IT201600095611A1 - Materiale per la riduzione del contenuto di sostanze inquinanti e/o indesiderate, particolarmente in acqua e altri fluidi - Google Patents

Description

“MATERIALE PER LA RIDUZIONE DEL CONTENUTO DI SOSTANZE INQUINANTI E/O INDESIDERATE, PARTICOLARMENTE IN ACQUA E ALTRI FLUIDI”.

CAMPO TECNICO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione riguarda un materiale per la riduzione del contenuto di sostanze inquinanti e/o indesiderate, particolarmente in acqua e altri fluidi.

STATO DELLA TECNICA ANTERIORE

Oggigiorno, come è noto, le acque di corsi d’acqua naturali e artificiali, laghi, fiumi, mari e falde acquifere sotterranee vengono impiegate in varia misura nell’industria. Inoltre, l’acqua già purificata per il consumo umano contiene comunque una elevata quantità di sali che possono provocare delle disfunzioni agli apparecchi nei quali viene utilizzata.

Per consentire tale impiego, l’acqua deve essere trattata e/o purificata, in quanto contiene, oltre ai suoi naturali componenti, anche quantità variabili di impurità. Tali impurità sono costituite più frequentemente da sostanze sospese quali sabbie, argille, detriti organici, sali inorganici che rendono l’acqua torbida ed opalescente, oltre a sostanze disciolte come sostanze organiche e sali minerali, oppure anche gas disciolti.

In particolare, i sali alcalino-terrosi (di calcio e magnesio) sono tra i maggiori responsabili della durezza dell’acqua, intesa appunto come contenuto di ioni di calcio e magnesio, sotto forma di sali fosfati, cloruri, nitrati, carbonati o idrogenocarbonati.

Spesso perciò le acque primarie, a causa delle impurità sopra citate, vengono sottoposte a trattamenti di diversa natura – ad esempio meccanica, fisica o chimica – atti a renderle rispondenti ai requisiti richiesti dagli impieghi cui sono destinate.

Per esempio, uno degli impieghi più diffusi è quello che prevede di trasformare le acque primarie in acqua potabile, avente quindi un grado di purezza tale da renderla idonea al normale consumo domestico, utilizzo in elettrodomestici, o per usi industriali.

Il processo di potabilizzazione, quindi, viene applicato a monte delle reti di adduzione idrica facendo passare le acque attraverso svariate tipologie impiantistiche di rimozione del materiale organico ed inorganico, tramite metodi fisici chimico-fisici e biologici in base al tipo di sostanza da eliminare dal liquido in ingresso all’impianto.

Infine, a valle dei processi di potabilizzazione vengono impiegati impianti noti come “cloratori”, ovvero pompe dosatrici di cloro che hanno l’importante funzione di rendere igienicamente sicura l’acqua immessa in distribuzione.

Le sostanze che sono rimosse durante l’applicazione del procedimento sopra descritto comprendono anche parassiti, alcuni metalli ed alcune sostanze inquinanti prodotte dall’uomo, nonché altre sostanze (sali di sodio, calcio magnesio, ferro, alluminio e manganese) che, seppur non inquinanti, determinano un peggioramento qualitativo dell’acqua stessa, ad esempio in termini di colore, trasparenza, ma anche dal punto di vista organolettico.

Tra le sostanze indesiderate (per esempio, appunto, tra quelle che possono essere contenute nell’acqua potabile), rivestono un ruolo fondamentale i carbonati e idrogenocarbonati di calcio, magnesio e sodio ovvero i sali inorganici di calcio e magnesio.

Come noto, la presenza nell’acqua dei carbonati di calcio e magnesio, nonché dei sali di idrogenocarbonati, determina frequentemente il deposito in forma solida di residui, di norma definiti come calcare, che costituiscono un problema che oggigiorno risulta quanto mai sentito in diversi settori applicativi.

Più in dettaglio, l’acqua che percorre le tubazioni delle reti idriche e che è quindi destinata ad essere utilizzata per i più svariati scopi, tra cui quello alimentare oppure per il funzionamento di elettrodomestici, contiene in varie concentrazioni ioni metallici quali lo ione calcio, sodio, lo ione magnesio e/o lo ione ferroso.

Questi ioni sono generalmente presenti in soluzione nell’acqua, in quantità variabili, sotto forma di solfati, cloruri, nitrati, carbonati o idrogenocarbonati; in particolari condizioni ambientali, però, essi possono precipitare e, nel caso dei carbonati di calcio e magnesio, ma anche di altri sali minerali comunque insolubili, formare appunto incrostazioni di calcare.

All’aumentare quindi della durezza dell’acqua, o di un eventuale altro fluido, determinata appunto dalla concentrazione di ioni di calcio, sodio e magnesio, sotto forma di sali fosfati, cloruri, nitrati, carbonati o idrogenocarbonati, cresce il rischio che le superfici lambite dalla stessa vengano progressivamente interessate dalla formazione di depositi di calcare di dimensioni sempre più rilevanti.

Le incrostazioni che si formano, quindi, sugli oggetti quali ad esempio le pareti delle tubature, delle resistenze elettriche, degli scambiatori, e simili, di elettrodomestici, caldaie, etc., determinano perdite di carico molto elevate, con conseguenti riduzioni dell’efficienza, dell’affidabilità, e danni economici anche ingenti. Tali incrostazioni inoltre pregiudicano il corretto funzionamento delle resistenze elettriche e degli scambiatori, in quanto determinano una maggiore necessità energetica per il raggiungimento delle temperature richieste.

Inoltre, la riduzione della luce di passaggio nelle tubature, provocata dal calcare, può causare ingorghi e guasti permanenti alle strutture e/o apparecchiature coinvolte.

Allo scopo di ridurre il tenore della durezza dell’acqua, e di evitare gli spiacevoli inconvenienti dovuti alla formazione di calcare, sono state proposte, nel tempo, diverse soluzioni tra cui l’installazione di apparecchi che operano sulle acque con trattamenti fisici e/o chimici.

Tra questi impianti, vi sono ad esempio gli addolcitori a scambio ionico, dispositivi che utilizzano delle resine, cioè delle sostanze organiche prodotte artificialmente che hanno la peculiarità di avere un gruppo funzionale mobile, in grado di scambiare ioni tra la resina stessa e quelli disciolti nell’acqua.

Questo sistema è piuttosto efficace ma presenta diversi problemi, tra i quali fenomeni corrosivi che possono provocare la rottura di tubazioni, caldaie e radiatori; altri problemi sono legati al mantenimento delle resine stesse, che devono essere trattate periodicamente con battericidi e necessitano di rigenerazione con sostanze che, specie in ambito industriale, provocano un aumento del carico inquinante delle acque di fognatura.

Inoltre, le suddette resine hanno una durata limitata, estremamente legata alla quantità di sostanze indesiderate presenti nell’acqua.

Questa durata limitata e l’impossibilità, in alcuni casi, di poter riutilizzare i materiali, richiedono un frequenza di sostituzione elevata, con conseguente ingente impatto ambientale e di costi.

Un altro trattamento chimico che è possibile realizzare è quello con polifosfati, e che prevede il ricorso a fosfati per formare, assieme al carbonato di calcio, un’unica macromolecola stabile.

Poiché i polifosfati sono tossici, così come anche alcuni prodotti di scarto ottenuti con tale trattamento, questo metodo viene generalmente applicato al solo trattamento delle acque destinate al consumo tecnico e, inoltre, presenta problemi legati principalmente alla difficoltà di ottenere il corretto dosaggio dei polifosfati. Inoltre, giova rilevare come i due processi sopra descritti, mediante scambio ionico e mediante polifosfati, a causa del rilevante potenziale di inquinamento di tipo chimico dovrebbero avere, per legge, a monte dell’impianto una valvola di non ritorno per evitare possibili inquinamenti della rete idrica urbana in caso di abbassamento di pressione, determinando quindi ulteriori costi e complicazioni strutturali.

Un altro metodo noto per prevenire la formazione di calcare è l’elettrodialisi, il quale però è contraddistinto da costi molto elevati, sia di impianto che di manutenzione, ed è quindi utilizzato nei soli impianti industriali.

Proprio alla luce delle difficoltà sopra evidenziate, in merito alla rimozione delle sostanze inquinanti e soprattutto del calcare, si osserva come di frequente l’acqua resa disponibile attraverso la rete idrica ai privati presenti un contenuto di sostanze indesiderate ancora superiore a quello consentito dalle normative per l’impiego alimentare: infatti, l’acqua erogata dai rubinetti risulta eccessivamente ricca di sostanze inquinanti, o quantomeno tali da conferire un sapore sgradevole. Questo inevitabilmente impone ai cittadini il ricorso ad acque minerali, che spesso vengono così preferite a quella del rubinetto, con conseguenze dannose sull’ambiente.

Infatti, ciò determina un aumento della produzione e dell’utilizzo di bottiglie di plastica monouso e quindi un incremento del consumo di petrolio per fabbricarle, delle conseguenti emissioni atmosferiche inquinanti (sia dagli impianti di estrazione e raffinazione che dai veicoli per trasportarle), ed infine degli imballaggi da smaltire nelle discariche.

Inoltre, la necessità di acquistare acqua minerale comporta per il consumatore un significativo esborso economico, sia dovuto all’acquisto dell’acqua stessa, che in relazione ad una serie di costi collaterali: si deve aggiungere infatti il costo del carburante per lo spostamento in auto per raggiungere il luogo di vendita, oltre ai costi in tempo per il trasporto di pesanti confezioni di quattro o sei bottiglie, la loro sistemazione a casa ed il conseguente riciclaggio delle bottiglie in plastica. Vi sono anche costi indiretti, che finiscono per pesare sul consumatore, e che sono legati soprattutto agli innumerevoli viaggi degli automezzi che percorrono centinaia di chilometri, per trasportare le bottiglie vuote dalle industrie chimiche che le producono, alle aziende che imbottigliano acqua minerale (con conseguente aumento di inquinamento e traffico).

SCOPI DELL’INVENZIONE

Il compito tecnico della presente invenzione è quello di migliorare lo stato della tecnica.

Nell’ambito di tale compito tecnico, costituisce uno scopo della presente invenzione risolvere i problemi sopra esposti, realizzando un materiale in grado di ridurre il contenuto di sostanze indesiderate, nell’acqua ed in altri fluidi.

Un altro scopo della presente invenzione è quello di realizzare un materiale in grado di ridurre la durezza dell’acqua, definita dalla concentrazione di ioni di calcio, sodio e magnesio sotto forma di sali solfati, cloruri, nitrati, carbonati o idrogenocarbonati.

Ancora uno scopo della presente invenzione è quello di mettere a punto un materiale in grado di ridurre la durezza dell’acqua, e nel contempo di purificare l’acqua stessa da sostanze organiche e/o batteri e/o virus e/o endotossine.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è realizzare un materiale che consenta di sopperire alla richiesta di beni di consumo, come ad esempio acqua minerale in bottiglia e acqua distillata per elettrodomestici.

Un altro scopo della presente invenzione è quello di mettere a punto un materiale che consenta di ridurre il contenuto di idrogenocarbonato e carbonato, e simili composti inorganici, con un limitato impatto ambientale, ed evitando lo scarico di sostanze inquinanti nelle fogne e nell’ambiente in genere.

Un altro scopo ancora della presente invenzione è quello di rendere disponibile un materiale che assicuri un’elevata affidabilità di funzionamento e una durata superiore di almeno il 10% rispetto ad analoghi materiali oggi presenti sul mercato, a parità di specifiche dell’acqua ed a parità delle modalità operative, tra le quali ad esempio, tempo di contatto e quantità di materiale impiegato.

Non ultimo scopo della presente invenzione è quello di realizzare un materiale che risulti facilmente ottenibile a partire da elementi e materiali di comune reperibilità sul mercato.

Tale compito e tali scopi sono tutti raggiunti da un materiale per la riduzione del contenuto di sostanze inquinanti e/o indesiderate, particolarmente in acqua e altri fluidi secondo la allegata rivendicazione 1.

Il materiale per la riduzione del contenuto di sostanze inquinanti e/o indesiderate, particolarmente in acqua e altri fluidi, secondo l’invenzione comprende almeno una base polimerica e/o inorganica avente almeno una superficie, alla quale è legato almeno un catalizzatore della reazione di degradazione di sali inorganici in sostanze gassose, detto catalizzatore, preposto alla riduzione dell’energia richiesta per l’attivazione di detta reazione e all’accelerazione del suo decorso, essendo un enzima preferibilmente scelto fra il gruppo delle liasi, il gruppo delle idrolasi ed il gruppo delle ossidoriduttasi.

Più in particolare, in una forma di attuazione dell’invenzione la base polimerica e/o inorganica è realizzata in poliammide.

In una forma di attuazione dell’invenzione, l’enzima è scelto nel gruppo delle anidrasi carboniche.

Forma oggetto dell’invenzione anche un kit per la riduzione del contenuto di sostanze inquinanti e/o indesiderate in acqua e altri fluidi, caratterizzato dal fatto che comprende almeno un involucro permeabile all’acqua ed alle sostanze indesiderate in essa disciolte, destinata ad essere immersa nel contenitore del liquido da trattare.

All’interno di detto involucro è contenuto almeno un corpo comprendente almeno una porzione realizzata con il materiale secondo l’invenzione.

Le rivendicazioni dipendenti si riferiscono a vantaggiose forme di attuazione dell’invenzione.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Questi ed ulteriori vantaggi saranno meglio compresi da ogni tecnico del ramo dalla descrizione che segue e dagli annessi disegni, dati quale esempio non limitativo, nei quali:

la figura 1 è una rappresentazione schematica di un kit per la riduzione di sostanze inquinanti da immergere nel contenitore del liquido da trattare, comprendente il materiale secondo la presente invenzione;

la figura 2 è un grafico, relativo ad un test effettuato, che mostra l’andamento della riduzione percentuale di una sostanza indesiderata (sali carbonati e idrogenocarbonati), in funzione del tempo, in un volume di liquido trattato con il materiale secondo la presente invenzione;

la figura 3 è un istogramma che evidenzia la riduzione percentuale di sostanza indesiderata (sali carbonati e idrogenocarbonati) in funzione del tempo, nel test di figura 2;

la figura 4 è un grafico relativo ad un test comparativo di riduzione di sostanze indesiderate, in cui sono messi a confronto i risultati ottenuti con il materiale secondo la presente invenzione e con una resina a scambio ionico.

FORME DI ATTUAZIONE DELL’INVENZIONE

Costituisce applicazione preferita, ma non esclusiva, l’impiego del materiale secondo l’invenzione per il trattamento di corpi idrici, intesi come masse d’acqua che presentano proprie caratteristiche idrologiche, chimiche, fisiche e biologiche. Si intendono quindi, con la definizione di corpi idrici, i corsi d’acqua naturali ed artificiali, i laghi, i fiumi, i mari e le falde acquifere sotterranee.

Ancor più specificamente, il materiale secondo l’invenzione potrà essere efficacemente impiegato per ridurre il contenuto di sostanze inquinanti, o comunque indesiderate, nelle acque dei corpi idrici sopra elencati, in vista di un loro impiego in vari settori dell’industria e/o prima della loro immissione nelle reti idriche destinate ad utenze private o industriali (o comunque prima che giungano a tali utenze).

È inoltre un’applicazione preferita, ma non esclusiva, del materiale secondo l’invenzione quella in ambito domestico per l’impiego di acqua nei sanitari, negli elettrodomestici e per il consumo umano e animale.

Le sostanze inquinanti e/o indesiderate sulle quali il materiale secondo l’invenzione può agire sono preferibilmente, ma non esclusivamente, costituite da composti inorganici comprendenti sali ossidi con formula generica del tipo MW(XOZ)Y.

Nella suddetta formula, M può essere uno ione metallico, per esempio lo ione calcio, Ca2+, lo ione magnesio Mg2+, e lo ione ferroso Fe2+, e/o un’entità cationica. Sempre con riferimento alla suddetta formula, X può essere un elemento preferibilmente scelto tra carbonio, azoto, zolfo, ossigeno, fosforo, boro, cloro, fluoro, bromo, iodio e idrogeno.

Infine, nella suddetta formula W,Y e Z sono cariche tali da conferire al sale una carica neutra o bilanciata.

A titolo di esempio, quindi, i composti inorganici sui quali può agire il materiale secondo la presente invenzione possono essere sali inorganici del tipo dei sali carbonati, idrogenocarbonati, solfati, nitrati di magnesio, calcio, stronzio, oppure possono essere sali inorganici di cloro, sodio, magnesio, zolfo, calcio, potassio, bromo, carbonio, stronzio, boro, silicio, fluoro, argo, azoto e/o una miscela di tali composti.

Più in dettaglio, con particolare riferimento ad una forma di attuazione preferita dell’invenzione, i suddetti composti inorganici possono essere costituiti da carbonati di calcio e/o magnesio, idrogenocarbonati di sodio, calcio e magnesio in grado, fra l’altro, di precipitare e formare depositi, incrostazioni, fino a costituire strati di materiale noto come calcare.

Si precisa comunque che l’impiego del materiale secondo l’invenzione può essere previsto anche in settori applicativi diversi da quelli descritti e/o anche per il trattamento di diversi fluidi, rientrando comunque nell’ambito di protezione qui rivendicato, qualora le specifiche esigenze lo rendano possibile o preferibile.

Secondo un aspetto della presente invenzione il materiale per la riduzione del contenuto di sostanze inquinanti comprende almeno una base polimerica.

Tale base polimerica e/o inorganica comprende almeno una superficie.

Secondo un altro aspetto dell’invenzione, almeno la superficie della suddetta base polimerica e/o inorganica supporta almeno un catalizzatore.

In particolare, in una forma di attuazione dell’invenzione il suddetto catalizzatore è un catalizzatore della reazione di degradazione di sali inorganici in sostanze gassose.

Ad esempio, in una forma di attuazione dell’invenzione la suddetta reazione può essere la reazione di decarbossilazione e agire per la conversione di sali inorganici in anidride carbonica (e acqua) secondo la reazione sotto indicata:

HCO3<->+ H<+>→ H2O CO2

Qualunque sia la specifica reazione che avviene sulla superficie della suddetta base polimerica, il catalizzatore è idoneo alla riduzione dell’energia richiesta per l’attivazione della stessa, ed è in grado inoltre di accelerarne il decorso (permettendo quindi di far avvenire la reazione stessa in condizioni più blande e in minor tempo).

Secondo un altro aspetto della presente invenzione, il suddetto catalizzatore è un enzima preferibilmente scelto tra il gruppo delle liasi, il gruppo delle idrolasi ed il gruppo delle ossidoriduttasi.

Qualunque sia l’enzima scelto, grazie a quest’ultimo è possibile ottenere quindi la conversione di varie sostanze inquinanti e/o indesiderate, contenenti appunto sali inorganici, in sostanze gassose ed acqua.

Più in particolare, secondo una forma di attuazione preferita, ma non esclusiva, dell’invenzione, il suddetto catalizzatore è un enzima scelto nel gruppo delle liasi. Ancor più particolarmente, in una forma di attuazione dell’invenzione di particolare interesse pratico, tale enzima, del gruppo delle liasi, è scelto nel sottogruppo delle anidrasi carboniche.

L’efficienza catalitica di un enzima, detta anche numero di turnover, viene definita come il numero di molecole di substrato elaborate da una molecola di enzima nell’unità di tempo.

Il numero di turnover per l’anidrasi carbonica è uno tra i più elevati che si conosca, circa 10<5>-10<6>molecole processate al secondo.

L’adozione di tale enzima nel materiale secondo l’invenzione risulta quindi di particolare interesse per gli obiettivi della presente invenzione.

Il materiale secondo la presente invenzione comprende il suddetto enzima in una concentrazione preferibilmente compresa tra lo 0,0001% ed il 30%, e ancor più preferibilmente in una concentrazione compresa fra 0,005% ed 1%, laddove tutte le percentuali sono riferite al peso complessivo (come peraltro verrà meglio specificato in seguito).

La base polimerica e/o inorganica del materiale secondo la presente invenzione, in grado di trattenere in maniera fisica e/o chimica il catalizzatore, può essere realizzata in un materiale scelto tra polisulfone, acetato di cellulosa, acetobuttirato di cellulosa, nitrato di cellulosa, propinato di cellulosa, epossidi, poliammidi, poliammidiimidi, poliacrilonitrile, polibutene, polibutilentereftalato, policarbonato, policlorotrifluoroetilene, polidiallilftalato, polietilene, polietilene clorurato, polieterimmide, polieterochetone, polieteroterchetone, polieterosolfoni, polietilentereftalato, poliimmide, poliisolbutilene, polimetacrilimmide, polimetilmetacrilato, poli-4-metilpentene-1, poliacetale, poliformaldeide, poliossimetilene, polipropilene, polifeniletere, polifenilenossido, polifenilensolfuro, polistirene, politiofene, politetrafluoroetilene, poliuretano, polivinilcloruro, polivinildencloruro, polivinilcloruro clorurato, polivinildenfluoruro, polivinilfluoruro, cellulosa rigenerata, siliconi, polidimetilsilossano, ABS.

In una forma di attuazione dell’invenzione di particolare interesse pratico, citata a scopo illustrativo dell’invenzione, ma non limitativo, la base polimerica e/o inorganica – in grado di trattenere in maniera fisica e/o chimica il catalizzatore – comprende una pluralità di fibre sintetiche, le quali sono preferibilmente scelte tra le fibre polisulfoniche, le fibre acriliche, le fibre poliammidiche, le fibre polietileniche, le fibre polipropileniche, le fibre poliestere, le fibre poliuretaniche, le fibre cloroviniliche, le fibre cellulosiche e le fluorofibre, oppure sostanze inorganiche quali resine, carbone attivo, o sostanze di derivazione naturale, quali a titolo di esempio chitine, cellulose etc.

La base polimerica e/o inorganica può essere composta da una combinazione dei materiali sopra elencati.

La base polimerica e/o inorganica del materiale secondo la presente invenzione può presentare, in almeno una sua porzione, una conformazione sostanzialmente reticolare, in modo tale da definire una pluralità di cavità, di dimensioni preferibilmente, ma non esclusivamente, comprese tra 1 nm e 20 nm.

Tali cavità hanno la peculiarità di avere un cutoff preferibilmente inferiore o uguale a 300 KDa.

Le suddette cavità possono essere attraversate dall’acqua e/o dagli altri fluidi da trattare, al fine di sottoporli all’azione del catalizzatore, associato alla sopra citata porzione a conformazione sostanzialmente reticolare della base polimerica.

Secondo una forma di attuazione dell’invenzione, di particolare interesse pratico, la base polimerica e/o inorganica del materiale è realizzata in poliammide.

In una forma di attuazione dell’invenzione, il catalizzatore è legato alla superficie della base polimerica e/o inorganica in modo covalente.

In un’altra forma di attuazione dell’invenzione, il catalizzatore è legato alla superficie della base polimerica e/o inorganica in maniera reticolare.

Il legame chimico tra la superficie della base polimerica e/o inorganica ed il catalizzatore è del tipo legame forte.

Questa tipologia di legame permette di ottenere l’immobilizzazione del catalizzatore alla base polimerica e/o inorganica in maniera stabile, e tale stabilità si evidenzia con la durata prolungata dell’efficacia e dell’attività del catalizzatore stesso.

Tale prolungata durata si manifesta, rispetto ad altre soluzioni tecniche note, con un incremento della capacità di ridurre le sostanze indesiderate nel fluido trattato superiore al 10%, in termini di volume di fluido trattato (misurato in litri).

Quando l’acqua di rete, o un altro fluido, vengono a contatto, sia casuale che forzato, con il materiale oggetto della presente invenzione, si ottiene un duplice effetto vantaggioso, cioè la rimozione delle sostanze inorganiche e la purificazione da sostanze organiche e/o batteri e/o virus.

Una fondamentale caratteristica del materiale secondo la presente invenzione è che esso esplica la propria efficacia anche quando è semplicemente posto a contatto con il liquido da trattare, senza cioè che vi sia una circolazione forzata del liquido in modo da lambire la superficie del materiale stesso.

Come detto, in una forma di attuazione dell’invenzione la base cui è legato il catalizzatore può essere inorganica.

Più in dettaglio, si intende con questa definizione una base realizzata in materiali quali resine, sabbie, carbone attivo chitine o altri simili materiali.

In una forma di attuazione di particolare interesse pratico della presente invenzione, illustrata schematicamente nella figura 1, il materiale secondo la presente invenzione è inserito in bustine permeabili all’acqua ed alle sostanze indesiderate. Forma oggetto della presente invenzione anche un kit K comprendente almeno un involucro B permeabile all’acqua ed alle sostanze indesiderate, all’interno della quale è alloggiato almeno un corpo C realizzato nel suddetto materiale.

L’involucro B può essere, ad esempio, una bustina, o simili.

Tale corpo C può essere ad esempio sferiforme, o sostanzialmente sferiforme.

Tale corpo C comprende la suddetta base polimerica.

Oppure, in una forma di attuazione dell’invenzione il corpo C è realizzato interamente con la suddetta base polimerica.

Il suddetto corpo C può avere una qualsiasi altra forma idonea all’applicazione. Il suddetto corpo C può avere dimensioni di alcuni millimetri e/o nanometri.

In una forma di attuazione dell’invenzione, il suddetto corpo C può avere dimensioni comprese tra 0,01 mm e 10 mm.

Con tale dimensione si intende, ad esempio, il diametro medio nel caso in cui il corpo sia sostanzialmente sferiforme, o comunque la dimensione di ingombro massimo.

In una forma di attuazione dell’invenzione di particolare interesse pratico, il kit K comprende un involucro B comprendente una pluralità dei suddetti corpi C.

Ad esempio, possono essere realizzate bustine B contenenti un certo numero di corpi C così da ottenere un kit K avente un peso prefissato (ad esempio, qualche decina di grammi).

Naturalmente, le dimensioni del kit K (e quindi il suo peso) devono essere adeguati alla specifica applicazione.

Un siffatto involucro B può essere inserito nel contenitore dove è presente il liquido da trattare, ed il contatto casuale tra le sostanze indesiderate ed il materiale è tale per cui la riduzione di tali sostanze indesiderate diventa evidente.

Le dimensioni del kit K possono quindi essere determinate, ad esempio, in relazione alla capacità del contenitore che accoglie il liquido da trattare.

Il gas prodotto dalla reazione catalizzata si allontana dal materiale, mentre le sostanze indesiderate (soprattutto i sali inorganici in forma ionica) entrano in contatto, secondo i principi della diffusione ionica e dell’equilibrio del potenziale elettrico nelle soluzioni, con la superficie della base polimerica e/o inorganica del materiale stesso, permettendo a quest’ultimo di proseguire nella sua azione di riduzione del contenuto delle suddette sostanze indesiderate.

Si precisa quindi che le percentuali sopra citate, relative alle concentrazioni preferite di enzima, sono riferite al peso complessivo della base polimerica e/o inorganica (in funzione della specifica forma realizzativa scelta).

Come accennato in precedenza, in una forma di attuazione dell’invenzione l’immobilizzazione del catalizzatore sulla superfice della base polimerica può essere di tipo covalente; il catalizzatore è quindi legato direttamente alla base polimerica stessa.

In un’altra forma di attuazione dell’invenzione, l’immobilizzazione del catalizzatore sulla superficie della base polimerica e/o inorganica può essere di tipo reticolare.

Più in dettaglio, si formano dei legami chimici tra le molecole del catalizzatore, che realizzano, appunto, una reticolazione: tale reticolazione avvolge la base polimerica e/o inorganica in modo molto stabile, rimanendo attivo nei confronti della riduzione delle sostanze indesiderate nelle acque o in altri fluidi.

Nel caso in cui la base polimerica e/o inorganica sia compresa nel corpo C, cioè costituisca almeno una porzione del corpo C, la reticolazione può coinvolgere l’intero corpo C, oppure la porzione dello stesso comprendente la suddetta base polimerica.

Secondo la presente invenzione, più modalità di immobilizzazione del catalizzatore sulla superficie della base polimerica e/o inorganica (tra quelle citate in precedenza, o anche eventualmente altre) possono essere variamente combinate tra loro, senza particolari limitazioni.

Qualunque sia la prescelta modalità di immobilizzazione del catalizzatore sulla superficie della base polimerica e/o inorganica del materiale, il rilascio del catalizzatore nell’ambiente risulta efficacemente contrastato, in modo tale da ridurre o annullare l’accidentale, e sgradita, liberazione di catalizzatore nelle acque o negli altri fluidi trattati.

In un’altra forma di attuazione dell’invenzione, l’involucro B del kit K può essere costituito da almeno un contenitore atto ad essere attraversato dal liquido da trattare.

Più in dettaglio, in questa forma di attuazione dell’invenzione l’involucro B può essere inserito lungo una conduttura in modo che il flusso dell’acqua lo attraversi, e lambisca quindi i corpi C al suo interno contenuti.

Il funzionamento del materiale secondo l’invenzione è dunque il seguente.

Sottoponendo l’acqua, o altro fluido da trattare, al contatto casuale o forzato con il materiale secondo l’invenzione, e quindi con il catalizzatore associato alla superficie della sua base polimerica, è possibile ottenere la conversione dei sali in sostanze gassose non inquinanti (per esempio anidride carbonica) conseguendo di fatto lo scopo prefissato grazie all’azione dell’enzima che, come detto, in alcune forme di attuazione dell’invenzione costituisce il catalizzatore compreso nel materiale stesso.

Come detto, l’enzima è in grado di ridurre la quantità di energia richiesta per l’attivazione della reazione sopra riportata, e quindi di accelerarne il decorso, permettendo così di fare avvenire la reazione stessa in condizioni più blande ed in minor tempo.

Favorendo quindi l’attivazione ed il decorso della reazione, è possibile ottenere in modo pratico ed economico, nel liquido trattato, la conversione di elevate quantità di sostanze inquinanti, o comunque indesiderate: nel caso dell’acqua di rete, in cui tali sostanze indesiderate comprendono sali inorganici del tipo di quelli presentanti la formula generale sopra riportata, viene così garantita, a diversi tipi di utenze, la fornitura di acqua opportunamente trattata.

L’enzima è infatti in grado di convertire tali composti, ad esempio i sali carbonati o i sali idrogenocarbonati, in anidride carbonica, e ciò permette di conseguire lo scopo prefissato di riduzione della concentrazione di sostanze indesiderate e/o inquinanti.

Tale risultato viene, peraltro, ottenuto senza determinare effetti nocivi per l’uomo e/o per l’ambiente: infatti, l’enzima scelto è un elemento biologico totalmente naturale, biocompatibile e biodegradabile, costituito da un’unica molecola proteica naturale.

Come detto, si deve aggiungere che l’efficace immobilizzazione del catalizzatore sulla superficie della base polimerica e/o inorganica impedisce che il catalizzatore stesso venga rilasciato in modo incontrollato nel liquido trattato.

Il materiale secondo l’invenzione, quindi, non rilascia elementi tossici o nocivi per l’uomo e/o per l’ambiente, o quantomeno li rilascia in misura sensibilmente minore rispetto a quanto accade ad altre soluzioni tecniche note allo scopo.

Viene così ridotto il consumo e lo scarico in natura di sostanze dannose per la salute umana ed ambientale, evitando in tal modo fenomeni di inquinamento delle acque di fogna.

Secondo una forma di attuazione dell’invenzione preferita, ma non esclusiva, la realizzazione della base polimerica e/o inorganica comprendente fibre poliammidiche consente di sfruttare appieno le peculiarità di queste ultime, cioè in particolare il fatto di essere costituite da una resina termoplastica amorfa ad elevate prestazioni.

Infatti, la poliammide è un materiale che presenta interessanti proprietà come elevata resistenza al carico, elevata temperatura in uso continuo ed eccellente stabilità dimensionale.

Oltre al basso assorbimento di acqua, la poliammide possiede anche un’elevata resistenza all’idrolisi, che ne permette l’utilizzo affidabile anche in applicazioni a contatto con l’acqua calda.

La poliammide può essere sterilizzata in diversi modi, perciò è idonea al contatto con alimenti ed acqua potabile, e presenta una buona resistenza chimica e biologica (ad esempio, resiste all’attacco di muffe).

Vengono qui di seguito descritti, in dettaglio, due esempi di test di verifica dell’attività del catalizzatore legato alla superficie della base polimerica e/o inorganica del materiale secondo la presente invenzione.

Esempio 1

I test si riferiscono all’attività della base polimerica poliammidica alla quale è legato in modo covalente l’enzima, in particolare un enzima della classe dell’anidrasi carbonica.

Il test ha lo scopo di verificare l’attività di degradazione di tale base polimerica, alla quale è legato in modo covalente l’enzima, verso sali inorganici quali sali carbonati e/o sali bicarbonati disciolti in acqua.

I test hanno previsto 2 fasi successive:

1) immobilizzazione covalente dell’enzima anidrasi carbonica sulla base polimerica poliammidica, e caratterizzazione della resa di immobilizzazione; 2) determinazione della attività di degradazione della base polimerica di cui al punto 1 verso sali carbonati e/o bicarbonati.

Tutti i campioni sono stati analizzati con l’elettrodo sensibile alla CO2, in modo da stabilire l’attività dell’enzima immobilizzato e di quello residuo. Infatti una specificità dell’invenzione è quella della degradazione dei sali carbonati e/o bicarbonati e la loro conseguente trasformazione in CO2.

I saggi di attività sono stati svolti a pH = 7,6 e temperatura ambiente.

L’invenzione, infatti, ha la specificità di privilegiare, in maniera non scontata, la trasformazione di detti sali in CO2, attraverso una particolare attività catalitica dell’anidrasi carbonica.

Fase 1 – Immobilizzazione per introduzione di un legame singolo

1) Aggiungere 100 g di Poliammide (corpi da 3 mm) pretrattato a 784 mL di Sodio Fosfato 100 mM pH 8.

2) Aggiungere 16 mL di glutaraldeide 25% ai 784 mL di Sodio Fosfato (volume finale 800 mL, concentrazione finale della glutaraldeide: 0.5%).

3) Aggiungere il Poliammide e derivatizzare per 1 h a 20 °C.

4) Trasferire il Poliammide trattato e derivatizzato nella soluzione di enzima e lasciare in agitazione per 17 h a 20 °C.

5) Effettuare due lavaggi con 1L di acqua bidistillata.

6) Lasciare ad asciugare il Poliammide sotto cappa per circa 15 h.

Risultati della fase 1

Durante il processo di immobilizzazione sono stati prelevati due campioni di enzima in soluzione: il primo campione rappresenta la soluzione di enzima nel momento iniziale del processo di immobilizzazione, mentre il secondo campione rappresenta la soluzione di enzima residuo al termine dell’immobilizzazione medesima (dopo 17 h). Questa campionatura è stata fatta per ogni esperimento di immobilizzazione; parallelamente, al termine del processo di immobilizzazione è stata conservata un’aliquota del Poliammide contenente l’enzima immobilizzato. I dieci campioni contenenti l’enzima residuo in soluzione sono stati analizzati con il metodo Bradford, per determinarne la concentrazione totale di proteine. Ogni campione è stato analizzato in doppio.

Nel caso dei quattro lotti di Poliammide prodotti mediante immobilizzazione a legame singolo, la concentrazione di enzima iniziale è risultata pari a 3.6 ± 0.3 mg/mL, mentre la concentrazione di enzima residuo al termine del processo di immobilizzazione è risultata pari a 3.2 ± 0.13 mg/mL.

La resa di immobilizzazione stimata in base ai dati di attività è risultata pari al 2.1 ± 1.4 %.

Fase 2 – Test di attività della base polimerica di poliammide al quale è legato in modo covalente l’enzima anidrasi carbonica

Lo scopo di questa sperimentazione è la verifica della - non scontata - attività dell’enzima anidrasi carbonica, qualora immobilizzato su supporto polimerico, nella catalisi della reazione di degradazione di sali carbonati e/o bicarbonati disciolti in acqua.

I test di attività sono stati condotti a temperatura ambiente e a pH inferiore a 9, in quanto questi sono risultai i parametri di funzionamento più efficaci.

Protocollo:

1) Preparare 200 mL di sodio citrato 150 mM pH 5 (1X)

2) Preparare 100 mL di Tris-HCl 400 mM pH 7.6 (2X)

3) Preparare 5 mL di zolfato di zinco 1 mM (1000X)

4) Preparare 10 mL di sodio bicarbonato 50 mM (10X).

5) Determinare la retta di taratura con 0.050, 0.5, e 5 mM di sodio bicarbonato; l’analisi viene effettuata tenendo la soluzione in agitazione e attendendo circa 20 min per raggiungere una concentrazione di anidride carbonica costante.

Soluzioni da preparare:

- Bianco: 30 mL di sodio citrato pH 5.

- Campione 0.05 mM: 30 µL sodio bicarbonato 50 mM 30 mL di Sodio Citrato pH 5.

- Campione 0.5 mM: 300 µL sodio bicarbonato 50 mM 30 mL di Sodio Citrato pH 5.

- Campione 5 mM: 3 mL sodio bicarbonato 50 mM 27 mL di Sodio Citrato pH 5.

6) Analisi del Poliammide contenente anidrasi carbonica immobilizzata:

- 4,5 mL di acqua bidistillata

- 4,5 mL Tris-HCl 400 mM

- 10 μL di zinco solfato 1 mM

- 0.74 mg di Poliammide

- Effettuare una misurazione per 20 s, quindi aggiungere 1 mL di sodio bicarbonato50 mM.

Risultati della fase 2

Tutti i campioni sono stati analizzati con l’elettrodo sensibile alla CO2, in modo da stabilire l’attività dell’enzima immobilizzato e di quello residuo. Nel caso dei campioni immobilizzati mediante legame singolo l’attività media riscontrata nel Poliammide è risultata pari a 37.9 ± 12.40 μg CO2/l.s.

Esempio 2

I test si riferiscono all’attività della base polimerica poliammidica intorno al quale è reticolato l’enzima, in particolare un enzima della classe dell’anidrasi carbonica. Il test ha lo scopo di verificare l’attività enzimatica di tale base polimerica, alla quale è reticolato esternamente l’enzima, verso sali inorganici quali sali carbonati e/o sali bicarbonati disciolti in acqua.

Anche in questo caso, i test hanno previsto 2 fasi successive:

1) immobilizzazione covalente dell’enzima anidrasi carbonica sulla base polimerica poliammidica, e caratterizzazione della resa di immobilizzazione; 2) determinazione della attività di degradazione della base polimerica di cui al punto 1 verso sali carbonati e/o bicarbonati.

Tutti i campioni sono stati analizzati con l’elettrodo sensibile alla CO2, in modo da stabilire l’attività dell’enzima immobilizzato e di quello residuo.

I saggi di attività sono stati svolti a pH = 7,6 e temperatura ambiente.

Fase 1 – Immobilizzazione per reticolazione

1) Sciogliere 8 g di enzima in 400 mL di sodio fosfato dibasico 100 mM pH 8, lasciando in agitazione per circa 1 h (soluzione 1).

2) Aggiungere 16 mL di glutaraldeide 25% in 400 mL di sodio fosfato dibasico 100 mM pH 8 e lasciare disperdere per 1 min (soluzione 2).

3) Aggiungere 100 g di Poliammide nella soluzione 2.

4) Trasferire la soluzione 1 nella soluzione 2.

5) Incubare il Poliammide per 17 h a 20 °C in agitazione.

6) Effettuare i lavaggi opportuni

7) Lasciare ad asciugare il Poliammide trattato.

Risultati della fase 1

Durante il processo di immobilizzazione sono stati prelevati due campioni di enzima in soluzione: il primo campione rappresenta la soluzione di enzima nel momento iniziale del processo di immobilizzazione, mentre il secondo campione rappresenta la soluzione di enzima residuo al termine dell’immobilizzazione medesima (dopo 17 h). Questa campionatura è stata fatta per ogni esperimento di immobilizzazione; parallelamente, al termine del processo di immobilizzazione è stata conservata un’aliquota del poliammide contenente l’enzima immobilizzato. I dieci campioni contenenti l’enzima residuo in soluzione sono stati analizzati con il metodo Bradford, per determinarne la concentrazione totale di proteine. Ogni campione è stato analizzato in doppio.

La resa di immobilizzazione per reticolazione, stimata in base ai dati di attività, (considerando l’attività totale residua ed immobilizzata) è risultata pari al 2.4 %. Fase 2 – Test di attività della base polimerica di poliammide alla quale è legato, in modo reticolato, l’enzima anidrasi carbonica

Lo scopo di questa sperimentazione è la verifica della - non scontata - attività dell’enzima anidrasi carbonica, qualora immobilizzato per reticolazione sulla base polimerica, nella catalisi della reazione di degradazione di sali carbonati e/o bicarbonati disciolti in acqua.

I test di attività sono stati condotti a temperatura ambiente e a pH inferiore a 9, in quanto questi sono risultai i parametri di funzionamento più efficaci.

Protocollo:

1) Preparare 200 mL di sodio citrato 150 mM pH 5 (1X)

2) Preparare 100 mL di Tris-HCl 400 mM pH 7.6 (2X)

3) Preparare 5 mL di solfato di zinco 1 mM (1000X)

4) Preparare 10 mL di sodio bicarbonato 50 mM (10X).

5) Determinare la retta di taratura con 0.050 0.5 e 5 mM di sodio bicarbonato; l’analisi viene effettuata tenendo la soluzione in agitazione e attendendo circa 20 min per raggiungere una concentrazione di anidride carbonica costante.

Soluzioni da preparare:

- Bianco: 30 mL di sodio citrato pH 5.

- Campione 0.05 mM: 30 µL sodio bicarbonato 50 mM 30 mL di sodio citrato pH 5.

- Campione 0.5 mM: 300 µL sodio bicarbonato 50 mM 30 mL di sodio citrato pH 5.

- Campione 5 mM: 3 mL sodio bicarbonato 50 mM 27 mL di sodio citrato pH 5.

6) Analisi del Poliammide contenente anidrasi carbonica immobilizzata:

- 4,5 mL di acqua bidistillata

- 4,5 mL Tris-HCl 400 mM

- 10 μL di zinco solfato 1 mM

- 0.74 mg di Poliammide

- Effettuare una misurazione per 20 s, quindi aggiungere 1 mL di sodio bicarbonato 50 mM.

Risultati della fase 2

Tutti i campioni sono stati analizzati con l’elettrodo sensibile alla CO2, in modo da stabilire l’attività dell’enzima immobilizzato e di quello residuo.

Nel caso dei campioni immobilizzati mediante reticolazione l’attività media riscontrata nel Poliammide è risultata pari a 14 μg CO2/l.s.

Esempio 3

L’esempio 3 riporta i test di attività dell’enzima reticolato su base di resine a scambio ionico commerciali.

Sia la fase 1 – immobilizzazione, sia la fase 2 – test di attività enzimatica nella degradazione di sali inorganici di idrogenocarbonato e/o carbonati sono condotti nelle medesime condizioni descritte nell’esempio 2.

Nel caso dei campioni immobilizzati mediante reticolazione l’attività media riscontrata nel Poliammide è risultata pari a 10 μg CO2/l.s.

Il materiale secondo l’invenzione può essere impiegato per differenti applicazioni in funzione delle specifiche esigenze; per esempio, si prevede di sottoporre all’azione del materiale secondo l’invenzione acque da potabilizzare, in quanto l’azione dell’enzima consente di rimuovere in modo efficace i depositi calcarei, e più in generale di ridurre la durezza dell’acqua, definita appunto come la concentrazione di ioni calcio e magnesio sotto forma di sali solfati, cloruri, nitrati, carbonati e idrogenocarbonati.

L’acqua così trattata può essere efficacemente inviata alle utenze, le quali possono così ricevere, a costi contenuti ed in modo pratico, acqua priva di sostanze inquinanti, o comunque tali da conferire sapore sgradevole, rendendola assolutamente idonea per l’uso alimentare, per l’uso come acqua demineralizzata e anche per essere bevuta.

Ciò mette a disposizione dei privati, e non solo, una risorsa in grado di eliminare la necessità di ricorrere all’acqua minerale, soprattutto laddove l’acqua che scorre nelle reti idriche non è potabile, riducendo così, fino ad eliminare, i costi, i trasporti, i disagi e gli sforzi fisici connessi con la necessità di doversi fisicamente recare presso i punti vendita per l’acquisto dell’acqua minerale stessa.

Inoltre, appare evidente come il materiale secondo l’invenzione, favorendo il maggior consumo dell’acqua erogata dai propri rubinetti e sopperendo quindi alla richiesta di acqua minerale o acqua demineralizzata in bottiglia, consenta di ridurre la produzione di imballaggi, così come il numero di veicoli circolanti per il loro trasporto, con ciò contribuendo sicuramente a ridurre le emissioni di gas inquinanti e/o la produzione di bottiglie di plastica e altri prodotti di scarto, che sempre più si presentano come un grave problema per la società attuale.

La scelta di ricorrere ad un enzima, quale uno fra quelli sopra indicati, consente di impiegare un catalizzatore altamente specifico, poiché l’inviluppo proteico dell’enzima stesso crea una tasca, detta sito attivo, in grado di accogliere solo le molecole di substrato accessibili.

Inoltre, a differenza di altri elementi, l’enzima opera una riduzione graduale della durezza dell’acqua, mantenendo in soluzione una percentuale di sali e/o ioni (per esempio lo ione Ca2<+>) utili per la salute umana, rendendo così assolutamente interessante l’impiego del materiale secondo l’invenzione per il trattamento di acque destinate alle utenze private e/o per usi alimentari.

In più, l’elevata efficienza catalitica consente di mantenere bassa la concentrazione dell’enzima all’interno del materiale secondo il trovato, al fine di contenere i costi necessari alla sua realizzazione e commercializzazione.

Si ottiene in questo modo una soluzione competitiva dal punto di vista economico rispetto alle apparecchiature già presenti sul mercato.

Infine – fatto, questo, molto importante - poiché l’enzima è un catalizzatore, quest’ultimo ha come ulteriore peculiarità quella di mantenersi inalterato al termine della reazione che catalizza, rendendo così possibile il suo utilizzo per uno svariato numero di cicli catalitici, con ulteriori vantaggi dal punto di vista economico.

A prova di tale efficacia, che può mantenersi inalterata nel tempo, è stato dimostrato come il materiale secondo l’invenzione ha una efficacia prolungata superiore del 10% (considerando il volume di acqua trattata, in litri) nella riduzione delle sostanze indesiderate, rispetto ad altre soluzioni tecniche presenti sul mercato. Più in particolare, è stato effettuato un test di efficacia del materiale secondo la presente invenzione utilizzato – come descritto in precedenza - in forma di un kit K comprendente un involucro B permeabile all’acqua, contenente una pluralità di corpi C, ciascuno comprendente la suddetta base polimerica a cui è associato il catalizzatore (enzima).

Il test di efficacia prevede l’utilizzo di un kit K comprendente una bustina B contenente una quantità in peso di 15 g dei corpi C suddetti, in un litro di acqua trattata.

Inizialmente, l’acqua trattata ha una durezza di 45°f, pari a 586 mg/l di sodio bicarbonato.

Nell’esecuzione del test, il materiale secondo l’invenzione viene lasciato agire senza agitazione.

Inoltre, esso viene lasciato agire senza creare spostamenti o correnti artificiali di liquido per lambire le superfici della base polimerica.

Sono stati prelevati campioni dell’acqua trattata in tempi prestabiliti: in particolare, sono stati prelevati campioni a 10, 30, 45 minuti, e successivamente a 1, 2, 4, 8, 24, 48 ore.

Si riporta qui di seguito una tabella che documenta gli esiti dei prelievi suddetti, e la corrispondente riduzione percentuale del contenuto di sodio bicarbonato nel volume di acqua trattato. I valori sono stati determinati secondo il metodo ASTM D513.

Tabella 1 – Riduzione percentuale di bicarbonato nel volume di acqua trattato Tempo (min), 1 bustina Bicarbonato, mg/l Differenza %

0 590,59 ---

10 571,88 -3,17%

30 538,38 -8,84%

45 524,13 -11,25%

60 497,22 -15,81%

120 518,34 -12,23%

240 527,03 -10,76%

480 511,91 -13,32%

900 226,55 -61,64%

1440 190,24 -67,79%

2880 150,09 -74,59%

I medesimi risultati sono riportati anche in forma grafica nella figura 2.

Nella figura 3, invece, è più esplicitamente evidenziata la riduzione percentuale del bicarbonato nel tempo, nel volume di acqua trattato.

Come si può osservare, a circa 30 minuti dall’avvio del trattamento inizia l’attività del materiale secondo l’invenzione nella riduzione dei bicarbonati-carbonati presenti nel volume di acqua trattato.

Dopo circa 45 minuti dall’avvio, tale attività diviene conclamata.

Dopo 48 ore dall’inizio del trattamento, si è ottenuta una riduzione dei bicarbonaticarbonati di quasi il 75%.

Un altro importante aspetto della presente invenzione è il fatto che la riduzione delle sostanze indesiderate (in questo caso bicarbonati-carbonati) si mantiene costante nel tempo anche per elevati volumi di liquido trattato, cioè non esaurisce la sua efficacia al progressivo aumentare del volume di liquido trattato.

Questo risultato non è ottenibile con le soluzioni tecniche di tipo noto attualmente disponibili sul mercato, quali ad esempio le resine a scambio ionico.

E’ inoltre noto che gli enzimi presentano problematiche di attività sul lungo periodo: questi catalizzatori risultano infatti comunemente suscettibili di subire effetti di inattivazione da parte di contaminanti. Il presente trovato risulta invece efficace in condizioni applicative reali. Il mantenimento dell’efficacia nella degradazione dei sali è evidenziato nella tabella 3, nella quale si mostra come l’attività enzimatica permette dopo 200 lt, di ridurre maniera efficiente il contenuto di sostanze indesiderate.

Con particolare riferimento a queste ultime, e come chiarito in precedenza, è stato anche effettuato uno specifico test di confronto tra il trattamento dell’acqua effettuato in ingresso ad una macchina per il caffe, rispettivamente, con una resina a scambio ionico e con il materiale secondo la presente invenzione.

Sono stati, in particolare, utilizzati 400 g di resina a scambio ionico, in un caso, e 400g di materiale secondo la presente invenzione, nell’altro caso.

Nelle tabelle qui di seguito sono documentati i risultati delle prove comparative, che hanno valutato l’efficacia dei materiali testati all’aumentare del volume di acqua trattata.

Nella tabella 2 sono riportati i risultati relativi alla resina a scambio ionico; nella tabella 3 sono riportati i risultati relativi al materiale secondo la presente invenzione.

Tabella 2 – Resina a scambio ionico

(I valori sono stati determinati attraverso titolazione con EDTA)

Acqua trattata (l) CaCO3rimosso (mg/l)

1 1539,4

5 668,2666667

20 417,6666667

40 286,4

50 334,1333333

Tabella 3 - Materiale secondo l’invenzione

(I valori sono stati determinati secondo il metodo ASTM D513).

Acqua trattata (l) CaCO3rimosso (mg/l)

1 600

100 800

200 933,33

I risultati riportati nelle suddette tabelle 2,3 sono rappresentati anche graficamente nella figura 4, per un migliore confronto.

In particolare, la curva A si riferisce al materiale secondo l’invenzione, mentre la curva B si riferisce alla resina a scambio ionico.

Come si può osservare, l’efficacia nella rimozione delle sostanze indesiderate (in questo caso, CaCO3) del materiale secondo la presente invenzione si mantiene assolutamente inalterata nel tempo, cioè all’aumentare del volume di liquido via via trattato, mentre quella della resina a scambio ionico è molto elevata per volumi di acqua relativamente bassi, ma decresce nel tempo in modo molto repentino: dopo un certo volume di acqua trattato, infatti, la resina a scambio ionico diviene sostanzialmente inefficace, ed deve essere completamente sostituita, con conseguenti superiori costi di esercizio.

Per contro, come si è mostrato, il materiale secondo la presente invenzione non richiede alcun intervento di rigenerazione: è quindi evidente il risparmio in termini economici.

Si deve altresì sottolineare che il materiale secondo l’invenzione consente di ottenere una rimozione mirata di una determinata sostanza, senza fenomeni di scambio ionico che avvengono invece per la resina, fenomeni che potrebbero essere indesiderati, a seguito del rilascio di ioni dalla resina stessa.

Sono stati inoltre effettuati ulteriori test per determinare dei valori medi di riduzione della durezza dell’acqua trattata utilizzando il materiale secondo la presente invenzione, in varie possibili applicazioni pratiche.

Un primo test (documentato nella tabella 4 qui di seguito) è stato effettuato realizzando un elemento filtrante, contenente circa 7 kg di materiale secondo la presente invenzione, allacciato alla rete idrica, per misurare la riduzione del calcare con diverse portate d’acqua.

Tabella 4 – Primo test di riduzione di durezza, rete idrica

(I valori sono stati determinati secondo il metodo ASTM D513)

Campione Durezza (°f) Riduzione calcare (%) Acqua di rete 21 ---Uscita filtro portata 0,23 l/min 12 43 Uscita filtro portata 0,6 l/min 14 33 Uscita filtro portata 8 l/min 16 24 Uscita filtro dopo 20 giorni 5 76 Acqua distillata 3 ---

Un secondo test (documentato nella tabella 5 qui di seguito) è stato effettuato realizzando un elemento filtrante, contenente circa 60g di materiale secondo la presente invenzione, in ingresso ad una macchina da caffè, con ciclo misto acquavapore.

I test sono stati condotti, utilizzando 4 diversi campioni, con acqua chimica standard a 35°f.

Tabella 5 – Secondo test di riduzione di durezza, macchina da caffè con acqua chimica standard

(I valori sono stati determinati secondo il metodo ASTM D513)

Acqua processata Campione 1 (no Campione 2 Campione 3 Campione 4 (l) filtro) Riduzione % Riduzione % Riduzione % Riduzione %

0 0 35 42 57

8 36 70 68 77

43 42 77 74 74

96,5 32 68 74 79

La riduzione media di durezza, in questo secondo test, è quindi di circa il 66%. Un terzo test (documentato nella tabella 6 qui di seguito) è stato effettuato realizzando un elemento filtrante, contenente circa 60g di materiale secondo la presente invenzione, in ingresso ad una macchina da caffè, con ciclo misto acquavapore.

I test sono stati condotti, utilizzando 4 diversi campioni, con acqua di rete a 28°f, residuo fisso 270 mg/l.

Tabella 6 – Terzo test di riduzione di durezza, macchina da caffè con acqua di rete

(I valori sono stati determinati secondo il metodo ASTM D513)

Acqua processata Campione 1 (no Campione 2 Campione 3 Campione 4 (l) filtro) Riduzione % Riduzione % Riduzione % Riduzione %

0 11 46 32 32

50 0 67 14 11

100 24 43 47 43

200 32 51 55 47

La riduzione media di durezza, in questo terzo test, è quindi di circa il 35%.

Prestazioni analoghe sono state ottenute utilizzando un elemento filtrante in ingresso ad altri elettrodomestici, ad esempio ferri da stiro o lavatrici.

Un quarto test (documentato nella tabella 7 qui di seguito) è infatti stato effettuato utilizzando un elemento filtrante contenente 7 kg di materiale secondo la presente invenzione, agganciato alla rete idrica in ingresso ad una lavatrice, che ha eseguito un ciclo di lavaggio completo al giorno. Poiché un ciclo di lavaggio corrisponde a circa 15 lt di acqua utilizzata, il test ha avuto una durata di 15 mesi. Sia i litri processati, sia la durata nel tempo evidenziano come il trovato risulta innovativo, anche rispetto alla tecnica nota, in quanto il catalizzatore supportato dalla base polimerica risulta efficacemente attivo, ben oltre ai limiti evidenziati in letteratura.

Tabella 7 – Quarto test di riduzione di durezza, lavatrice con acqua di rete (I valori sono stati determinati secondo il metodo ASTM D513)

Campione Volume (l) Riduzione calcare (%) Uscita filtro portata 4,8 l/m 2000 40

Uscita filtro portata 2 l/m 7000 51

Uscita filtro portata 3 l/m 7000 41

Anche questo test evidenzia valori di riduzione del calcare molto interessanti.

Sono state inoltre effettuate prove di durata applicate a macchine per la preparazione di bevande calde (caffè) utilizzando un kit K. Il rapporto in quantità del kit K è stato di 15 gr di materiale C in 1 lt di acqua a durezza di 45 °F.

Le macchine per la preparazione di bevande calde sono state scelte fra quelle in commercio, sia fra i modelli a cialde che modelli che utilizzano capsule.

Il test è stato condotto determinando il volume totale di acqua erogato dalle macchine prima che avvenisse il blocco della caldaia, determinando lo stop al funzionamento della macchina stessa. Il test è stato condotto erogando dalla macchina 50 ml di acqua e una successiva pausa di 5 minuti; questa procedura viene definita ciclo. Come si evince dalla tabella 8, la durata della prova con il KIT ha una durata di più di 25 giorni, durante i quali il supporto con enzima mantiene la sua efficacia. Il mantenimento dell’efficacia è parte caratteristica dell’oggetto del trovato, in quanto è noto che gli enzimi sono soggetti ad una riduzione della loro attività in maniera molto veloce, quando posti in soluzione acquosa o a contatto con esse (N.U. Medrum e F.J.W. Roughton, “Carbonic anhydrase. Its preparation and properties”, Physiological and Biochemical Laboratories, Cambridge., received August 2,1933).

Tabella 8 – Quinto test di riduzione di durezza, macchine del caffè VOLUME DI TIPOLOGIA DI DUREZZA MACCHINA DELL’ACQUA ACQUA NUMERO DI

CAFFE’ AUMENTO DEL VOLUME DI DEL CAFFE’ IN GRADI EROGATA EROGATI(50 ACQUA A SEGUITO FRANCESI FINO AL EL KIT K BLOCCO ml) DELL’UTILIZZO D MACCHINA DEL CAFFE’ A

CAPSULE CON KIT K in

concentrazione

di 15 gr di 45 345 6900 137,93% materiale C

rispetto

all’acqua.

MACCHINA DEL CAFFE’ A

CAPSULE45 145 2900

MACCHINA DEL CAFFE’ A

CIALDE CON KIT K in

concentrazione

di 15 gr di 45 135,1 2702 187,45% materiale C

rispetto

all’acqua.

MACCHINA DEL CAFFE’ A

CIALDE45 47 940

Gli aspetti innovativi e vantaggiosi della presente invenzione sono ulteriormente evidenziati dalle considerazioni che seguono.

I liquidi trattabili con il materiale secondo la presente invenzione (o con il kit K secondo la presente invenzione) hanno normalmente un valore di pH superiore a 6.

È noto dalla letteratura scientifica (si veda ad esempio Seymour H. Koenig and Rodney D. Brown III, “H2CO3as substrate for carbonic anhydrase in the dehydration of HCO3-“, Proc. Nat. Acad. Sci. USA, Vol.69, No.9, pp. 2422-2425, September 1972) che all’aumentare del pH – in particolare per pH compresi tra 6 ed 8 – il rapporto e la velocità di interconversione della reazione di idratazione (CO2→ HCO3-) aumentano, mentre diminuiscono i medesimi parametri per la reazione di deidratazione ( HCO3<->→ CO2).

In altre parole, il legame tra HCO3<->ed enzima è troppo debole per essere determinato, e quindi l’enzima stesso non ha alcun effetto sulla velocità e sulla quantità di bicarbonati/carbonati trasformati in CO2.

Altra letteratura conferma le medesime conclusioni, ovvero che l’enzima anidrasi carbonica tende a promuovere la reazione di idratazione della CO2, e facilita la precipitazione di CaCO3 (Parissa Mirjafari et al., “Investigating the application of enzyme carbonic anhydrase for CO2sequestration purposes”, Ind. Eng. Chem. Res.

2007, 46, 921-926).

E’ altresì noto che (F. J. W. Roughton and V.H. Booth (Ramsay Memorial Fellow), The Effect of Substrate Concentration, pH and other Factors upon the Activity of Carbonic Anhydrase -, Physiology Laboratory, University of Cambridge, England and the Fatigue Laboratory, Harvard University, Boston, Mass., U.S.A.) ioni SO4<2->, Cl-, Br-, NO3<->e altri anioni di acidi carbossilici hanno effetti di inibizione sull’attività dell’enzima anidrasi carbonica.

Altre sostanze come Argento, Zinco, ecc. (N.U. Medrum e F.J.W. Roughton, “Carbonic anhydrase. Its preparation and properties”, Physiological and Biochemical Laboratories, Cambridge., received August 2,1933) risultano come inattivatori dell’enzima e, come per gli anioni sopra citati, anche i sali di questi metalli possono essere comunemente presenti nella acque industriali e/o domestiche.

Poiché le acque, industriali o domestiche che siano, contengono questi anioni, non appariva affatto scontato, ad avviso della richiedente, che il materiale oggetto del presente trovato mantenesse la sua efficacia della riduzione delle sostanze indesiderate (fra le quali sali carbonati e/o idrogenocarbonati) per un così lungo periodo e per volumi di acqua così elevati.

Pertanto, grazie alle caratteristiche della presente invenzione – e come confermato dai rilievi sperimentali – l’enzima anidrasi carbonica (in maniera del tutto opposta a quanto lo stato della tecnica potrebbe lasciar prevedere) è in grado di generare una quantità di CO2tale – anche se minima - da determinare una riduzione complessiva di CaCO3.

Un altro aspetto non scontato della presente invenzione è che gli enzimi mantengono comunque una certa attività anche se sono immobilizzati sulla superficie della base polimerica e/o inorganica.

È noto infatti che gli enzimi possono essere soggetti a degradazioni nel tempo, ed è inoltre noto che l’immobilizzazione degli enzimi non ne favorisce l’attività, anzi tende a penalizzarla.

Grazie alla soluzione adottata nella presente invenzione, l’immobilizzazione degli enzimi sulla base polimerica e/o inorganica ne favorisce la stabilizzazione, e quindi essi sono soggetti, in modo molto ridotto, a subire degradazioni nel tempo.

Gli enzimi stabilizzati, quindi, possono essere ad esempio conservati a scaffale per un più lungo periodo di tempo.

Se da un lato, come detto, l’immobilizzazione degli enzimi ne tende a ridurre l’attività, la soluzione oggetto della presente invenzione ha consentito di raggiungere un ottimale compromesso tra stabilità ed attività degli enzimi: questi ultimi, quindi, mantengono per un lungo periodo di tempo un livello di attività tale da generare una quantità di CO2tale da determinare una riduzione complessiva di CaCO3.

La presente invenzione è stata descritta secondo forme preferite di realizzazione, ma varianti equivalenti possono essere concepite senza uscire dall'ambito di protezione offerto dalle rivendicazioni che seguono.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Materiale per la riduzione del contenuto di sostanze inquinanti e/o indesiderate, particolarmente in acqua e altri fluidi, caratterizzato dal fatto che comprende almeno una base polimerica e/o inorganica avente almeno una superficie, alla quale è legato almeno un catalizzatore della reazione di degradazione di sali inorganici in sostanze gassose, detto catalizzatore, preposto alla riduzione dell’energia richiesta per l’attivazione di detta reazione e all’accelerazione del suo decorso, essendo un enzima preferibilmente scelto fra il gruppo delle liasi, il gruppo delle idrolasi ed il gruppo delle ossidoriduttasi.
2. 2. Materiale secondo la rivendicazione 1, in cui detto catalizzatore è legato a detta superficie di detta base polimerica e/o inorganica in modo covalente.
3. 3. Materiale secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto catalizzatore è legato a detta superficie di detta base polimerica e/o inorganica in modo reticolare.
4. 4. Materiale secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto catalizzatore è un enzima preferibilmente scelto nel gruppo delle liasi, e ancor più preferibilmente scelto nel sottogruppo delle anidrasi carboniche.
5. 5. Materiale secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta base polimerica è realizzata in poliammide.
6. 6. Materiale secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta base polimerica e/o inorganica è compresa in un corpo (C) atto ad essere immerso nel contenitore del liquido da trattare, così da avviare l’attività di detto catalizzatore per semplice contatto, senza agitazione e senza circolazione forzata del fluido.
7. 7. Materiale secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta base polimerica e/o inorganica presenta, in almeno una sua porzione, una conformazione sostanzialmente reticolare, in modo tale da definire una pluralità di cavità.
8. 8. Materiale secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente detto catalizzatore in una concentrazione preferibilmente compresa tra 0,0001% e 30%, e ancor più preferibilmente compresa tra 0,005% ed 1%, percentuali riferite al peso complessivo di detta base polimerica.
9. 9. Kit (K) per la riduzione del contenuto di sostanze inquinanti e/o indesiderate in acqua e altri fluidi, caratterizzato dal fatto che comprende almeno un involucro (B) contenente almeno un corpo (C) comprendente almeno una porzione realizzata con il materiale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-9.
10. 10. Kit secondo la rivendicazione 9, in cui detto involucro (B) è permeabile all’acqua ed alle sostanze in essa disciolte, ed è destinato ad essere immerso nel contenitore del liquido da trattare.
11. 11. Kit secondo la rivendicazione 9, in cui detto involucro (B) è costituito da almeno un contenitore atto ad essere attraversato dal liquido da trattare.
12. 12. Kit secondo una delle rivendicazioni 9-11, in cui detto corpo (C) ha la dimensione di massimo ingombro compresa tra 0,01 mm e 10 mm.