Obiettivi formativi
Al termine dell’attività formativa lo studente dovrebbe aver acquisito conoscenze relative ai principi e alle applicazioni della Chimica Analitica di Processo, sfruttata a livello industriale.
In particolare lo studente dovrebbe essere in grado di:
- conoscere e descrivere le principali tecniche e strategie di analisi real-time utilizzate per il controllo e monitoraggio di un processo industriale, al fine di assicurare la qualità, tenendo conto anche di aspetti legati alla sicurezza e al profitto.
- spiegare come la chimica analitica di processo si inserisce in un approccio interdisciplinare, che prevede anche l’utilizzo di tecniche chemiometriche per l’analisi dei dati e la creazione di modelli statistici predittivi.
- collegare i diversi argomenti trattati tra loro e con le discipline di base ed affini. Discutere in modo critico i concetti acquisiti. Aggiornarsi mediante la consultazione delle pubblicazioni scientifiche proprie del settore.
- applicare le conoscenze acquisite per individuare le tecniche analitiche più opportune per il monitoraggio real-time di una reazione chimica e di un processo industriale, abbinate a opportune tecniche chemiometriche per l’elaborazione del dato scientifico.
- programmare l’attività sperimentale per costruire modelli di previsione e raccogliere informazioni analitiche per il controllo di processo.
- valutare criticamente le proprie conoscenze e capacità, ed interpretare i risultati ottenuti.
- adattarsi ad ambiti di lavoro e tematiche diverse e di dare giudizi su importanti questioni scientifiche.
- sostenere la propria attività sulla base di un giudizio sviluppato autonomamente su problematiche inerenti ai propri studi.
- interagire con altre persone e lavorare in gruppo nell’ambito di progetti multidisciplinari, avendo sempre presente gli obiettivi e i metodi per raggiungerli.
- recuperare agevolmente le informazioni dalla letteratura scientifica, banche dati e internet.
- possedere capacità personali di ragionamento logico e apprendimento autonomo, in modo da affrontare e proporre autonomamente soluzioni per nuove tematiche scientifiche e problematiche professionali inerenti ai propri studi.
- analizzare in senso critico i risultati derivanti da processi sperimentali, estrapolandone le informazioni necessarie per l’ottimizzazione del processo.
Prerequisiti
Per la frequenza al corso, risulteranno fondamentali le conoscenze di chimica analitica strumentale e di concetti di base di chemiometria univariata.
Contenuti dell'insegnamento
- Ruolo del chimico analitico nel monitoraggio e analisi real-time dei processi industriali per l’assicurazione della qualità del prodotto finito.
- Campionamento da linee produttive e condizionamento del campione
- Principali tecniche chemiometriche multivariate per l’elaborazione dei dati, interpretazione dei risultati e costruzione di modelli di previsione
- Principali tipologie di analizzatori di processo e loro modalità di interfacciamento ai processi
- Esempi dalla letteratura corrente e discussione di articoli scientifici
- Seminari da parte di esperti del settore appartenenti al mondo industriale
- Eventuale visita didattica ad una azienda
Programma esteso
Scopi della chimica analitica di processo e dell’implementazione di analizzatori di processo. Differenza tra analisi di laboratorio e analisi di processo. Diversi requisiti tra strumenti da laboratorio e analizzatori di processo. Modalità di interfacciamento per l’analisi (off-line, at-line, on-line e in-line).
Concetto di qualità, di quality by design e di process analytical technology (PAT) (accenni).
Campionamento da linee produttive e reattori, concetto di rappresentatività del campione. Frequenza di campionamento. Uso di probe e fast loops. Condizionamento e trasporto del campione.
Tecniche chemiometriche multivariate. Concetti di base di tecniche di pattern recognition supervised e unsupervised: analisi delle componenti principali, analisi cluster, analisi discriminante lineare, regressione lineare multipla, regressione PCR, regressione PLS. Calibrazione diretta e calibrazione inversa. Concetti di fitting, di previsione e di cross-validazione. Scelta del set di calibrazione per la costruzione di un modello di previsione.
Interfacciamento delle tecniche spettroscopiche, in particolare vibrazionali, all’analisi di processo: medio-IR, vicino-IR, Raman. Potenzialità e criticità per l’analisi real-time e in remoto (uso di fibre ottiche). Acquisizione in trasmissione, riflessione, trasflettanza e modalità ART (medio-IR). Probe per misure on-line e in-line. Tecniche di pre-trattamento degli spettri.
Cenni di imaging iperspettrale per imaging chimico.
Analizzatori per analisi di particle size. Concetto di distribuzione delle dimensioni particellari. Concetto della pesatura della distribuzione (number-weighted, volume-weighted, .). Misure di torbidità, misure mediante FBRM, uso di particle viewers. Monitoraggio di processi di cristallizzazione.
Sistemi di sensing articifiale: nasi e lingue elettroniche. Concetti di base, potenzialità. Tipologie di rivelatori.
Spettrometria di mobilità ionica per la chimica analitica di processo
Discussione in aula di esempi presi da letteratura.
Seminari da parte di esperti del settore dal mondo industriale
Eventuale visita didattica ad una azienda
Bibliografia
Testi (tutti disponibili nella Biblioteca di Chimica):
“Process Analytical Technology: Spectroscopic Tools and Implementation Strategies for the Chemical and Pharmaceutical Industries”, Edited by Katherine A. Bakeev, 2nd Edition, 2010.
“Process Analytical Chemistry. Control, Optimization, Quality, Economy”, by Karl Heinz Koch, Springer Ed., 1999.
“Process Analytical Chemistry”, Edited by F. McLennan and B.R. Kowalsky, 1st Edition, 1995.
Articoli scientifici, presentazioni oggetto di seminari (a discrezione dello speaker), e altro materiale didattico indispensabile per la preparazione della prova sommativa, o utile per eventuali approfondimenti della materia, sono caricati sulla piattaforma Elly, o comunque esplicitamente indicati nelle slide proiettate a lezione e caricate su Elly.
Metodi didattici
Le attività didattiche saranno condotte mediante lezioni frontali in presenza; qualora l’emergenza sanitaria COVID-19 dovesse perdurare sarà prevista l’erogazione delle lezioni anche in modalità a distanza. Le lezioni sono coadiuvate da esempi concreti e studio di casi significativi di applicazioni della chimica analitica di processo presi dalla più recente letteratura scientifica. Al fine di dare un maggiore riscontro applicativo alle tecniche analitiche e agli approcci trattati all’interno dei principali settori industriali, saranno inoltre organizzati seminari tenuti da esperti appartenenti al mondo industriale ed eventualmente una visita didattica ad una azienda attiva nell’ambito della chimica analitica di processo. Le slide utilizzate a supporto delle lezioni verranno caricate regolarmente sulla piattaforma Elly.
Le slide vengono considerate parte integrante del materiale didattico. Si ricorda agli studenti non frequentanti di controllare il materiale didattico disponibile e le indicazioni fornite dal docente tramite la piattaforma Elly.
Modalità verifica apprendimento
La valutazione sommativa degli apprendimenti sarà effettuata tramite un esame orale finale in presenza; qualora a causa del perdurare dell’emergenza sanitaria COVID-19 fosse necessario integrare con la modalità a distanza per lo svolgimento degli esami di profitto si procederà con una interrogazione orale a distanza via Teams.
Si tratta di un colloquio libero di circa 40 min durante il quale lo studente dovrà dimostrare di aver compreso i concetti fondamentali di ogni argomento trattato, di riuscire a discutere in modo critico e in un’ottica applicativa le tematiche affrontate e di possedere una opportuna padronanza del linguaggio scientifico; il voto verrà comunicato immediatamente al termine della prova stessa e sarà richiesta una firma da parte dello studente per l’accettazione del voto.
Altre informazioni
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Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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