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BIOPOLIS - Idee Progettuali per la bioeconomia ed il territorio

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Academic year: 2021

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(2) A05.

(3) Vai al contenuto multimediale. Questa pubblicazione è stata realizzata nell’ambito del Progetto PON R&C 2007–2013 — Avviso D.D. 713/Ric. del 29 ottobre 2010 — PON03PE_0017_1 — “Sviluppo di tecnologie verdi per la produzione di BIOchemicals per la sintesi e l’applicazione industriale di materiali POLImerici a partire da biomasse agricole ottenute da sistemi colturali sostenibili nella Regione Campania — BioPolis”..

(4) BioPoliS Idee progettuali per la bioeconomia ed il territorio a cura di. Carmen Cioffi Contributi di Paola Sabrina Barbato, Lucia Barra, Teresa Maria Carusone, Andrea Causa Carmen Cioffi, Anna De Fenzo, Vincenza Faraco, Carlo Fasano Stefano Giacomelli, Ettore Guerrera, Pierpaolo Iannucci, Michela Inverso Mario Malinconico, Alberto Pascale, Guido Ranieri, Adele Salvatore Maria Elena Sola, Guglielmo Trupiano, Filomena Monica Vella Cosimo Vestito, Laura Vitale.

(5) Aracne editrice www.aracneeditrice.it info@aracneeditrice.it Copyright © MMXVII Gioacchino Onorati editore S.r.l. – unipersonale www.gioacchinoonoratieditore.it info@gioacchinoonoratieditore.it via Vittorio Veneto, 20 00020 Canterano (RM) (06) 45551463. isbn 978-88-255-0519-1. I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell’Editore. I edizione: luglio 2017.

(6) Indice. 7. Presentazione Mario Malinconico. 9. BioPoliS: il progetto formativo Carmen Cioffi. 59. Il progetto di ricerca: i principali risultati e applicazioni industriali Vincenza Faraco. 61. Metodologia, tecniche di project design e project work Adele Salvatore. 69. Produzione di Nylon 6,6 100% di origine biologica a partire da biomasse lignocellulosiche Teresa Maria Carusone, Andrea Causa, Stefano Giacomelli, Ettore Guerrera, Michela Inverso, Guido Ranieri, Filomena Monica Vella, Cosimo Vestito. 87. Project work Patch–Spore Paola Sabrina Barbato, Lucia Barra, Anna De Fenzo, Carlo Fasano, Pierpaolo Iannucci, Alberto Pascale, Maria Elena Sola, Laura Vitale. 107. Postfazione Guglielmo Trupiano. 111. Gli autori. 113. I discenti.

(7) BioPoliS ISBN 978-88-255-0519-1 DOI 10.4399/97888255051911 pag. 7–8 (luglio 2017). Presentazione Mario Malinconico∗. Nel corso della storia la valutazione della qualità della vita di una società è sempre dipesa dai servizi resi disponibili alla popolazione, dai prodotti presenti sul mercato e dal prodotto interno lordo di uno Stato. La seconda metà del ventesimo secolo è stata caratterizzata da una crescita esponenziale dei consumi e dei relativi impatti ambientali. Grazie soprattutto all’evoluzione dei metodi di informazione, la gran parte della popolazione mondiale è diventata sensibile verso i temi ambientali ed è conscia delle falle del sistema socioeconomico attuale, dando luogo alla necessità di una nuova concezione di sviluppo. Questa consapevolezza ha comportato la nascita di una nuova attitudine, tanto importante quanto complessa e polivalente, verso il concetto di sviluppo sostenibile. Per sviluppo sostenibile si intende “uno sviluppo che risponda alle necessità del presente senza compromettere la capacità delle generazioni future di soddisfare le proprie esigenze” (Brundtland, World Commission on Environment and Development, 1987), “un miglioramento della qualità della vita, senza eccedere la capacità di carico degli ecosistemi alla base” (World Conservation Union, UN Environment Programme and World Wide Fund for Nature, 1991); “uno sviluppo che offra servizi ambientali, sociali ed economici di base a tutti i membri di una comunità, senza minacciare l’operabilità del sistema naturale, edificato e sociale da cui dipende la fornitura di tali servizi” (International Council for Local Environmental Initiatives, 1994). Nell’ultimo decennio, oltre a svilupparsi numerosi corsi di studio in campo ambientale che spaziano dall’ingegneria alla sociologia, è proprio cambiata la concezione del prodotto industriale. A partire dalla rivoluzione industriale fino ad alcuni decine di anni fa, il processo produttivo era concepito esclusivamente con l’obiettivo di dar origine ad un alto valore aggiunto rispetto alla materia prima di partenza; si prestava attenzione all’evoluzione del prodotto, dalla creazione all’entrata nel mercato dei consumatori. A partire dai primi disagi ambientali è cominciato un processo di presa di coscienza da parte dei produttori e dei consumatori tale che al giorno d’oggi la situazione sia mutata notevolmente. Sono principalmente due le grandi questioni che vanno tenute in considerazione: ∗. Research Director CNR, Responsabile del Progetto Formativo.. 7.

(8) 8. Presentazione. a) l’influenza delle politiche statali e la relativa nascita di nuove leggi con il fine di tutelare l’ambiente; b) la richiesta da parte della popolazione di prodotti la cui produzione non comporti conseguenze negative per uomini ed ecosistemi, non produca, dunque, un impatto ambientale significativo. La conseguenza diretta è stata che soprattutto le grandi compagnie, ma non solo, hanno cominciato a dedicare maggiori sforzi alla tutela dell’ambiente; sono stati istituiti numerosi gruppi di ricerca con l’obiettivo di minimizzare l’impatto ambientale dei processi produttivi, e sono stati realizzati numerosi progetti in grado di compensare l’impatto ambientale prodotto. Ma, cosa ancora più rivoluzionaria, si sono sviluppati nuovi concetti sulle fonti di materia prima, riconsiderando una chimica appiattita sull’utilizzo delle fonti fossili. Si sono fatti strada concetti come “Risorse Rinnovabili” e “Bioraffineria”. Per risorse rinnovabili si intendono quelle risorse praticamente inesauribili in tempi brevi, materie prime che se sfruttate nel modo adeguato sono in grado di rigenerarsi su una scala di tempo paragonabile a quella con cui vengono consumate. Il loro utilizzo, dunque, non pregiudica le risorse naturali per le generazioni future. La bioraffineria è una struttura industriale che integra i processi e le apparecchiature di conversione della biomassa per la produzione di combustibili, energia, calore e sostanze chimiche a valore aggiunto. L’International Energy Agency Bioenergy Task 42 sulle bioraffinerie, ha definito il termine “bioraffinazione” come il trattamento sostenibile della biomassa in uno spettro di prodotti a base biologica (alimenti, mangimi, prodotti chimici, materiali) e bioenergia (biocarburanti, energia e/o calore). Le previsioni al 2030 indicano che, in Europa, il 30% della produzione di composti chimici sarà biobased e riguarderà composti di chimica fine e prodotti ad elevato valore aggiunto per oltre il 50%; il 25% dell’energia per trasporti sarà derivata dalla biomassa con una incidenza crescente dei biocarburanti utilizzati nel trasporto aereo; il 30% dell’energia elettrica e termica in Europa sarà generato dalla biomassa. A partire da questi concetti, il Progetto di Formazione per tecnici di ricerca esperti nella gestione di bioraffinerie ha sviluppato un percorso fortemente integrato tra agricoltura, territorio, ambiente, biotecnologie, chimica, ingegneria e economia. I partecipanti provenienti da esperienze universitarie diversificate hanno sviluppato le conoscenze necessarie a produrre i due progetti qui descritti, attraverso i quali si propongono di creare imprese innovative al servizio del territorio e dell’ambiente..

(9) BioPoliS ISBN 978-88-255-0519-1 DOI 10.4399/97888255051912 pag. 9–58 (luglio 2017). BioPoliS: il progetto formativo Carmen Cioffi∗. Il progetto formativo «Esperto nella gestione di bioraffinerie: allestimento di sistemi colturali sostenibili, bioconversione di biomasse in biochemicals, loro polimerizzazione e successiva trasformazione dei polimeri in materiali per l’industria» La Chimica Verde (in inglese Green Chemistry) è un approccio etico fatto di criteri, di priorità e di obiettivi, quindi a suo modo una filosofia, che attinge dalla conoscenza scientifica della chimica per guidare le applicazioni di questa disciplina, ad iniziare da quelle industriali, verso modalità sostenibili dal punto di vista ambientale ed economico.Alcuni processi industriali di tipo chimico sono affossati non solo dalla ridotta resa del processo (con inadeguata conversione da materie prime a prodotti), ma anche e soprattutto dall’incidenza del costo di smaltimento dei sottoprodotti (dalle emissioni gassose ai reflui liquidi e fangosi, fino alle ceneri di un eventuale impianto di termovalorizzazione o gassificazione) per cui la green chemistry diventa a tutti gli effetti un criterio di ottimizzazione dal quale non soltanto i chimici industriali ma anche gli ingegneri chimici non possono prescindere nella loro attività professionale di definizione ed ottimizzazione dei processi di trasformazione chimica. L’etica della green chemistry si può sistematizzare secondo 4 grandi idee fondanti: a) messa a punto di processi che massimizzino la quantità di materia prima che entra a far parte del prodotto (quindi sprecare meno ∗. Direttore della Scuola di Alta Formazione e Management e della Scuola di eccellenza “Smart and Green Cities” del centro di ricerca “Raffaele d’Ambrosio” (L.U.P.T.) dell’Università degli Studi di Napoli Federico II.. 9.

(10) 10. Carmen Cioffi. materie prime e generare al tempo stesso meno sottoprodotti da smaltire; ancora meglio se si riesce ad impiegare materie prime poco trasformate, ovvero più grezze, come ad esempio nell’utilizzo del legno nelle strutture edili e negli in oggetti domestici); b) impiego di sostanze chimiche (inclusi i solventi) sicure e “benigne” per l’ambiente (o per lo meno ridurre l’impiego di quelle sostanze che possono considerarsi giù implicitamente rischiose, anche senza prevederne un impiego su larga scala); c) messa a punto di processi efficienti dal punto di vista energetico; d) la miglior forma di gestione dei reflui è quella in primo luogo di non produrli. Partendo da questi concetti fondamentali il progetto formativo «Esperto nella gestione di bioraffinerie: allestimento di sistemi colturali sostenibili, bioconversione di biomasse in biochemicals, loro polimerizzazione e successiva trasformazione dei polimeri in materiali per l’industria» coordinato dal Centro Interdipartimentale di Ricerca “Raffaele d’Ambrosio” (L.U.P.T.) dell’Università degli Studi di Napoli Federico II, sviluppato all’interno del progetto di ricerca BioPoliS, ha mirato alla formazione di figure professionali esperte nella produzione di biochemicals, in grado di avviare, gestire e ottimizzare impianti dimostrativi per produrre biochemicals (acidi dicarbossilici alifatici) da fonti rinnovabili da destinare all’industria chimica. Le figure professionali formate hanno acquisito competenze sulla gestione delle risorse territoriali; sulla produzione di biomasse; sui processi di bioconversione delle biomasse in biochemicals; sulla conversione dei biochemicals in materiali plastici; sulla gestione di un impianto pilota; sulla valutazione tecnico–economica della filiera agro–industriale attraverso la valutazione della sostenibilità del sistema produttivo, in termini di efficienza energetica e impatto ambientale; inoltre hanno acquisto competenze su processi innovativi per la produzione di biochemicals destinati all’industria chimica in sostituzione di prodotti equivalenti ottenuti da fonti fossili, approfondendo i processi descritti nel processo di ricerca e confrontandosi sul campo con ricercatori esperti dei numerosi settori coinvolti. Il profilo in ingresso dei destinatari della formazione ha previsto 15 laureati, con laurea magistrale in materie tecnico scientifiche, nei seguenti domini scientifici: Scienze Biotecnologiche, Scienze Chimiche, Scienze Agrarie, Ingegneria Chimica, Ingegneria dei Materiali, Scienze Biologiche..

(11) BioPoliS: il progetto formativo. 11. Il profilo in uscita ha approfondito i principali ambiti disciplinari coinvolti nel processo di produzione dei biochemicals acquisendo la capacità di valorizzare le principali applicazioni d’interesse nei seguenti settori: — Settore agronomico, attraverso sistemi colturali sostenibili nel territorio Campano per la valorizzazione delle risorse agricole e territoriali (biomasse lignocellulosiche e oleaginose, scarti agricoli e agro–industriali) con ripristino della fertilità agronomica dei suoli degradati (inquinati, in erosione, ecc.), — Settore biotecnologico, attraverso lo sviluppo e l’ottimizzazione di sistemi biotecnologici per la produzione di biochemicals a partire da materie prime rinnovabili (sviluppo di biocatalizzatori e loro applicazione nella conversione delle biomasse in zuccheri fermentabili; fermentazione degli zuccheri in acido succinico) — Settore dei materiali plastici, attraverso la sintesi di polimeri (poliesteri, poliammidi, poliuretani) basati sui biochemicals del progetto, trasformazione dei polimeri in materiali di diverso tipo (schiume, film, adesivi) e loro utilizzo per l’ottenimento di particolari industriali. L’attività didattica, divisa in moduli formativi, ha fornito le conoscenze di base nelle diverse discipline complementari, che sono alla base dell’allestimento e della gestione di una bioraffineria e più in particolare di una filiera agro–industriale che partendo da biomasse coltivate su terreni non utilizzabili per scopi alimentari produca come principali prodotti target materiali plastici attraverso processi di conversione green..

(12) 12. Carmen Cioffi. L’articolazione del corso Il corso ha avuto una durata di 1200 ore ripartite in tre grandi moduli: — Modulo A: Approfondimento conoscenze specialistiche (formazione d’Aula) della durata di 600 ore che ha costituito il 50% dell’intero corso; — Modulo B: Work experiences applicative con affiancamento a personale impegnato in attività di ricerca industriale e/o sviluppo sperimentale (480 ore per ciascun allievo); — Modulo C: Apprendimento di conoscenze in materia di programmazione, gestione strategica, valutazione e organizzazione operativa dei progetti di ricerca industriale e/o sviluppo sperimentale che ha costituito il 10% del corso, constando di 120 ore. Oltre a fornire i suddetti aspetti teorici, il percorso formativo ha previsto un tirocinio in affiancamento a personale esperto nell’esecuzione di attività pratiche connesse ad uno degli step della filiera..

(13) BioPoliS: il progetto formativo. 13. Modulo A Le attività di formazione relative al Modulo A (formazione d’aula), sono state avviate il 30 maggio 2016 e si sono concluse il 12 settembre 2016, svolgendosi su sei giorni lavorativi, dal lunedì al sabato, per 8 ore giornaliere, per un totale complessivo di 600 ore. Il modulo formativo, che ha previsto il susseguirsi di attività applicative realizzate sia in aula che sul campo, ha visto coinvolta l’intera compagine dell’ATS BioChamp con ruoli ed attività di ciascun Partner qui di seguito dettagliate..

(14) 14. Carmen Cioffi. Modulo A1: Agronomia N. ore: 50. Argomenti trattati Superfici disponibili per le coltura da biomassa non in competizione con le colture alimentari. Problemi dei suoli marginali per salinità, contaminazione, degrado fisico e erosione idrica. Principali colture erbacee (sorgo, girasole, Arundo donax, cardo). Principali specie arboree (pioppo, salice, eucaliptus). Tecniche di coltivazione a bassi input. Problemi di meccanizzazione della raccolta e dei trattamenti post–raccolta. La lezione tenuta dal dott. Luigi Saulino ha riguardato la coltivazione di specie arboree da legno a rapido accrescimento per la produzione biomassa lignocellulosica. Nel dettaglio, l’attenzione è stata posta sulle caratteristiche eco–fisiologiche delle specie maggiormente utilizzate in regime di ceduazione a turno breve. Gli argomenti trattati hanno riguardato la valutazione quali–quantitativa della produttività delle differenti specie in cedui a turno breve a bassi inputs energetici.. Struttura attuatrice: unina dia. Docenti: Fagnano Massimo (unina); Mori Mauro (unina); Saulino Luigi (unina). Obiettivi formativi raggiunti Conoscenze: — limiti e prospettive della diffusione delle colture da biomassa ad uso energetico o per la chimica verde. Tecniche di coltivazione delle principali specie idonee all’ambiente mediterraneo; — conoscenza esaustiva delle potenzialità della produzione di biomassa lignocellulosica ad uso energetico–industriale e di conoscere le principali specie arboree da legno e le caratteristiche eco–fisiologiche delle stesse che ne consentono di essere coltivate in cedui turno breve. Capacità: — identificare le aree idonee per le coltivazioni di biomasse; coltivare le specie con tecniche a bassi input; — identificare le principali specie arboree da legno e le caratteristiche eco–fisiologiche delle stesse che ne consentono la coltivazione in cedui turno breve..

(15) BioPoliS: il progetto formativo. esterni, in termini di produttività di biomassa anidra, di mortalità abiotica e biotica, di rapporti percentuali tra fusto/rami e legno/corteccia, nonché in termini dimensionali. Caratteristiche determinanti le proprietà fisico–chimiche del materiale legnoso ottenuto e condizionanti il suo utilizzo in processi produttivi energetici o di biomateriali. Inoltre, sono stati trattati argomenti riguardanti le caratteristiche gestionali dei cedui a turno breve, quali l’approvvigionamento di materiale di propagazione, i sistemi di raccolta e lo stoccaggio del materiale legnoso ridotto in scaglie.. 15. Comportamenti: Raccogliere i dati necessari per le analisi e per la pianificazione delle scelte (specie e relative tecniche di coltivazione)..

(16) 16. Carmen Cioffi. Modulo A2: Valutazione scarti come materie prime di bioraffinerie N. ore: 25. Argomenti trattati. Struttura attuatrice: sanniotech. Docenti: Pisanti Antonio (sanniotech); Zarrelli Armando (sanniotech). Obiettivi formativi raggiunti. Le domande ricorrenti a cui il ChiNella prima parte sono stati trattati mico Analitico deve dare una risposta i seguenti argomenti: Classificazioni delle tecniche di analisi strumentale; sono: “Che cosa è contenuto nel camIntroduzione all’elaborazione del se- pione in analisi?”, (Analisi qualitativa) e gnale — errori nell’analisi chimica — “Quanto di ciascun analita è presente diagrammi di calibrazione; Tecniche nel campione?”, (Analisi quantitativa). I spettroscopiche di analisi — proprietà metodi e le procedure “da banco” imdella radiazione elettromagnetica — piegate dal Chimico Analitico anche se spettroscopia molecolare UV–VIS di classiche e tradizionali sono comunque assorbimento — spettroscopia di fluo- attuali in quanto vengono indicate nei rescenza — spettroscopia atomica di metodi ufficiali di analisi. L’analisi chimiassorbimento in fiamma ed elettroter- ca strumentale non sostituisce la Chimica — spettroscopia atomica di emis- mica Analitica classica, ma la integra sione al plasma; Tecniche cromatogra- velocizzando, in generale, le procedure fiche — principi teorici, strumentazio- e aumentandone la sensibilità. Così, il sub–modulo si proponene ed applicazioni — HPLC – gascromatografia; Tecniche elettrochimiche; va di fornire le informazioni teoriSelezione delle tecniche di analisi stru- che e pratiche per l’utilizzo delle mentale; Esercitazioni: Elaborazione più comuni tecniche di analisi chidi fogli di calcolo per la calibrazione. mica strumentale. Si proponeva inolAnalisi spettrofotometrica Vis/UV e tre di far acquisire la conoscenza necessaria alla conduzione di analisi Analisi mediante fluorescenza. Nella seconda parte sono stati strumentali ed alla valutazione del forniti cenni di chimica industria- risultato delle misurazioni ottenute. Nella seconda parte si è inteso forle e le relative correlazioni alla chinire ai partecipanti al corso elementi mica dell’ambiente, alle risorse e conoscitivi sulle principali classi all’energia..

(17) BioPoliS: il progetto formativo. Si sono discusse la natura di idrocarburi alifatici ed aromatici, semplici o policiclici, solventi idrocarburici e clorurati da attività industriali, fitofarmaci, pesticidi, diserbanti, sostanze organiche alogenate da attività agricola ed industriale quali policlorodibenzo–1,4–diossine, policlorodibenzofurani e policlorobifenili; benzine ed additivi ossigenati e le sorgenti dei rifiuti pericolosi, la loro chimica ambientale, il loro trattamento e il loro riciclaggio. Infine, sono stati accennati gli effetti degli inquinanti e delle sostanze tossiche sugli organismi viventi dall’ottica della chimica tossicologica.. 17. d’inquinanti organici, mettendo in rilievo la loro presenza, mobilità e trasformazione nell’ambiente nonché le tecniche utilizzate per il loro monitoraggio. Conoscenze e competenze acquisite Conoscenze relative agli strumenti per valutare la scelta della tecnica strumentale più idonea alla risoluzione del problema analitico. Conoscenze su: le sorgenti, le reazioni, il trasporto, gli effetti e il destino delle specie chimiche nell’acqua, nel suolo, nell’area e nei sistemi viventi direttamente connesse all’uso di materiali di scarti agricoli usati come materie prime nelle raffinerie per l’ottenimento di biocarburanti..

(18) 18. Carmen Cioffi. Modulo A3: Microbiologia. N. ore: 50. Struttura attuatrice: unina dia; unina dsc; unina db. Docenti: Pepe Olimpia (unina); Testa Antonino (unina); Tutino Maria Luisa (unina); Ventorino Valeria (unina); Ricca Ezio (unina); Cangiano Giuseppina (unina); Panico Antonio (Non dipendente). Argomenti trattati (referente Pepe Olimpia). Obiettivi formativi raggiunti. Le lezioni tenute dalla prof.ssa Olimpia Pepe sono state incentrate principalmente su concetti base della microbiologia a supporto delle biotecnologie microbiche applicate al recupero delle biomasse, alle bioenergie e alla produzione di biochemicals. Particolare attenzione è stata data alla descrizione dei gruppi microbici eco–fisiologici del ciclo del C con funzioni metaboliche di interesse biotecnologico in quanto responsabili della degradazione delle biomasse lignocellulosiche. L’argomento comprendeva la valutazione quali–quantitativa dei microrganismi autoctoni coinvolti nella produzione di bioenergie e biochemicals con la descrizione di un approccio biotecnologico per l’isolamento e la selezione di microrganismi che degradano la biomassa lignocellulosica e produttori di acido succinico.. L’intervento formativo ha raggiunto l’obiettivo di fornire una visione globale delle potenzialità degli ecosistemi naturali come fonte di microrganismi e di risorse genetiche di interesse biotecnologico e di conoscere i principali processi di degradazione e trasformazione delle biomasse organiche rinnovabili per la loro completa valorizzazione e la produzione green sia di biochemicals che di biocarburanti..

(19) BioPoliS: il progetto formativo. Inoltre, sono stati affrontati argomenti quali il compostaggio descrivendo le fasi e i microrganismi coinvolti nella trasformazione delle biomasse organiche in compost e il processo di metanogenesi da biomasse sottolineando la funzione biotecnologica dei batteri metanogeni nell’ambito della catena trofica anaerobia. Nella seconda parte (lezione tenuta dalla dott.ssa Valeria Ventorino) sono state illustrate in dettaglio le tecniche molecolari applicate allo studio degli ecosistemi naturali e alle biotecnologie. Sono state approfondite le strategie di tipizzazione e identificazione genotipica dei microrganismi mediante metodi culture–dependent e metodi molecolari culture–independent, un approccio basato sull’utilizzo di tecniche genomiche avanzate di nuova generazione per lo studio di comunità microbiche direttamente nel loro ambiente naturale, evitando la coltivazione in laboratorio. Una terza parte delle lezioni ha riguardato l’approfondimento delle tematiche relative alla digestione anaerobica (lezione svolta dall’Ing. Antoni Panico) e al compostaggio (lezione svolta dal dott. Antonino Testa). Il processo di biometanogenesi è stato affrontato come possibilità di uso di biomasse organiche come fonte di energia rinnovabile e di biopolimeri con particolare attenzione ai fattori che influenzano la stabilità, la resa del processo e l’utilizzo del biogas.. 19.

(20) 20. Carmen Cioffi. La lezione sul compostaggio ha riguardato problematiche relative alla degradazione di biomasse lignocellulosiche come matrice preferenziale per le attività di gruppi microbici funzionali che influenzano il processo e la qualità del prodotto finale. Argomenti trattati (referente Tutino Maria Luisa). Obiettivi formativi raggiunti. Introduzione ai bireattori ed ai biocatalizzatori. Il primo incontro ha previsto la illustrazione delle principali tipologie di recipienti di reazione in relazione alle applicazioni industriali dei microrganismi (in generale) ed alle applicazioni più inerenti le finalità formative del corso in oggetto. L’intervento formativo ha avuto inoltre l’obiettivo di introdurre i corsisti alla biodiversità metabolica del mondo microbico ed alla possibilità di identificare i principali parametri di processo che influenzano la scelta dei biocatalizzatori industriali. Lo screening e le sue applicazioni. Durante la seconda giornata di corso, gli allievi sono stati introdotti alle principali metodiche di screening (selezione) dei biocatalizzatori industriali. Particolare attenzione è stata rivolta alla descrizione degli strumenti per lo sviluppo di test primari di successo, per la scelta della library di campioni su cui effettuare lo screening, e le strategie per sviluppare un algoritmo dello screening che aumenti la probabilità di isolamento del campione dotato della proprietà desiderata. Sono stati distribuiti dei. L’intervento formativo ha raggiunto l’obiettivo di fornire una visione globale dei principali approcci e metodologie della Microbiologia Industriale. In particolare, i corsisti sono stati introdotti alle metodiche per l’isolamento ed il miglioramento dei ceppi industriali, dei terreni di coltura, dei parametri di processo..

(21) BioPoliS: il progetto formativo. 21. lavori scientifici in cui viene descritto ed applicato l’approccio di screening illustrato in classe. Miglioramento dei ceppi industriali. Durante il terzo appuntamento sono state descritte le principali metodologie applicate a livello industriale per la selezione ed evoluzione di biocatalizzatori con proprietà migliorate rispetto al processo industriale. In classe sono stati distribuiti due lavori scientifici, e la loro analisi ha consentito di consolidare nella classe gli argomenti trattati in maniera teorica e di apprezzare l’utilizzo delle diverse strategie evolutive. Argomenti trattati (referente Ricca Ezio). Obiettivi formativi raggiunti. Una prima lezione, tenuta dal prof. Ezio Ricca è stata incentrata principalmente su concetti di base riguardanti alcuni microrganismi largamente utilizzati nelle applicazioni biotecnologiche. In particolare sono descritti: struttura cellulare, ciclo vitale e di differenziamento dei microrganismi sporigeni essendo le spore, soprattutto dell’organismo modello Bacillus subtilis, supporto ideale per la creazione di sistemi di esposizione superficiale di molecole eterologhe (sia antigeni che enzimi). Nella seconda parte (lezione della dott.ssa Giuseppina Cangiano) sono state illustrate in dettaglio le tecniche di manipolazione ed ingegneria genetica utilizzate per la costruzione di ceppi ricombinanti di Bacillus. L’intervento formativo ha raggiunto l’obiettivo di fornire gli elementi base di fisiologia e genetica dei microrganismi oltre ad approfondire la conoscenza delle principali tecniche di manipolazione dei microrganismi stessi per poi poter acquisire delle informazioni riguardo all’utilizzo di diverse specie batteriche in diverse applicazioni biotecnologiche (vaccinazione, drug delivery, messa a punto di sistemi di biocatalisi)..

(22) 22. Carmen Cioffi. subtilis. Sono state approfondite le strategie di esposizione superficiale finora esplorate e presenti in letteratura, unitamente alla descrizione delle attività dell’unità operativa A2.3.4 (referente prof. Ricca) previste nel progetto, ossia la messa a punto di un sistema di degradazione di biomasse lignocellulosiche che si avvale dell’utilizzo di spore di B. subtilis..

(23) BioPoliS: il progetto formativo. 23. Modulo A4: Enzimologia. N. ore: 50. Argomenti trattati Il corso ha previsto lezioni sulle caratteristiche degli enzimi e sui fondamenti delle analisi di cinetica enzimatica, sulle metodologie di saggio dell’attività enzimatica, sui meccanismi dell’inibizione enzimatica, sui principi della regolazione enzimatica, sugli aspetti sostanziali delle purificazioni enzimatiche, sulla produzione di enzimi ricombinanti e sulle loro modificazioni attraverso le tecniche di mutagenesi; è stata descritta la caratterizzazione di enzimi quali proteasi e lisozima. Sono stati inoltre forniti gli strumenti base di spettrometria di massa necessari per l’identificazione di enzimi per via proteomica. Gli argomenti trattati sono stati integrati da lezioni teorico–pratiche su caratterizzazione di enzimi mediante loro purificazione, analisi cinetiche, separazioni elettroforetiche. Esempi di identificazione di enzimi mediante proteomica.. Struttura attuatrice: unina db; unina dsc. Docenti: Bartolucci Simonetta (unina); Fiorentino Gabriella (unina); Limauro Danila (unina); Contursi Patrizia (unina); Giardina Paola (unina); Birolo Leila (unina). Obiettivi formativi raggiunti Conoscenze: Gli studenti hanno acquisito: — conoscenze sugli aspetti molecolari e cinetici della catalisi enzimatica e della regolazione dell’attività degli enzimi, con la descrizione di meccanismi di azione di alcuni enzimi; — conoscenze sulle metodologie di analisi degli enzimi sia attraverso le tecniche più comuni (spettrofotometriche, cromatografiche elettroforetiche), sia quelle più innovative (spettrometria di massa per la proteomica). Capacità: — capacità di dosare l’attività enzimatica e calcolare le costanti cinetiche; — stilare relazioni e progetti di ricerca in ambito biotecnologico..

(24) 24. Carmen Cioffi. Il corso ha previsto inoltre la stesura guidata di relazioni su lavori scientifici originali inerenti gli argomenti trattati e su progetti di ricerca di utilizzo di enzima/i in processi biotecnologici. Il corso ha previsto, inoltre, la valutazione finale degli obiettivi formativi raggiunti.. Comportamenti: Interpretazione di dati sperimentali di laboratorio, sicurezza in laboratorio..

(25) BioPoliS: il progetto formativo. 25. Modulo A5: Ingegneria genetica. N. ore: 25. Argomenti trattati Strumenti di base dell’ingegneria genetica. Ingegneria metabolica “model driven”. Metodi di genome editing applicati a sistemi microbici. Esempi di ingegneria metabolica: a) ottimizzazione di un ceppo di Escherichia coli per la produzione di valina; b) ottimizzazione di un ceppo di Saccharomyces cerevisiae per la produzione di acido L–ascorbico.. Struttura attuatrice: sun. Docenti: Cimini Donatella (sun); Sacco Margherita (sun). Obiettivi formativi raggiunti Conoscenza degli elementi richiesti per l’ingegnerizzazione di cellule procariote ed eucariote. Capacità di formulare protocolli sperimentali per l’espressione di molecole d’interesse in cellule procariote ed eucariote..

(26) 26. Carmen Cioffi. Modulo A6: Ingegneria dei processi N. ore: 25. Argomenti trattati Il modulo può essere essenzialmente suddiviso in Parte I e in Parte II. Nella Parte I sono stati illustrati i concetti base necessari a formulare e risolvere bilanci di materia e di energia su differenti processi industriali: — Bilanci di materia su processi continui a singole e più unità di processo; — Bilanci di materia su processi non reattivi; — Bilanci di materia su processi reattivi; — Bilanci di energia su processi continui a singole e più unità di processo; — Bilanci di energia su processi non reattivi (calore sensibile e calore latente); — Bilanci di energia su processi reattivi (entalpia di reazione). Nella Parte II sono state fornite le informazioni base relative alle tecnologie e al processo di Gassificazione di biomasse:. Struttura attuatrice: sun. Docenti: Zaccariello Lucio (sun). Obiettivi formativi raggiunti Conoscenze: Gli studenti hanno appreso il metodo ingegneristico relativo alla valutazione delle prestazioni di impianti industriali. Inoltre, essi hanno acquisito le informazioni base relative alle tecnologie e ai principali processi termochimici impiegati nella produzione di biocombustibili. In particolare, sono stati illustrati gli aspetti fondamentali del processi di Gassificazione di biomasse. Capacità: Gli studenti hanno acquisito gli elementi base che gli consentono di comprendere le principali problematiche all’esercizio e di valutare le prestazioni di un impianto di gassificazione per la produzione di un combustibile gassoso (syngas) a partire da biomasse ligneo–cellulosiche. Comportamenti: Gli studenti hanno seguito con assiduità le lezioni e hanno mostrato un notevole interesse verso gli argomenti trattati..

(27) BioPoliS: il progetto formativo. — Le variabili del processo di gassificazione; — I contaminanti del syngas; — Le problematiche connesse all’esercizio degli impianti di gassificazione; — Le tecnologie di gassificazione delle biomasse ligneo–cellulosiche.. 27.

(28) 28. Carmen Cioffi. Modulo A7: Reattoristica della bioconversione N. ore: 25. Argomenti trattati Il corso ha previsto inizialmente una lezione teorica sui vari tipi di reattori con relativi parametri e caratteristiche. In seguito le lezioni sono state incentrate su aspetti più pratici analizzando le caratteristiche principali delle biotrasformazioni applicate al recupero delle biomasse e alla produzione di biochemicals. Gli studenti hanno avuto anche la possibilità di dialogare con un esperto proveniente dal settore industriale e di approfondire le problematiche pratiche connesse con la bioreattoristica. Sono state fornite informazioni sull’intero processo di biotrasformazione e sul recupero di zuccheri fermentabili. Le lezioni sono state, in particolare, rivolte alla formulazione e all’utilizzo di miscele di enzimi sia mesofili che termofili, dopo processi di pretrattamento delle biomasse, al fine di ottenere una efficiente idrolisi enzimatica della biomassa pretrattata. Una delle lezioni ha riguardato un approfondimento di un caso pratico legato all’utilizzazione di enzimi termofili in un processo di biotrasformazione delle biomassa. Struttura attuatrice: cnr. Docenti: La Cara (cnr). Francesco. Obiettivi formativi raggiunti Conoscenze: Gli studenti hanno acquisito: — conoscenze teorico/pratiche sulla reattoristica delle bioconversioni; — conoscenze sui processi globali delle biotrasformazioni enzimatiche; — conoscenze sulle metodologie di investigazione degli enzimi attraverso tecniche spettrofotometriche e cromatografiche. Capacità: Gli studenti hanno acquisito: — capacità ad individuare i parametri cruciali in processi di biotrasformazione; — capacità di calcolare l’attività enzimatica ed individuare e dosare la presenza di zuccheri a valle del processo di bioconversione. Comportamenti: Interpretazione di dati sperimentali di laboratorio, sicurezza in laboratorio..

(29) BioPoliS: il progetto formativo. A. donax, pretrattata tramite steam explotion, per l’ottenimento di rese elevate in monosaccaridi. Gli argomenti trattati sono stati integrati da lezioni teorico–pratiche su caratterizzazione e valutazione di attività enzimatiche mediante analisi spettrofotometriche, nonché individuazione e valutazioni qualitative e quantitative di zuccheri mediante separazioni cromatografiche. Il corso ha previsto, inoltre, la valutazione finale degli obiettivi formativi raggiunti mediante un test.. 29.

(30) 30. Carmen Cioffi. Modulo A8: Fermentazioni industriali N. ore: 25. Argomenti trattati Descrizione dei vari modelli di bioreattori (str, cstr, a letto impaccato..), funzioni ( sterilità, controllo dei parametri), modalità di fermentazione (processi batch, fed–batch, continuo) e i parametri da tenere in considerazione nel passaggio di scala dal laboratorio al pre–pilota, fino ad arrivare alla scala industriale. Alla fase teorica, è seguita una parte pratica sui processi e sulle modalità di fermentazione, presso il Laboratorio Centro Grandi Apparecchiature. Inoltre è stato rilasciato materiale didattico (presentazione e articoli scientifici).. Struttura attuatrice: sun. Docenti: Schiraldi Chiara (sun); Alfano Alberto (Non dipendente). Obiettivi formativi raggiunti Conoscenze: Le conoscenze degli studenti hanno permesso loro di approcciarsi agli argomenti trattati senza particolari difficoltà. Capacità: Tutti gli studenti hanno superato senza difficoltà i test rispondendo in maniera esatta ai quesiti a cui sono stati sottoposti, mostrando una capacità di apprendimento notevole. Comportamenti: Durante tutta la durata del corso gli studenti hanno tenuto un comportamento educato, mostrando interesse sugli argomenti trattati e voglia di imparare nuove metodologie di processo..

(31) BioPoliS: il progetto formativo. 31. Modulo A9: Downstream di enzimi N. ore: 25. Argomenti trattati Il corso ha previsto lezioni sulle tecniche fermentative (fermentatori di laboratorio ed esempi su scala industriale); isolamento e recupero di enzimi sia esocellulari che endocellulari (tecniche di omogenizzazione, centrifugazione differenziale); tecniche di purificazione degli enzimi (precipitazione differenziale, dialisi e ultrafiltrazione), nonché tecniche Cromatografiche ed Elettroforetiche; metodiche per la caratterizzazione di enzimi: sequenziamento e tecniche spettroscopiche. Sono stati inoltre forniti gli strumenti base per la Sicurezza e la Gestione del Rischio biologico. Il corso ha previsto anche Applicazioni di Enzimi da microrganismi estremofili ed esempi di Immobilizzazione degli enzimi e nozioni di Biocatalisi. Gli argomenti trattati sono stati integrati da lezioni teorico–pratiche su caratterizzazione di enzimi. Struttura attuatrice: cnr. Docenti: Tommonaro Giuseppina (cnr); Nicolaus Barbara (cnr); Gioiello Alessia (cnr); Romano Ida (cnr); Tramice Annabella (cnr); Trincone Antonio (cnr); Leone Luigi (cnr); Poli Annarita (cnr). Obiettivi formativi raggiunti L’intervento formativo ha raggiunto l’obiettivo di fornire conoscenze sulle metodologie di recupero e di caratterizzazione biochimica degli enzimi, partendo dalla loro produzione su scala industriale mediante l’uso di fermentatori. Sono stati inoltre forniti elementi di base per la Sicurezza e la Gestione del Rischio biologico. Gli studenti hanno inoltre acquisito conoscenze relative ad una importante gruppo di enzimi appartenenti ai microrganismi Estremofili e le relative applicazione in campo biotecnologico..

(32) 32. Carmen Cioffi. mediante loro purificazione, separazioni cromatografiche ed elettroforetiche, crescite microbiche in batch e in fermentatori di diversa capacità. Il corso ha previsto, inoltre, la valutazione finale degli obiettivi formativi raggiunti..

(33) BioPoliS: il progetto formativo. 33. Modulo A10: Processi di conversione di biomasse lignocellulosiche N. ore: 25. Argomenti trattati L’attività di formazione, svolta con una serie di lezioni frontali, ha riguardato la descrizione degli enzimi coinvolti nella modifica dei carboidrati (carbohydrate active enzymes o CAZymes) che possono essere utilizzati nei processi di conversione di biomasse lignocellulosiche. Particolare enfasi è stata data alla descrizione di CAZymes isolati da archea estremofili per l’interesse che questi enzimi hanno in biotecnologia. Argomento delle lezioni: La descrizione degli ambienti estremi e degli organismi che li popolano. In particolare, sono stati descritti gli archea estremofili ed è stata sottolineata l’importanza di questi microroganismi quali fonti alternative di nuove biomolcole e nuovi CAZymes stabili in condizioni estreme di temperatura e pH. La descrizione delle caratteristiche dei substrati di questi enzimi e la classificazione corrente dei CAZymes basata su similarità strutturali, specificità e modalità di riconoscimento del substrato e meccanismo catalitico.. Struttura attuatrice: cnr. Docenti: Cobucci Pozano Beatrice (cnr); Moracci Marco (cnr). Obiettivi formativi raggiunti — Fornire le conoscenze di base ai formandi sugli organismi estremofili e la loro importanza nelle biotecnologie, e sui CAZymes che sono fondamentali per la bioconversione di biomasse lignocellulosiche; — Illustrare le metodologie e gli approcci su come caratterizzare nuovi CAZYmes per bioraffinerie di seconda generazione ed isolare biocatalizzatori innovativi sfruttando la biodiversità del territorio; — Offrire i formandi l’osservazione sul campo dei siti di campionamento utilizzati per le analisi metagenomiche in ambiente estremo. Tutte le lezioni sono state svolte nei tempi e nei modi previsti. Tutti i formandi hanno partecipato attivamente alle lezioni con numerose domande ed interventi. Al termine delle lezioni frontali sono state svolte prove di verifica delle conoscenze acquisite dai formandi..

(34) 34. Carmen Cioffi. Successivamente, sono stati illustrati gli approcci più avanzati per identificare e caratterizzare nuovi CAZymes da impiegare in bioraffinerie di seconda generazione. I metodi hanno riguardato specificatamente le analisi genomiche e metagenomiche. Per questo, sono stati presentati esempi specifici di varie attività xilanasiche e alfa–glucuronidasiche da organismi termofili che si sono rivelate utili per la conversione di biomasse lignocellulosiche. Infine, sono stati illustrati metodi avanzati di analisi metagenomiche per la preparazione di collezioni di geni codificanti per CAZYmes di interesse in bioraffinerie di seconda generazione. Le tecniche descritte, in particolare, hanno riguardato i metodi di campionamento ed estrazione del DNA da ambienti estremi, gli arricchimenti di comunità microbiche termofile su biomasse di interesse energetico e la realizzazione di genoteche ed il loro screening. Il modulo si è concluso con una visita sul campo effettuata presso la Solfatara di Agnano (Pozzuoli – Napoli), habitat naturale degli archaea ipertermofili e sito di campionamento per gli studi metagenomici descritti..

(35) BioPoliS: il progetto formativo. 35. Modulo A11: Downstram di biochemicals N. ore: 25. Argomenti trattati Descrizione generale dei vari processi di downstream che possono essere effettuati per la purificazione di un prodotto per ottenere un processo con una resa elevata e riproducibile su scala industriale. Descrizione dettagliata di tecniche di purificazione con l’utilizzo di membrane di filtrazione (micro, ultra, nano) sia su scala da laboratorio che su scala industriale e casi studio di ottimizzazione di processi di downstream (polisaccaridi, proteine). Alla fase teorica, è seguita una parte pratica sui processi di purificazione, presso il Laboratorio Centro Grandi Apparecchiature. Inoltre è stato rilasciato materiale didattico (presentazione e articoli scientifici).. Struttura attuatrice: sun. Docenti: Schiraldi Chiara (sun); Alfano Alberto (Non dipendente). Obiettivi formativi raggiunti Conoscenze: Le conoscenze degli studenti sui processi di purificazione hanno permesso loro di approcciarsi senza particolari difficoltà ad alcune tecniche di downstream innovative. Capacità: Tutti gli studenti hanno superato senza difficoltà i test rispondendo in maniera esatta ai quesiti a cui sono stati sottoposti, mostrando una capacità di apprendimento notevole. Comportamenti: Durante tutta la durata del corso gli studenti hanno tenuto un comportamento educato, mostrando interesse sugli argomenti trattati e voglia di imparare nuove tecniche di purificazione..

(36) 36. Carmen Cioffi. Modulo A12: Sintesi chimica di polimeri e produzione industriale di biochemicals N. ore: 50. Argomenti trattati Nel corso si innanzitutto fatto una descrizione dei biochemicals che è possibile ottenere dalle diverse materie prime. Sono stati descritti i biochemicals ottenibili per via fermentativa di zuccheri semplici e di zuccheri ottenuti dall’amido e dalla cellulosa. Inoltre sono stati studiati anche i biochemicals ottenibili per via chimica dagli oli e grassi e dalla biomassa lignocellulosica. Il corso successivamente ha riguardato i principali processi di sintesi industriale delle macromolecole. In particolare in una prima fase sono stati descritti i meccanismi di polimerizzazione tra cui quelli a stadi e a catena: polimerizzazioni radicaliche, polimerizzazioni anioniche e copolimerizzazioni. Infine sono stati oggetto del corso i processi industriali che portano alla produzione di polimeri: polimeri termoplastici, polimeri termoindurenti ed elastomeri sintetici.. Struttura attuatrice: unina doc. Docenti: Tesser Riccardo (unina); Di Serio Martino (unina). Obiettivi formativi raggiunti Uno degli obiettivi del modulo è stato quello di fornire una panoramica quanto mai più ampai possibile delle possibilità che le diverse biomasse hanno nella produzione di biochemicals mettendo in evidenza anche le difficoltà attualmente presenti nei diversi processi. L’intervento formativo ha raggiunto l’obiettivo inoltre di fornire una visione globale della produzione su scala industriale delle macromolecole e della relazione esistente tra meccanismo di reazione e struttura del processo produttivo. Nel modulo si è cercato di sviluppare una capacità di analisi dei processi produttivi sia di chemicals che di polimeri che desse la possibilità agli studenti di individuare i punti critici dei diversi processi e proporre possibili soluzioni..

(37) BioPoliS: il progetto formativo. 37. Modulo A13: Tecniche di blending e reactive processing di biopolimeri N. ore: 25. Argomenti trattati Il corso ha previsto una prima parte in cui sono stati definiti i concetti e la nomenclatura fondamentali dei polimeri (definizione di monomero e di polimero, strutture principali, omopolimeri e copolimeri, classificazione in base alle proprietà fisiche, correlazione proprietà–struttura, stereoisomeria). Sono state quindi introdotte le principali reazioni di polimerizzazione (addizione e per condensazione, polimerizzazione Ziegler–Natta, grado di polimerizzazione, peso molecolare medio numerico e medio ponderale), e definite le classi di materiali polimerici (termoplastici, termoindurenti, elastomeri), in relazione alle proprietà meccaniche, fusione e transizione vetrosa, con esempi di polimeri commerciali. Sono stati quindi trattati i biopolimeri, i polimeri sintetizzati da monomeri da fonti rinnovabili, la degradazione dei polimeri, la biodegradazione della cellulosa e la biodegradabilità. Sono infine state illustrate le principali tecniche di processo: miscelazione in batch, estrusione, injection molding,. Struttura attuatrice: cnr. Docenti: Cerruti Pierfrancesco (cnr). Obiettivi formativi raggiunti Conoscenze: Gli studenti hanno acquisito: — conoscenze sugli aspetti fondamentali chimico–fisici e di nomenclatura IUPAC dei materiali polimerici; — conoscenze sulle metodologie di lavorazione, caratterizzazione e modifica chimica dei materiali polimerici; — conoscenze sui polimeri da fonti rinnovabili, polimeri biodegradabili, e tecniche di valutazione della biodegradazione. Capacità: Gli studenti hanno acquisito: — capacità di determinare la tipologia di polimero in funzione dell’origine dei monomeri costitutivi; — capacità di individuare le opportune tecnologie di processo in funzione della tipologia di materiale da produrre (film, lastre, fili)..

(38) 38. Carmen Cioffi. blow molding, compression molding, termoformatura, calandratura, film blowing, co–estrusione, laminazione, solvent casting, compatibilizzazione di blend immiscibili, includendo una visita presso IPCB–CNR per assistere alla preparazione di film polimerici.. Comportamenti: Interpretazione di dati sperimentali di laboratorio, sicurezza in laboratorio..

(39) BioPoliS: il progetto formativo. 39. Modulo A14: Biocompositi e nanocompositi N. ore: 25. Argomenti trattati. Struttura attuatrice: cnr. Docenti: Cerruti Pierfrancesco (cnr). Obiettivi formativi raggiunti. Introduzione ai materiali com- Conoscenze: L’intervento formativo ha ragpositi a matrice polimerica: definizioni, categorizzazione, tipologie di giunto l’obiettivo di fornire gli elematrice (termoplastica e termoin- menti cardine di scienza e tecnolodurente), caratteristiche e proprie- gia dei materiali compositi a base tà dei polimeri utilizzati come ma- polimerica, dando conto di sistemi trici, tipologie di filler: fibre conti- contenenti filler di origine naturale nue e discontinue, particolati. De- (biocompositi) e di dimensioni nascrizione dei processi di produzione: nometriche (nanocompositi), oltre laminazione, resin transfer molding, ad approfondire la conoscenza delle vacuum infusion, pultrusione, fila- principali tecniche di preparazione e ment winding. Introduzione ai bio- caratterizzazione. compositi e caratteristiche dei filler Capacità: di origine naturale. Le capacità acquisite consentono Nanocompositi: nano scienza e di avere le informazioni fondamennanotecnologia, nanoparticelle, na- tali per progettare sistemi composinostrutture naturali, nanotubi, pro- ti a base polimerica in funzione di blematiche interfacciali e interfase, specifiche applicazioni tecnologiche nanofabbricazione, dispersione e di- previste (strutturali o funzionali). stribuzione nella matrice. Approcci per la preparazione di nanocomposi- Comportamenti: Interpretazione di dati sperimenti: top–down e bottom–up, sol–gel. tali di laboratorio, sicurezza in Caratterizzazione morfologica (milaboratorio. croscopia SEM e TEM), meccanica, termica, permeabilità ai gas..

(40) 40. Carmen Cioffi. Modulo A15: Sintesi e caratterizzazione di poliuretani bio–based N. ore: 25. Argomenti trattati Il corso ha previsto lezioni inerenti la sintesi e la caratterizzazione di materiali poliuretanici sia espansi che compatti, sia nella “forma” termoplastica che termoindurente. In particolare sono state fornite le nozioni di base riguardanti il chimismo di preparazione di sistemi poliuretanici sia a partire da polimeri commerciali sia a partire da precursori bio–based, nonché dell’effetto che diversi additivi reattivi possono avere sul prodotto finale. Sono stati inoltre fornite nozioni di base relative alla caratterizzazione di sistemi poliuretanici, in particolare lo studio del processo di espansione attraverso sistema Foamat, caratterizzazione chimico–fisica attraverso analisi termodegradativa (TGA), calorimetrica (DSC) e spettroscopia infrarossa (FT–IR/ATR). Durante il corso è stato mostrato sperimentalmente la sintesi di una schiuma poliuretanica e gli effetti di diverse componenti (temperatura, umidita, stechiometria dei reagenti) sulle proprietà finali del manufatto.. Struttura attuatrice: cnr. Docenti: Lavorgna (cnr). Marino. Obiettivi formativi raggiunti Conoscenze: Gli studenti hanno acquisito: — conoscenze sulla sintesi di sistemi poliuretanici a partire da precursori commerciali e precursori sostenibili (polioli da acido succinico); — conoscenze sulle tecniche di analisi e caratterizzazioni di sistemi polimerici poliuretanici (Foamat, TGA, DSC; FTIR). Capacità: Gli studenti hanno acquisito: — capacità di elaborare e discutere (con verifica eseguita attraverso presentazione power point) le modalità di sintesi e caratterizzazione di sistemi poliuretanici; — individuare quali possono essere le problematiche relative ai processi di sintesi di materiali poliuretanici..

(41) BioPoliS: il progetto formativo. Sulla base di questi in–put e di un’attenta ricerca bibliografica, il corso ha previsto la valutazione finale degli obiettivi formativi raggiunti da parte dei formandi, attraverso la stesura e successiva discussione di una presentazione di sistemi poliuretanici bio–based.. 41. Comportamenti: Capacità di eseguire una ricerca bibliografica mirata e coerente con gli argomenti trattati. Interpretazione di dati sperimentali di laboratorio..

(42) 42. Carmen Cioffi. Modulo A16: Processi di trasformazione di biopolimeri N. ore: 25. Argomenti trattati Questo modulo ha fornito le conoscenze di base relative ai principali processi di lavorazione delle materie plastiche biodegradabili. Oltre ai fondamenti dei processi di trasformazione sono stati forniti i principi di reologia necessari per la corretta comprensione del comportamento durante il processo dei materiali polimerici. Il modulo ha inteso perfezionare le conoscenze di base rispetto alla trasformazione dei materiali e all’ottimizzazione dei processi di trasformazione, migliorando il know–how su preparazione dei materiali, sulla gestione del processo e sull’utilizzo delle principali attrezzature. Oltre all’utilizzo di approcci didattici tradizionali (principi e regole di gestione del processo di trasformazione dei polimeri), durante il corso sono state affrontare in modo approfondito tutte le problematiche tecniche relative ai processi di estrusione, stampaggio ad iniezione, schiumatura, stampaggio per compressione e alla filmatura piana ed in bolla.. Struttura attuatrice: cnr. Docenti: Lavorgna Marino (cnr); Sorrentino Luigi (cnr); Verdolotti Letizia (cnr); Sorrentino Andrea (cnr). Obiettivi formativi raggiunti Conoscenze: Gli studenti hanno acquisito: — conoscenze sulle relazioni tra le proprietà meccaniche e la struttura dei polimeri biodegradabili; — conoscenze sulle principali caratteristiche reologiche dei polimeri biodegradabili; — conoscenze sui processi di trasformazione dei materiali polimerici; — conoscenze sull’effetto delle condizioni di processo sulla morfologia dei manufatti polimerici. Capacità: Gli studenti hanno acquisito la capacità di: — gestire i principali parametri dei processi di trasformazione; — affrontare le problematiche relative ai processi di trasformazione; — identificare la difettosità dei manufatti in termini di cause e risoluzioni..

(43) BioPoliS: il progetto formativo. Il modulo ha fornito competenze sull’uso delle principali tecniche strumentali di caratterizzazione dei polimeri. In particolare, sono state fornite le capacità di progettare e caratterizzare un manufatto polimerico mediante la gestione ottimale della tecnologia di trasformazione e del ciclo di vita del manufatto.. 43. Comportamenti: Capacità di eseguire una ricerca bibliografica mirata e coerente con gli argomenti trattati. Interpretazione di dati sperimentali di laboratorio..

(44) 44. Carmen Cioffi. Modulo A17: Bioraffinerie N. ore: 25. Argomenti trattati La formazione svolta da UNINA ha riguardato la descrizione delle diverse operazioni unitarie sia di reazione che di separazione che è possibile incontrare in un impianto chimico o bioraffineria. Sono stati forniti anche elementi di disegno di impianto. La formazione svolta da Novamont (azienda leader nel settore delle bioplastiche ed esempio concreto di bioraffineria) ha riguardato due lezioni ed una visita al Centro Ricerche per lo Sviluppo di Biotecnologie Industriali. La prima lezione è stata concentrata su come ottenere biochemicals e building blocks (BB) da fonti rinnovabili mediante l’impiego di microrganismi. Partendo dalla produzione delle materie prime quali zuccheri e oli e mediante l’impiego di batteri, lieviti e alghe si è passati all’utilizzo di queste materie prime nella produzione per via fermentativa di diversi BB. Sono stati descritti i processi per l’ottenimento di polimeri vinilici, poliesteri, poliammidi,. Struttura attuatrice: unina dsc; novamont. Docenti: Dani Maria (novamont); Di Serio Martino (unina). Obiettivi formativi raggiunti Il modulo ha avuto lo scopo di fornire gli elementi di base per la lettura dello schema di un processo chimico e di una bioraffineria. Questi elementi sono stati poi rafforzati con case–histoire industriali e una visita ad impianti pilota. Si è cercato di sviluppare le capacità di analisi dei processi di conversione della biomassa sia chimici che biotecnologici..

(45) BioPoliS: il progetto formativo. poliuretani, gomme sintetiche. Sono state quindi presentate diverse strategie metaboliche e genetiche per introdurre o migliorare la produzione di BB nei microrganismi. Come esempio sono state descritte quelle applicate alla produzione di: 1,4–butandiolo, acido succinico, acido lattico, acido adipico, acidi dicarbossilici. Sono stati illustrati i processi upstream ed i processi downstream riguardanti la produzione e la purificazione di BB da batteri, lieviti e alghe, con esempi specifici. Infine è stato presentato il processo di produzione di biodiesel e bioetanolo e la digestione anaerobica per la produzione di biogas. Nella seconda lezione è stato illustrato il modello Novamont di bioraffineria integrata nel territorio, basato sullo sviluppo di materiali e prodotti da fonti rinnovabili attraverso l’integrazione di chimica e agricoltura. Punti cardini sono: lo sviluppo di innovative filiere agroindustriali a partire da materie prime locali (colture a basso input, scarti); la riconversione di siti deindustrializzati attraverso tecnologie proprietarie e prime al mondo; la creazione di nuove opportunità per tutta la filiera e collaborazione con gli attori del territorio; produzione di una gamma di bioprodotti (bioplastiche e biochemicals) ad alto valore aggiunto. È stata quindi descritta la bioraffineria Matrica (consociata Novamont) con la filiera del cardo per la produzione di oli ed i prodotti. 45.

(46) 46. Carmen Cioffi. (monomeri per poliesteri, biolubrificanti, prodotti per la cosmesi, bioerbicidi). Infine è stato illustrato il primo impianto di produzione di bio1,4–butandiolo per fermentazione diretta (Mater–Biotech, gruppo Novamont). L’evento formativo si è concluso con la visita ai laboratori del Centro Ricerche di Piana di Monte Verna durante la quale i formandi hanno potuto vedere vari impianti pilota (sia upstream che downstream) e gli strumenti analitici per il controllo dei processi biotecnologici..

(47) BioPoliS: il progetto formativo. 47. Modulo A18: LCA ed analisi emergetica N. ore: 25. Argomenti trattati Il modulo “LCA ed analisi emergetica” è stato organizzato in una prima fase teorica ed in una seconda fase di strutturazione di un modello di studio. La prima fase teorica è stata realizzata nelle prime tre giornate di lezione. Sono stati definiti i principi teorici dell’analisi del ciclo di vita (LCA – Life Cycle Assesment) e dell’analisi emergetica, così come di altri approcci integrati, sistemici e multicriteriali. In questo modo i discenti hanno avuto modo di comprendere la necessità di affrontare lo studio di un sistema complesso, come una bioraffineriua, in maniera integrata. Il sistema bioraffineria è stato integrato nel più ampio sistema metabolico delle società industrializzate. Particolare attenzione è stata dedicata al ruolo delle bioraffinerie nella produzione di biofuels, evidenziandone i limiti ambientali e socio–economici. La seconda parte si è tenuta nell’ultima lezione è si proceduto con la definizione di un sistema di studio (produzione di bioetanolo da specifica coltura lignocellulosica). Sono stati. Struttura attuatrice: unina db. Docenti: Fierro Angelo (unina). Obiettivi formativi raggiunti L’intervento formativo ha raggiunto l’obiettivo di fornire gli elementi teorici di base dell’analisi di LCA, dei diversi tipi di LCA (attribuzionale e consequenziale), dei data–base e dei metodi di utilizzo. Sono stati anche forniti cenni sulla normativa ISO che regola la LCA e le potenzialità di mercato del sistema di analisi. I discenti hanno appreso i principi di base delle diverse fasi della LCA (goal and scope; confini del sistema; organizzzione di un inventario; interpretazione dei risultati)..

(48) 48. Carmen Cioffi. definiti i confini del sistema da analizzare e gli input di energia e materia per la produzione di bioetanolo..

(49) BioPoliS: il progetto formativo. 49. Modulo A19: Analisi tecnico–economica della filiera industriale N. ore: 25. Argomenti trattati L’attività di formazione svolta nell’ambito del modulo “analisi tecnico–economica della filiera industriale” ha affrontato la determinazione e valutazione dei risultati economici delle aziende per la produzione di biomassa a fini energetici. Il modulo è stato strutturato in lezioni teoriche ed esercitazioni. In particolare, gli argomenti affrontati nelle lezioni teoriche avevano lo scopo di fornire gli strumenti necessari per lo studio e l’analisi della filiera industriale. Le tematiche esaminate hanno approfondito argomenti quali: la matematica finanziaria (propedeutica all’analisi del bilancio economico); l’analisi costi–benefici (per la valutazione economica di un investimento); la valutazione finanziaria o payback finanziario (per la valutazione della sostenibilità di un investimento); la determinazione dei risultati economici delle aziende per la produzione di biomassa a fini energetici (bilancio economico di colture a ciclo annuale. Struttura attuatrice: unina depa. Docenti: Lerro Marco (unina). Obiettivi formativi raggiunti L’intervento formativo ha raggiunto l’obiettivo di fornire gli strumenti di base per l’analisi economica della filiera industriale. In particolare, gli studenti hanno appreso i principi di base per la valutazione economica e di sostenibilità degli investimenti, nonché la determinazione ed analisi dei risultati economici delle aziende per la produzione di biomassa a fini energetici..

(50) 50. Carmen Cioffi. e poliennale). Inoltre, è stata analizzata la fattibilità di un investimento attraverso l’analisi del business plan. Le esercitazioni, svolte al termine degli argomenti trattati, erano volte a fornire un approfondimento pratico delle tematiche affrontate durante le lezioni, nonché a verificare il livello di comprensione degli studenti. Il corso ha previsto, inoltre, la valutazione finale degli obiettivi formativi raggiunti..

(51) BioPoliS: il progetto formativo. 51. Modulo A20: Analisi logica della filiera industriale N. ore: 25. Struttura attuatrice: unina dia. Docenti: Boccia Lorenzo (unina); Pindozzi Stefania (unina). Argomenti trattati Obiettivi formativi raggiunti I Modulo: introduzione alla cartoConoscenza software Open Sourgrafia e ai sistemi cartografici. Proiezioce Quantum Gis. ni e rappresentazioni cartografiche. AcConoscenza software open sourcuratezza dell’elaborazione. Sistemi di ce ILWIS (Integrated Land and riferimento attualmente in uso in Italia. Introduzione all’uso dei software GIS. Water Information System). II Modulo: Approccio deterministico all’individuazione di aree idonee alla conversione a colture energetiche. Individuazione di aree con criticità ambientali attaverso l’uso del software Open Source Quantum Gis. Individuazione di aree soggette al rischio erosivo: applicazione del modello empirico RUSLE. III Modulo: Approccio probabilistico all’individuazione delle aree idonee a conversione a colture energetiche, attraverso Spatial – Multicriteria Decision Analysis: definizione dei criteri significativi rispetto all’obiettivo, articolazione del criteria tree e dei vincoli e fattori, standardizzazione dei valori in una comune scala (0–1), ponderazione dei valori (tecniche del rating ranking e pairwise comparison), costruzione della Suitability Map. Esercitazione in aula attraverso software open source dedicato (ILWIS)..

(52) 52. Carmen Cioffi. Modulo B Esperienze operative in affiancamento a personale impegnato in attività di ricerca industriale e/o sviluppo sperimentale. 40% ore: 480 ore. Le attività di affiancamento, iniziate a Settembre 2016, si sono concluse a Marzo 2017, hanno visto la partecipazione diretta dei formandi ad alcuni obiettivi realizzativi del Progetto di Ricerca e di Sviluppo Sperimentale. Questa modalità didattica ha consentito ai formandi di mettere in pratica gli aspetti tecnici approfonditi nel modulo A. In particolare, i formandi sono stati seguiti ed orientati nella scelta dell’Ente presso cui svolgere la loro attività di affiancamento. ALLIE VI ASSE GATI. SE DE. RE F E RE NTI. TUTOR. 1. B ARBATO Paola Sabrina. SUN. Chiara Schiraldi. Chiara Schiraldi. 2. G IACOME LLI Stefano. 3. INVE RSO Michela. 4. B ARRA Lucia. CNR IBAF. Francesco La Cara. Francesco La Cara Bruna Laratta. 5. V E LLA Filomena Monica. 6. C ARUSONE Teresa Maria. CNR IBP. Giuseppe Manco. Giuseppe Manco. 7. C AUSA Andrea. SAPA GROUP. Zimbardini; Villacci; Lanzillo; Molaro. Alfonso Molaro. 8. D E F E NZO Anna. CNR IPCB UOS. Letizia Verdolotti. Letizia Verdolotti. 9. F ASANO Carlo. CRE A –ORT. Nunzio D’Agostino. Nunzio D’Agostino. 10. G UE RRE RA Ettore. CE RMANU. Alessandro Piccolo. Alessandro Piccolo. 11. PASCALE Alberto. DIA. Olimpia Pepe. Olimpia Pepe. 12. S OLA Maria Elena. SANNIOTE CH. Antonio Pisanti Vittorio De Blasio. Antonio Pisanti Vittorio De Blasio. 13. R ANIE RI Guido. 14. V E STITO Cosimo. CNR IPCB UOS. 15. V ITALE Laura. CNR ICB. 16. IANNUCCI Pierpaolo. Portici. Pozzuoli. Pierfrancesco Cerruti Pierfrancesco Cerruti Mario Malinconico Annarita Poli. Annarita Poli. Modulo C Apprendimento di conoscenze in materia di programmazione, gestione strategica, valutazione e organizzazione operativa dei progetti di ricerca industriale e/o sviluppo sperimentale. 10% ore: 120 ore..

(53) BioPoliS: il progetto formativo. 53. Caratteristica centrale degli strumenti della nuova programmazione è la complessità del “governo del programma”, dovuta all’intervento di soggetti diversi, istituzionali e privati, che devono convergere verso un comune obiettivo di sviluppo. A tale scopo il coordinamento del progetto ha previsto, che nell’ambito del modulo C, fossero sviluppati i contenuti finalizzati al trasferimento di una metodologia strutturata per l’ideazione, lo sviluppo, la gestione ed il controllo dei progetti. Articolazione del Modulo C in sub–moduli: C1. Finanza aziendale e contabilità di progetto. 30. C2. Quadro di riferimento nazionale e comunitario per i progetti di ricerca. 30. C3. Tecniche di gestione di progetti complessi: competenze tecniche e organizzative, gestionali e relazionali del Project Management. 30. C4. La proprietà intellettuale: diritti d’autore e diritti connessi. Marchi e Brevetti. Il Valore Economico di un Brevetto. 30. Le idee progettuali In base alle informazioni disponibili e grazie all’uso di tecniche partecipatorie quali il brainstorming, nel corso delle esercitazioni pratiche i partecipanti sono stati coinvolti nell’identificazione dei problemi chiave da affrontare e nell’elaborazione del Quadro Logico. In questa fase i discenti hanno Sviluppato due project work: Arundo 6.6: Produzione di Nylon 6.6 100% di origine biologica a partire da biomasse lignocellulosiche. Patch spore: Sviluppo di teli pacciamanti funzionalizzati con consorzi microbici per il controllo delle infestanti e la fitostimolazione di specie ortive. Arundo 6.6. Produzione di Nylon 6,6 100% di origine biologica a partire da biomasse lignocellulosiche. Arundo 6.6 nasce dall’esigenza di offrire un’alternativa ecosostenibile alla produzione di polimeri normalmente ottenuti per via petrolchimica. Per.

(54) 54. Carmen Cioffi. produrre i precursori (building blocks) del Nylon 6,6, propone di sfruttare fonti rinnovabili, come le biomasse vegetali non appartenenti alla catena alimentare che sono coltivate in zone a bassissima resa o in aree marginali. Il tipo 6,6 è il Nylon più diffuso, essendo un polimero ad alte prestazioni, utilizzato come fibra in campo tessile, per la creazione di fibre tecniche e come rinforzo per pneumatici. Attualmente, ne vengono prodotti circa 3 milioni di tonnellate l’anno, per un mercato globale di oltre 6 miliardi di Euro. L’acido adipico e l’esametilendiammina sono i building blocks per la sintesi di Nylon 6,6 ma, attualmente, l’unica opzione economicamente vantaggiosa per la loro produzione è la via sintetica a partire da fonti fossili. Lo sviluppo di questi building blocks ecosostenibili da fonti rinnovabili presenta elevate potenzialità d’impatto in diversi settori tecnologici: tessile, automotive, aerospaziale, edilizia, produzione di elettrodomestici. Questi comparti industriali, che già utilizzano il Nylon 6,6, potranno esibire il marchio “Bio–based”. Arundo 6.6 punta a produrre i precursori del Nylon 6,6 a partire da Arundo donax, una pianta coltivata su terreni marginali non adatti all’agricoltura. Da A. donax raccolta, essiccata e successivamente trattata, si ottiene la biomassa lignocellulosica impiegata nei successivi processi di fermentazione. In tale fase si utilizzano microorganismi in grado di produrre acido adipico, mentre la sintesi dell’esametilendiammina viene effettuata per via chimica partendo o dall’acido adipico prodotto o da zuccheri semplici provenienti dai trattamenti effettuati in precedenza sulla biomassa. Dalla reazione di policondensazione dei due bio–based building blocks si ottiene il Nylon 6,6 100% bio. Quest’ultimo, opportunamente trasformato, può essere utilizzato nel processo di stampaggio 3D, in quanto presenta un basso coefficiente di attrito, un’elevata resistenza alla temperatura e a sollecitazioni meccaniche, risultando così versatile per la stampa 3D. Gli aspetti innovativi di Arundo 6.6 sono rappresentati da: — ingegnerizzazione del microrganismo per incrementare la produzione di acido adipico; — ottimizzazione del processo di fermentazione a partire da biomassa lignocellulosica di A. donax; — produzione di esametilendiammina da acido adipico o da zuccheri semplici ottenuti da biomassa lignocellulosica; — sintesi del Nylon 6,6 100% bio a partire dai bio–precursori; — realizzazione di un prototipo di stampante 3D per l’utilizzo del Nylon 6,6 100% bio. Gruppo di lavoro: Teresa Maria Carusone; Andrea Causa, Stefano Giacomelli, Ettore Guerrera, Michela Inverso; Guido Ranieri; Filomena Monica Vella; Cosimo Vestito..

(55) BioPoliS: il progetto formativo. 55. PATCH–SPORE Sviluppo di teli pacciamanti funzionalizzati con consorzi microbici per il controllo delle infestanti e la fitostimolazione di specie ortive. Il progetto Patch–Spore si pone come obiettivo generale lo sviluppo di una gamma di teli pacciamanti a base di copolimeri a biodegradabilità controllata opportunamente funzionalizzati con spore di microrganismi. I benefici possono essere il controllo delle specie vegetali infestanti; promuovere la crescita delle piante e proteggere le piante da avversità biotiche e abiotiche. L’effetto ottenuto dall’impiego dei film pacciamanti Patch–Spore sulla fitostimolazione dell’orticoltura è di tipo sinergico, quindi migliore rispetto a quello additivo dei soli teli pacciamanti e bio–fitofarmaci. Patch–Spore consente di: — indirizzare il biofitofarmaco unicamente sulla coltura di interesse; — agire sulle condizioni simbiontiche tra pianta e agenti di biocontrollo. Patch–Spore avrà una ricaduta innovativa in orticoltura, principale comparto agricolo nella regione Campania (circa il 46,8% della Superficie Agricola Utilizzata – ref.: “L’Agricoltura nella Campania in cifre 2015”, CREA 2016). L’idea progetto Patch–Spore punta ad una maggiore sostenibilità ambientale ed economica dell’intero processo produttivo, riducendo il numero di interventi da parte degli operatori per ulteriori applicazioni dei biofitofarmaci e generando un risparmio in termini di ore uomo e di utilizzo delle macchine. La funzionalizzazione del telo pacciamante sarà ottenuta attraverso l’impiego di una tecnologia che permetterà il grafting delle spore dei microrganismi di interesse sul materiale polimerico. Le tecniche di grafting attualmente in uso permettono di aggiungere gruppi funzionali specifici su di un film polimerico o di aumentare l’energia superficiale del film stesso e di conseguenza la reattività all’adesione di altre sostanze. Tale tecnologia è quindi risultata idonea per lo sviluppo del progetto Patch–Spore con possibilità di rendere specifica la produzione del telo per aggraffare le spore microbiche. I processi di funzionalizzazione dei film polimerici esistenti,.

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