Innovazione di processo nella produzione di chelati per usi agricoli

L’azienda

Fertenia SrL è una giovane e dinamica azienda leader nella produzione e commercializzazione di specialità fertilizzanti.

Il plesso produttivo è situato in via Luca Giordano 12, nel cuore della zona industriale di Bellizzi in provincia di Salerno, ma l’azienda può vantare diverse sedi in Italia e nel mondo.

L’attenzione verso la ricerca e lo sviluppo ha portato alla nascita dei primi fitofortificanti – induttori di resistenza e i biopromotori naturali e tramite la collaborazione con Università e Centri di Ricerca è alla costante ricerca di soluzioni innovative e nuove formulazioni da utilizzare nel comparto agricolo.

Il progetto

La collaborazione tra Fertenia SrL e GruppoTPP nasce dall’esigenza aziendale di studiare il processo produttivo del ferro chelato come EDDHA/Fe, la formulazione più utilizzata in campo agricolo per la cura della clorosi ferrica, una delle più importanti e diffuse malattie delle piante che intacca la qualità e la quantità dei raccolti.

L’esigenza sorge dalla volontà di investigare le possibilità per la messa a punto di un processo produttivo innovativo ed ottimizzato per la messa in commercio di un prodotto dalle migliori qualità curative e competitivo anche dal punto di vista economico. Da qui lo sviluppo di un piano di attività scientifiche che ha portato alla realizzazione di un percorso che permesso di industrializzare il processo sviluppato in laboratorio.

La sinergia tra azienda e GruppoTPP è cominciata nel 2010 ed il lavoro è stato articolato in quattro fasi, caratterizzate da quattro diversi contratti di ricerca e/o consulenza:

Fase I)  studio e ottimizzazione di un processo per la sintesi di o,o-EDDHA/Fe³⁺ e o,p-EDDHA/Fe³⁺ (2010);

Fase II) realizzazione e collaudo di un impianto per la produzione di chelati per agricoltura su scala pre-pilota (2011);

Fase III) scale-up di un processo da una scala pre-pilota ad una scala industriale nell’ottica dell’intensificazione di processo, identificazione delle migliori tecnologie da utilizzare, dimensionamento delle apparecchiature, dei serbatoi e del piping ed affiancamento dei tecnici dell’azienda costruttrice dell’impianto industriale nella stesura dell’ingegneria (2014);

Fase IV) attività di ricerca e di affiancamento per la realizzazione, per l’avviamento e per la gestione, compresa la ricerca delle condizioni operative ottimali, di un impianto industriale per la produzione di chelati per applicazioni agronomiche (triennio 2015-2017).

La lungimiranza e gli investimenti messi in campo dall’azienda Fertenia SrL hanno permesso che la proficua collaborazione con il GruppoTPP trovasse il proprio compimento nella realizzazione di un impianto su scala industriale per la produzione di micronutrienti a base di ferro, la cui gestione, per i primi due anni esercizio, è stata affidata proprio al GruppoTPP.

Descrizione della ricerca

Il ferro è uno dei microelementi più importanti per la vita della pianta in quanto è un costituente della clorofilla e partecipa, come catalizzatore, in alcune fondamentali reazioni metaboliche. La sua biodisponibilità è legata allo stato di ossidazione del ferro presente nel terreno e diversi sono i fattori in grado di renderlo indisponibile (caratteristiche e pH del terreno, fenomeni di dilavamento, presenza di metalli antagonisti). La carenza di ferro nella pianta provoca la diminuzione del contenuto di clorofilla che si manifesta attraverso un progressivo ingiallimento della pianta, fino alla morte. Diverse terapie sono state messe in campo per la cura della clorosi ferrica ma la più efficace è risultata la fertilizzazione con agenti chelanti ed in particolare il trattamento tramite EDDHA ferrico. Il mercato dei micronutrienti è valso 2 miliardi di dollari nel 2012 ed è prevista una crescita fino a 6 miliardi nel 2018; questo rende chiaro il motivo dell’interesse aziendale verso lo sviluppo di un processo innovativo ed ottimizzato per la produzione di EDDHA/Fe³⁺.

La prima fase del progetto di ricerca, in accordo a quanto scritto in precedenza, è stata fondamentale per lo studio del processo di sintesi dell’o,o-EDDHA/Fe³⁺. Infatti dopo una accurata operazione di ricerca bibliografica, che ha permesso di prendere piena conoscenza dei processi produttivi sviluppati e di quelli applicati nelle correnti pratiche industriali, è stata condotta un’ampia campagna sperimentale su scala di laboratorio, durante la quale sono stati riprodotti i processi produttivi utilizzati su scala industriale. Questa parte della ricerca è stata essenziale per la piena comprensione dei parametri di processo su cui agire per la messa a punto di un processo produttivo ottimizzato ed ha permesso, inoltre, la messa a punto di una metodica sperimentale fondamentale per l’analisi dell’evoluzione della reazione che ha concesso una fondamentale ottimizzazione dei tempi di processo. Nella prima fase della ricerca, inoltre, sono state testate diverse condizioni di processo necessarie al raggiungimento dell’obiettivo.

Durante la seconda fase del progetto, il gruppo di ricerca si è focalizzato alla progettazione ed alla realizzazione di un impianto su scala pre-pilota per la produzione di chelati di ferro, progettando e realizzando anche tutta la parte software necessaria alla gestione del processo. In questa fase, inoltre, si è proceduto allo scale-up delle condizioni di processo analizzate durante la fase I del progetto di ricerca ed al testing di nuovi protocolli di reazione al fine di minimizzare l’utilizzo dei solventi organici coinvolti nel processo e di massimizzare le rese del processo. In questa fase è stata posto l’accento anche sulla riduzione dell’impatto ambientali di questa produzione, sostituendo le sostanze pericolose coinvolte nel processo e riducendo l’utilizzo dei solventi organici.

La terza fase del progetto di ricerca, è stata quella dello scale-up del processo sviluppato dalla scala pre-pilota alla scala industriale. Durante questa fase, anche in accordo alle esigenze aziendali, sono state individuate le migliori tecnologie per la realizzazione del processo in accordo alle produttività desiderate e sono stati eseguiti i dimensionamenti delle apparecchiature e dei serbatoi. In questa fase, inoltre, l’azienda deputata alla realizzazione dell’impianto è stata fortemente affiancata per lo sviluppo dell’ingegneria di dettaglio e per la scelta delle soluzioni tecniche da porre in essere per garantire la corretta esecuzione del processo messo a punto.

La quarta fase del progetto, iniziata nel 2015 con la costruzione dell’impianto, ha visto una importante opera di affiancamento, da parte del GruppoTPP all’azienda incaricata di costruire l’impianto, nella risoluzione delle problematiche tecniche legate alla realizzazione dell’impianto. Inoltre, il GruppoTPP ha collaborato attivamente anche all’analisi dei rischi associati alla produzione dei chelati di ferro, proponendo soluzioni innovative ed efficaci per la minimizzazione dei rischi.

La seconda parte della fase IV, dal 2016 al 2017, è legata all’avviamento ed alla gestione dell’impianto industriale per la produzione di chelati di ferro per usi agricoli. Durante questo biennio sarà necessario riprodurre le condizioni di processo messe a punto durante la fase II e mettere i punto i protocolli necessari a garantire la produzione industriale di progetto, ottimizzando le condizioni di processo al fine di massimizzarne i risultati.

Personale ricercatore coinvolto nella ricerca

Prof. Ing. Gaetano Lamberti – responsabile scientifico (UNISA-DIIn)

Ing. Pietro Apicella – dottorando di ricerca

Ing. Sara Cascone, PhD – consulente tecnico

Ing. Felice De Santis,PhD – consulente tecnico

Tesi di Laurea

• Donata Marialuisa Santoro, Produzione su scala pilota di chelati di ferro per l’agricoltura, Laurea Triennale in Ingegneria Chimica, matr. 0610200311 , 11/09/2013, Relatori: Prof. Ing. Gaetano Lamberti, Correlatore: Ing. Pietro Apicella;
• Anna Garamella, Progettazione e realizzazione di un impianto su scala di laboratorio per la produzione di chelati per l’agricoltura, Laurea Specialistica in Ingegneria Chimica, matr. 0620200111, 12/11/2012, Relatore: Prof. Ing. Gaetano Lamberti, Correlatori: Sara Cascone, Felice De Santis;
• Marco Gigantino, Studio e ottimizzazione di un processo di produzione di chelati per l’agricoltura, Laurea in Ingegneria Chimica, matr. 0610200295, 27/4/2012, Relatore: Prof. Ing. Gaetano Lamberti, Correlatore: Sara Cascone.

La divulgazione

@article{Apicella2016,

title = {Iron Chelates: Production Processes and Reaction Evolution Analysis},

author = {Pietro Apicella and Sara Cascone and Felice De Santis and Gaetano Lamberti },

url = {http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/00986445.2015.1114476?journalCode=gcec20},

doi = {10.1080/00986445.2015.1114476},

year  = {2016},

date = {2016-01-16},

journal = {Chemical Engineering Communications},

abstract = {Nowadays, fertilization using synthetic chelates is the most common technique to solve the iron chlorosis, a disease which affects the plants growth. The ethylenediamine-N,N’-bis(o-hydroxyphenyl) acetic acid (EDDHA) is among the most efficient iron chelating agents. To produce EDDHA, a reaction has been performed using as reactants: phenol, ethylenediamine, glyoxylic acid, and sodium hydroxide. To study the reaction kinetics, samples have been withdrawn from the reactor during the reaction and the kinetics has been quantified, evaluating the yield evolution during the reaction phase. This study has been useful to optimize the reaction time. Then, a catalyst has been added to the reaction mixture, to analyze its effect on the reaction evolution. Comparing the reaction evolution of the non-catalyzed and the catalyzed reaction protocols, two main results have to be highlighted: the time to reach the final yield is lower than the one proposed in literature and the used catalyst has a minimum effect on the reaction rate.},

keywords = {},

pubstate = {published},

tppubtype = {article}

}

@article{Cascone2015,

title = {Optimization of Chelates Production Process for Agricultural Administration of Inorganic Micronutrients},

author = { Sara Cascone and Pietro Apicella and Diego Caccavo and Gaetano Lamberti and Anna Angela Barba},

url = {http://www.aidic.it/cet/15/44/037.pdf},

doi = {10.3303/CET1544037},

year  = {2015},

date = {2015-01-01},

journal = {Chemical Engineering Transaction},

volume = {44},

pages = {217--222},

abstract = {The iron chlorosis is one of the most diffused plant disease, which affects their growth and reduces the yield of harvests. This disease is caused by the iron deficiency and it is highlighted by the progressive yellowing of plants due to the reduction of chlorophyll production. The most efficient and diffused therapy against the iron chlorosis is the use of chelating agents and, among them, the o,o-EDDHA/Fe3+, the most stable isomer of EDDHA, is the most used due to its capacity to guarantee a prolonged treatment. The aim of this work is to develop a production process environment friendly, based on the recovering and recycling of organic solvents to minimize the waste produced. The feed organic solvents ratio has been varied evaluating the synthesis yield and the percentage of o,o-EDDHA/Fe3+ produced to identify the best feeding conditions. Several products have been then tested on lettuce plants to determine their usability.},

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pubstate = {published},

tppubtype = {article}

}

@inproceedings{p.2014,

title = {Optimization of chelating agents production process for agricultural administration of inorganic micronutrients},

author = { Pietro Apicella and Sara Cascone and Gaetano Lamberti},

year  = {2014},

date = {2014-08-01},

booktitle = {Proceedings of CHISA 2014},

pages = {3--3},

publisher = {CHISA 2014},

address = {Prague, Czech Republic},

keywords = {},

pubstate = {published},

tppubtype = {inproceedings}

}