Tecnologie chimiche industriali - Soluzione

Prof. Bartolomeo Piscopo

Prof. Mariano Calatozzolo

Docenti di Tecnologie Chimiche Industriali – ITIS Molinari - Milano

QUESITO N° 1

QUESITO N° 2

a) Portata oraria del vapore (V): è data dal rapporto tra la potenza termica richiesta e il calore ceduto

dall’unità di massa del vapore, rapportato all’ora.

Wt 12

kW

= ⋅ = ⋅ =

V 3600 s / h 3600 s / h 19

,

6 kg / h

∆

H 2200 kJ / kg

b) Area di scambio. Tenendo conto che lo scambio avviene tra le temperature costanti del reattore a

90° e del vapore a 120°, l’area si scambio si ricava dall’equazione di trasporto del calore:

∆T

Wt = A·Ut·∆T, con = Tv – Tr = 120 – 90 = 30°C

da cui 12

Wt kW

= = = 2

0

,

8 m

A ⋅ ∆ kW

Ut T ⋅ °

0

,

5 30 C

⋅ °

2

m C

c) Lunghezza del serpentino a semitubo. L’area di scambio può essere assunta pari al piano

diametrale del semitubo che avvolge il reattore, quindi:

A = d·L

da cui 2

A m

0

,

8

= = = m

L 20

d m

0

,

040

d) Il numero di spire è dato dal rapporto tra la lunghezza del serpentino e la circonferenza esterna

del reattore:

L 20 m

= = =

Ns 4

π ⋅ ⋅

D 3

,

14 1

,

5 m

QUESITO N. 3

La produzione di penicillina G riveste particolare importanza non solo per la sua attività

farmacologica ma anche perché ormai è diventata un’importante materia prima per la produzione di

diversi tipi di penicilline e cefalosporine semisintetiche che permettono di superare il continuo

insorgere della resistenza nei ceppi batterici responsabili delle patologie che si vogliono combattere.

Le penicilline naturali sono prodotte da diverse specie fungine, sopratutto del genere Penicillium e

Aspergillus, e differiscono tra loro per la struttura della catena laterale (v. tab.). Per la penicillina G

sono stati selezionati da tempo ceppi di Penicillium Chrysogenum con cui si riescono ad ottenere

concentrazioni di alcune decine di grammi per litro.

Penicillina generica Gruppo R Penicillina

NH

R S CH Penicillina G

CH C

3 2 O

N CH

3

O H

O C CH CH C

2 Isopenicillina N

COOH 3

O NH O

2

Aspetti biochimici

La penicillina è un metabolita secondario, la cui formazione non è collegata direttamente alla

crescita del fungo. Comincia a formarsi alla fine della fase di crescita illimitata(log fase) e prosegue

in quella stazionaria (idiofase). Ne derivano esigenze colturali diverse per la fase iniziale, in cui si

deve favorire la crescita del fungo, e per quella finale in cui si vuole massimizzare la produzione

dello specifico antibiotico.

Tipicamente, la base per il terreno di coltura è costituita dalle acque di macerazione del mais (corn

steep liquor), ricco di amminoacidi, sali minerali, vitamine e con un buon contenuto di zuccheri.

Altri componenti importanti sono olio o farina di soia e di pesce, lattosio, glucosio, amidi e acido

fenilacetico, il precursore della catena laterale.

La formazione della penicillina è inibita dalla presenza di glucosio (repressione da catabolita) e in

pratica non ha luogo finché c’è un eccesso di fonti di carbonio. Quindi il dosaggio iniziale del

glucosio è fatto in modo da assicurare la crescita voluta. Nella fase di produzione dell’antibiotico è

comunque necessario assicurare una fonte di carbonio. Un tempo si utilizzava il lattosio

(disaccaride galattosio–glucosio), aggiunto fin dall’inizio, dato che anche per questa sostanza vale

la repressione catabolica, per cui nel brodo si idrolizza molto lentamente. Attualmente, grazie anche

al miglioramento dei sistemi di controllo, si preferiscono piccole aggiunte (fed batch), perfettamente

dosate, del più economico glucosio. α-

La biosintesi della penicillina comincia dall’acido -amminoadipico, che ritroviamo nella catena

L

laterale dell’isopenicillina N. Questo composto è anche un intermedio della biosintesi della lisina, la

cui formazione è regolata da un controllo enzimatico in retroazione (feed back), cioè la presenza del

prodotto, la lisina, inibisce la via biosintetica. Quindi si deve evitare la presenza di lisina nel brodo

di coltura.

α-

L’acido -amminoadipico forma prima un dipeptide con la -cisteina e, poi, con la -valina un

L L L

tripeptide che ciclizza a dare la isopenicillina N. Segue la transacilazione per la presenza nel brodo

di coltura dell’acido fenilacetico e si arriva alla Penicillina G.

La produzione della penicillina non continua a tempo indeterminato. Anche la sua biosintesi è

regolata in retroazione: man mano che si accumula nel brodo aumenta l’inibizione alla sua sintesi.

In pratica la fase produttiva dura alcuni Terreno

giorni.

Aspetti impiantistici

Lo schema a blocchi del processo

produttivo è riportato nella figura accanto. Inoculo Fermentazione

Dopo la fermentazione si separa la Aria

biomassa e inizia il recupero della

penicillina che deve tener conto delle

caratteristiche della sostanza (è un acido Biomassa

Filtrazione

carbossilico di media forza). Per poterla

estrarre dalla fase acquosa, si acidifica per

spostare l’equilibrio verso la forma

indissociata, ma si deve raffreddare a bassa Raffreddamento

temperatura perché la penicillina non è

stabile in ambiente acido. Per lo stesso Acido

motivo si usano degli estrattori centrifughi

ad alta efficienza per minimizzare la Solvente Brodo

Estrazione

permanenza a basso pH. Dopo l’estrazione

si tratta con una base acquosa e, Estratto

aggiustando il pH, si fa precipitare. Segue

la separazione ed il lavaggio del precipitato Base Precipitazione

cristallino che poi viene essiccato.

Smaltimento sottoprodotti Lavaggio

Il tema parla di sottoprodotti, non di reflui, Acque

Centrifugazione

quindi, in questo caso, ci si può limitare al

trattamento della biomassa, escludendo il

trattamento delle acque reflue.

La biomassa, in questo caso il micelio Essiccamento

fungino, è il principale sottoprodotto di

molti processi di fermentazione, anzi, in

alcuni processi è il prodotto principale. Per

sua stessa natura, ha un buon contenuto di Penicillina G

sostanze bioattive, quali proteine, vitamine, sale sodico

ormoni, rendendolo, p.e., un integratore di

valore per l’alimentazione animale.

In questo caso, la presenza di penicillina nel

micelio, ne rende impossibile l’utilizzo e Schema a blocchi per la produzione di penicillina