiali e dei prodotti impiegati nel processo
Schema semplificato (o schema di
principio)
Le apparecchiature, principali ed ausiliarie, vengono
rappresentate tramite simboli UNICHIM. Sono
presenti tutte le tubazioni e schematizzati i
controlli di processo
Nello schema di processo viene rappresentata
anche la strumentazione più significativa, i circuiti
di controllo, eventuali indicazioni sulla
temperatura e sulla pressione. Inoltre, può essere
rappresentata anche l’elevazione rispetto a terra
e/o i bilanci di materia.
Schema di marcia (P&Id)
E’ più complesso e dettagliato dei precedenti e deve comprendere:
• Le apparecchiature con la relativa sigla di riconoscimento ed,
eventualmente, l’elevazione rispetto alla linea di terra
• Le linee di processo e di servizio, come la linea acqua, la linea vapore,
la linea aria-strumenti
• Le linee necessarie per l’avviamento e l’arresto dell’impianto, le linee
di svuotamento delle apparecchiature, le prese campione, gli spurghi,
etc
• La strumentazione per la misura dei parametri, completa delle sigle di
riconoscimento relative, le linee di controllo degli strumenti, i circuiti
di controllo, allarme, sicurezza, con le relative linee di collegamento
• Le valvole e le linee di by-pass
Diagramma a blocchi del processo Dry Milling
Water
Corn
Steam
GRINDING
AND MASHING
Denaturation
and Storage
COOKING
Anhydrous Ethanol
99.8%
α-amylase enzymes
LIQUEFACTION
Glucoamylase
enzymes and yeasts
SACCHARIFICATION
and
FERMENTATION
CO2
DEHYDRATION
DISTILLATION
Solids+water
DRYING
syrup
EVAPORATION
DDGS
dried distillers grains
with solubles
Process yield:
CENTRIFUGATION
cake
380-400 l/t corn
(Source: Using Enzymes in Ethanol Production, published by Novozymes)
Schema di riferimento di un reattore biochimico
N2
a ria
s te a m
vuoto
PIC
v a lv o la re a g e n ti
T IC
pom pa 1
lin e a liqu id o c a ld o
S.C.
v a lvo la p ro d o t ti
pompa 2
lin e a liq u id o fr e d do
Schema a blocchi di un impianto di
potabilizzazione delle acque
Schema a blocchi di un impianto di
addolcimento delle acque
Schema semplificato di un impianto di
potabilizzazione delle acque
Schema semplificato di un impianto di
addolcimento delle acque
Rappresentazione grafica dei processi
chimici: etanolo
Industrialmente l’etanolo viene prodotto per fermentazione di zuccheri operata da lieviti (Saccharomyces) in
condizioni di temperatura mesofila (25-30 °C) ed in microaerofilia (ossigeno disciolto pari a 0.1-0.2 mg/l).
Al fine di abbassare i costi di produzione gli zuccheri vengono prodotti per idrolisi di amidi o cellulosa. La filiera del
processo di produzione prevede i seguenti passaggi:
• cereali ad elevato contenuto di zuccheri quali il mais o il sorgo zuccherino vengono macinati, vagliati, diluiti ed
omogeneizzati in appositi reattori miscelati;
• la miscela così ottenuta viene sottoposta a processo di steam explosion per la disgregazione delle parti ricche in
cellulose;
• il brodo ottenuto viene sottoposto a liquefazione ad opera di specifici enzimi idrolitici in reattore miscelato;
• il substrato così ottenuto è sottoposto a sterilizzazione per mezzo di calore e quindi alimentato ai fermentatori
di produzione dell’etanolo. Questi risultano equipaggiati delle normali utilities tipiche di tutti i rettori di
fermentazione per il controllo ottimale del processo fermentativo. Ai fermentatori giungono pure, attraverso
condotta dedicata, la biomassa di inoculo, i lieviti precedentemente fatti sviluppare in reattori di piccole
dimensioni alimentati con i medesimi substrati utilizzati per i fermentatori di produzione industriale;
• terminata la fermentazione, che si protrae per circa 2 giorni, il contenuto del fermentatore viene scaricato e
sottoposto a filtrazione per la separazione della fase liquida, ricca in etanolo (fino al 20%) dalla fase solida,
contenente la biomassa ed i residui dei substrati;
• la fase liquida viene quindi sottoposta a distillazione per il recupero dell’azeotropo etanolo-acqua (85%-15%);
• l’azeotropo, una volta distillato, viene successivamente trattato in colonne ad esclusione molecolare per la
parziale eliminazione dell’acqua e successivamente a vera e propria disidratazione chimica fino ad ottenere
etanolo purificato al 98-99% che viene quindi raccolto in appositi serbatoi.
Illustrare schematicamente il processo di produzione.
Rappresentazione grafica dei processi chimici - Produzione e
recupero di antibiotico da un brodo di coltura
Molti antibiotici vengono prodotti per fermentazione di substrati organici complessi.
In questo esempio il substrato, costituito da residui della lavorazione della soia, amido ed altri nutrienti,
viene sottoposto a sterilizzazione in un apposito bollitore prima di essere alimentato ad un reattore
per la omogeneizzazione del substrato che funge anche da vasca polmone per la alimentazione al
fermentatore di produzione. Prima di essere alimentato al fermentatore il substrato deve essere
raffreddato in apposito reattore.
Il substrato viene inoltre alimentato al fermentatore per la crescita dell’inoculo. In questo reattore
giungono pure l’inoculo, costituito da lieviti, ed i nutrienti necessari alla crescita dell’inoculo
stesso. Dopo una prima fase di crescita esponenziale l’inoculo viene trasferito ad un secondo
reattore di crescita e quindi alimentato al fermentatore di produzione vera e propria.
Tutte le reazioni di fermentazione sono aerobiche.
Il brodo di coltura, una volta estratto dal fermentatore di produzione, viene sottoposto a pressatura
per mezzo di apposita filtropressa. Dopo pressatura, la fase solida viene inviata a smaltimento
mentre la fase liquida viene inviata ad un estrattore centrifugo ove viene addizionata di butanolo
per l’estrazione dei metaboliti di fermentazione di interesse commerciale, mentre la componente
rimanente viene inviata a smaltimento.
La frazione così ottenuta viene inviata ad un concentratore da cui, per riscaldamento, si ottengono
due fasi distinte: il butanolo in fase vapore, che verrà poi recuperato per distillazione e riutilizzato
nell’estrattore centrifugo, ed una fase liquida arricchita (concentrata) che viene poi inviata ad un
reattore miscelato addizionato di carbone attivo selettivo per l’adsorbimento dei composti organici
indesiderati, così da ottenere un maggior grado di purezza degli antibiotici prodotti.
Il materiale ottenuto, costituito da una sospensione di carbone attivo in acqua, viene quindi
sottoposto a filtrazione in filtro a pressa per la separazione dei carboni attivi, che vengono
recuperati, dalla fase liquida che viene inviata ad un evaporatore per l’eliminazione dell’acqua e dei
composti organici volatili dall’antibiotico che vine quindi recuperato in forma di polvere.