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18 » DAGLI ISCRITTI Il Chimico Italiano • n. 5-6 • ott/nov/dic 2006 Strumenti Gestionali nelle tecnologie chimiche di GIANNI GRASSO (Ministero Attività Produttive, DSPC), SSIP, Napoli Le metodologie di Knowledge Management (KM) possono essere utilmente finalizzate alla “cattura”, “conservazione” ed “utilizzo” anche della conoscenza applicativa nel campo delle tecnologie chimico-industriali, agro-chimico-industriali e biotecnologiche. In particolare i dati scientifici e tecnologici possono essere strutturati in informazioni di interesse applicativo mediante operatori come le matrici (modello generale del sistema e delle sue proprietà) ed i grafi (modelli di trasformazione del sistema). Se ne rendono così possibili applicazioni strumentali per una descrizione analitica di eventi tecnici complessi come ad esempio quelli ambientali, trasformazioni tecnologiche di processo e percorsi di formulazione di un prodotto industriale. Concetti semplici e generali di Teoria dei Sistemi possono essere utilmente impiegati proprio a tali scopi. La conoscenza formalizzata è la premessa della risoluzione di ogni problema, consentendone infatti la sua identificazione come problema astratto,spogliato di tutti gli elementi non-necessari e ridotto in termini di variabili ed operazioni che li elaborano. E’ ciò a rendere spesso del tutto simili problemi apparentemente anche molto diversi. La formalizzazione ne rappresenta le informazioni come strutture di dati da organizzarsi secondo algoritmi di ordinamento quali appunto matrici e grafi. » Analisi ed identificazione di un sistema tecnico. Utilizzo del modello analogico “sistema/ ambiente” S/A Nel caso specifico di un “fatto” tecnico, il problema si presenta come necessità di “controllo” di un evento fisico a carico di un dato sistema in osservazione, di cui interessa interpretare le varie manifestazioni (= fenomeni, regolari o anomali) in termini di variabili di processo, Fig. 1 Modello analogico di "corpo-sistema": O(x, y, z) = sistema di riferimento spaziale con origine in O determinante ogni posizione interna P xyz o direzione r(θ, ρ), t o = 0 riferimento origine per la misura del tempo t. A = ambiente, S = sistema, P = parete-contorno, IN = stimolo, OUT = risposta, [T, P-σ-τ,n;N s /w, Φ l ; t]A = parametri di processo ovvero (T, P, n) = terna delle variabili di stato termodinamiche, σ-τ = sforzi meccanici, N s /w = carica microbica, Φ I = potenziale del campo di forze di intensità I Φ ,J E -J m flussi alla parete. M k = sub-sistemi o sub-strutture di S. stati e trasformazioni del sistema. Cioè come “proprietà unitarie”del sistema, la cui definizione nei termini dei 5 elementi unitari di sistema [“ingressi → strutture → interazioni → stati → uscite”, cfr. modello analogico “4D” di Fig. 1 e Tab. 1] consente di cogliere appunto come “processo” o “divenire”, cioè sotto il profilo insieme tecnologico e termodinamico, le trasformazioni del sistema ad esse collegate. Duplice analogia: prodotto tecnologico = sistema termodinamico S in dato stato processo tecnologico = trasformazione di stato di S diretta dall’ ambiente A La descrizione di un processo tecnologico per “trasformazioni unitarie” affianca quella delle operazioni unitarie ingegneristiche, od azioni ambientali eseguite sul sistema (IN A = IN S ), complementandola per gli aspetti delle corrispondenti modificazioni di stato (Ψ i ) e struttura (… M k …) nel sistema; ossia per gli aspetti di termodinamica, cinetica e strutture Tab. 1. Elementi unitari di sistema, o variabili caratterizzanti di comportamento, delle leggi di sistema e delle sue variabili di stato Elementi unitari u Classi/categorie (variabili di interazione) (molteplicità dei significati) azioni IN S (≡ flussi J Z) 1 Z = trasporti: Q = calore, m = materia, mv = quantità di moto, n = moli, N s = microrganismi, E, H, E-H, G = energie di campo 2 ,W e,W t = energia meccanica 3 strutture Mk elettronica, molecolare, colloidale, particolata, istologica, macro-, razionale astratta4 interazioni Ik primarie/secondarie di legame, relazionali gerarchiche-funzionali/quantitative stati Ψi dinamici Ψit (deterministici/indeterministici), di equilibrio Ψie, metastabili proprietà λ j (≡ OUT j,κ j) uscite/risposte OUT contingenti 5 , parametri/costanti di sistema leggi di sistema Lj relazioni 6: di bilancio IN/ACC-OUT, proprietà/struttura, di equilibrio, cinetiche variabili di stato termodinamiche chimiche: temperatura T, pressione P, componenti chimici n meccaniche: sforzi σ−τ, normali e tangenziali microbiologiche: microrganismi Ns di campo: intensità Iφ di campi2 1 bilanci in ingresso (Jz) IN espressi in [1/m2s1 ], cause dirette di trasformazione a loro volta prodotte da “forze motrici” di squilibrio, o cause remote o secondarie, quali differenze di temperature ΔT, concentrazioni Δc, potenziali ΔΦ etc. fra S ed A. 2 campi statici/dinamici: elettrico E, magnetico H, elettromagnetico E-H (luminoso, UV, IR, MO etc.), gravitazionale G. 3 energia di deformazione di S, statica (forze costanti a parete) o dinamica (forze pulsanti: vibrazioni, onde elastiche) 4 elettroni, atomi, molecole, soluzioni; macromolecole, colloidi; sospensoidi, microrganismi; elementi istologici, compositi; componenti, fasi; elementi astratti: punti geometrici, superfici, strati, volumi, masse continue etc. 5 bilanci in uscita (Jz) OUT, es. luminosità I in uscita dal sistema S, dopo attraversamento, rispetto a quella in entrata Io . 6 fra le variabili del sistema, espresse in forma di correlazione analitica (modelli simbolici, equazioni) o grafica (diagrammi di stato, rappresentazioni grafiche). coinvolte nella trasformazione. Tale premessa di metodo garantisce la generalità di ogni ulteriore manipolazione dei dati classificati e ordinati su tale base. Con riferimento al modello analogico è possibile analiticamente descrivere un sistema noto o un caso in studio. In relazione alle norme di pubblicazione di contributi di interesse scientifico-professionale su “Il Chimico Italiano” il presente articolo è stato ricevuto il 11 ottobre 2006 ed è stato accettato per la pubblicazione il 24 novembre 2006
Il Chimico Italiano • n. 5-6 • ott/nov/dic 2006 • Case-study: corpo liquido biologico sottoposto a separazione centrifuga (es. latte). Si tratta di un sistema eterogeneo macroscopico (strutture M k = fasi acquosa W o “siero” e fase “oleosa-grassa” O o “crema”) che in ciascuna sua fase è a vari livelli ultrastrutturato su una base di dispersione: particolata grossolana, colloidale e molecolare (strutture M k : componenti cellulari frammentati, goccioline emulsionate O/W e W/O, sol colloidali proteici, componenti molecolari in soluzione come zuccheri, sali etc.). Composizione molecolare (sub-sistema chimico, caratterizzato dalla variabile di stato n; strutture M k = molecole e macromolecole: zuccheri, lipidi, proteine etc.) sia per quantità che qualità è variabile in relazione all’origine e provenienza della materia prima. Nella sua intera massa ed estensione fisico-geometrica (struttura M k = “corpo continuo” o insieme razionale dei suoi “punti” materiali costituenti), il sistema è esposto all’azione IN S di un campo di forze ultragravitazionale G radiale all’asse di rotazione della centrifuga (intensità I F dipendente dalla velocità di rotazione del sistema, variabile con la distanza dall’ asse); sotto questo profilo l’“oggetto” (= sistema S) è un corpo continuo mobile la cui parete, deformabile ma continua grazie alla tensione superficiale, è a contatto con quella interna del reattore contenitore ed è permeata dalle linee di forza del campo (ambiente A = reattore di contenimento e campo applicato G). L’ interazione S/A produce nel sistema un campo di forze e conseguenti interazioni locali I k che si esercitano fra le particelle in moto ed il mezzo resistente (flusso di particolato in mezzo viscoso): forze centrifughe di sedimentazione indotte contrastate da quelle di attrito del mezzo secondo le leggi dell’ idrodinamica. Nel corpo continuo, alla descrizione del campo gravitazionale G si sovrappone quella del campo delle velocità v nella sua massa fluida, così come prodottosi per effetto del flusso lungo le sue pareti di contenimento. A date condizioni T, P ed n (composizione definita), la variabile che condiziona lo stato del sistema è l’ accelerazione centrifuga ng del campo, che è direttamente correlata alla sua intensità, superiore di n volte a quella gravitazionale terrestre g. In termini di leggi di sistema L j , l’ equazione della velocità di sedimentazione v G = 2(ρ - ρ 0 ) (ng)( d/2) 2 /9η, relaziona le “risposte” v G osservabili in S per particelle di data dimensione (diametro d) e densità ρ a fronte degli “stimoli”o accelerazioni ng in ingresso, con proporzionalità data dalla viscosità η e densità ρ 0 del mezzo quali “costanti”del sistema; distinzione fra sedimentazione propriamente detta (ρ > ρ 0 ) e scrematura (ρ < ρ 0 ). Il sistema è in stato dinamico dal momento dell’ applicazione del campo centrifugo ed evolve verso uno stato di equilibrio: dall’ iniziale stato omogeneo macroscopico, descri- Fig. 2. Analisi ed identificazione del sistema: corpo liquido in corso di centrifugazione vibile in termini tecnologici come monofasico acquoso W (in realtà di microemulsione O/W), il sistema si trasforma verso lo stato finale bifasico, a due fasi distinte e separate W ed O, con una legge dinamica m O (t) di evoluzione quantitativa temporale della massa m O di fase O gradualmente separata da W (cfr. in S linea di separazione O-W a distanza radiale x′ in direzione del campo G). Le due fasi ottenute, tuttavia, non sono completamente prive l’una dell’ altra (fase acquosa W disperdente ancora una pur minima frazione di O e viceversa), in dipendenza dell’ intensità (ng) e prolungamento (t) dell’ azione centrifuga e delle caratteristiche iniziali intrinseche del sistema (particolato d,ρ; mezzo disperdente η, ρ 0 ). Oltre a tali fattori, influente è anche la “forma” idrodinamica delle particelle (struttura M k = colloidi dispersi), per es. conformazione delle macromolecole, nel caso generale approssimabile a quella di un ellissoide di rotazione più o meno allungato (ellitticità), che influenza la loro velocità di moto in quanto l’ equazione di sedimentazione viene ricavata per particelle supposte DAGLI ISCRITTI« 19 di forma sferica. Un’ altra variabile è l’ interazione I k fra la particella ed il mezzo disperdente, per es. idratazione nel mezzo acquoso, effetto che comporta un aumento della viscosità di quest’ ultimo. Da approfondire descrizione macro- spazio-temporale del sistema (M k = “corpo continuo”) e fenomenologia micro- (M k = sub-sistema colloidale), relativa ai 2 sub-sistemi critici del processo. Argomenti e concetti gestiti: identificazione di un sistema e sua definizione in termini di linguaggio sistemico (modello analogico sistema/ambiente o di interazione S/A), “trasporti”, strutture unitarie, caratterizzazione statistica, variabili, parametri di sistema, riferimenti spazio-temporali, interazioni interne ed esterne, stati di sistema (statica e dinamica), contesto o situazione “al contorno“ (sovra-sistemi di livello superiore, ambiente), parete, leggi di sistema, controllo. » Analisi ed identificazione di una proprietà tecnica intesa come processo. Utilizzo di matrici di descrizione S/A La formalizzazione dell’ oggetto della sperimentazione attraverso l’ analisi come “sistema”è dunque il primo passo di metodo. In tal modo il tradizionale criterio di classificazione disciplinare in proprietà chimiche, colloidali, microbiologiche, fisico-meccaniche etc., può trovare una simbolica e unificata rappresentazione laddove ad ogni proprietà OUT di dato enunciato-stringa j
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