Fenomeni di trasporto ed elettrostatici in membrane da Nanofiltrazione

Fenomeni di trasporto ed elettrostatici in membrane da Nanofiltrazione La capacità di predire le prestazioni delle membrane da nanofiltrazione è molto importante per il progetto e la gestione di processi di separazione a membrana. Tali prestazioni sono strettamente legate ai fenomeni di trasporto che regolano il moto dei soluti all’interno della matrice della membrana. Risulta, quindi, di rilevante importanza la conoscenza e lo studio di questi fenomeni; l’obiettivo finale è quello di mettere a punto modelli di trasporto appropriati che meglio descrivano il flusso dei soluti all’interno della membrana. A fianco dei modelli di trasporto ricopre, quindi, una importanza non secondaria la caratterizzazione dei parametri aggiustabili propri della membrana sulla quale si opera. La procedura di caratterizzazione di membrane deve chiarire le modalità di svolgimento delle prove sperimentali e le finalità che esse dovrebbero conseguire. Tuttavia, nonostante i miglioramenti concernenti la modellazione del trasporto di ioni in membrana ottenuti dalla ricerca negli ultimi anni, si è ancora lontani dall’avere a disposizione un modello univoco in grado di descrivere i fenomeni coinvolti in maniera chiara. Oltretutto, la palese incapacità del modello di non riuscire a prevedere gli andamenti sperimentali di reiezione nella gran parte dei casi relativi a miscele multicomponenti e le difficoltà legate alla convergenza numerica degli algoritmi risolutivi hanno fortemente limitato gli sviluppi del processo anche e soprattutto in termini applicativi. Non da ultimo, si avverte la necessità di poter prevedere ed interpretare l’andamento della carica di membrana al variare delle condizioni operative attraverso lo sviluppo di un modello matematico in grado di descrivere correttamente il meccanismo di formazione della carica. Nel caso di soluzioni elettrolitiche, infatti, è stato riconosciuto che la formazione della carica superficiale è tra i fattori che maggiormente caratterizzano le proprietà di separazione delle membrane. Essa gioca un ruolo importante nei processi di trasporto ed influenza la sua selettività nella separazione di molecole caricate; infatti la carica di membrana interagisce elettrostaticamente con gli ioni ed influenza l’efficienza di separazione degli stessi attraverso la partizione degli elettroliti dalla soluzione esterna all’interno dei pori del materiale. In sostanza, la carica delle membrane da NF è indotta dalle caratteristiche acide delle soluzioni elettrolitiche poste in contatto con la membrana stessa, nonché dal tipo e dalla concentrazione delle specie ioniche. Nello svolgimento di questo lavoro sono stati analizzati i principali fenomeni di trasporto ed elettrostatici coinvolti nel processo di nanofiltrazione, in particolare si è focalizzata l’attenzione sugli aspetti relativi alla loro modellazione matematica. La prima parte della tesi è dedicata con la presentazione del problema generale del trasporto di soluti all’interno di membrane da nanofiltrazione con riferimento alle equazioni alla base del modello DSP&DE, che rappresenta una razionalizzazione dei modelli esistenti sviluppati a partire dal modello DSPM, nel quale sono stati integrarti i fenomeni di esclusione dielettrica, per quanto riguarda la separazione di elettroliti nella filtrazione di soluzioni acquose in processi di Nanofiltrazione. Il modello DSP&DE, una volta definita la tipologia di elettroliti presenti nella soluzione alimentata e la loro concentrazione, viene completamente definito da tre parametri aggiustabili, strettamente riconducibili alle proprietà della singola membrana: il raggio medio dei pori all’interno della matrice, lo spessore effettivo e la densità di carica di membrana; in più può essere considerato un ulteriore parametro aggiustabile del modello il valore che la costante dielettrica del solvente assume quando confinato in pori di ridotte dimensioni. L’impostazione generale del modello DSP&DE, prevede la presentazione dei fenomeni di trasporto all’interno della membrana, descritti attraverso l’equazione di Nerst-Planck, e lo studio della ripartizione a ridosso dell’interfaccia membrana/soluzione esterna, che tiene in conto di diversi contributi: l’impedimento sterico, la non idealità della soluzione, l’effetto Donnan e l’esclusione dielettrica. Il capitolo si chiude con la presentazione di una procedura consigliata per la determinazione dei parametri aggiustabili del modello di trasporto. Il lavoro prosegue con una serie di applicazioni del modello a dati sperimentali ottenuti dalla caratterizzazione di membrane organiche CSM NE70 nel caso di soluzioni contenenti elettroliti. In particolare il modello viene applicato quale strumento atto ad ottenere informazioni utili per lo studio dei fenomeni coinvolti nel meccanismo di formazione della carica; dall’elaborazione dei dati sperimentali di reiezione in funzione del flusso è possibile ottenere dei valori di carica di membrana, assunta quale parametro aggiustabile del modello. che permettono di analizzare con affidabilità gli andamenti qualitativi ottenuti per la carica volumetrica di membrana al variare della concentrazione di sale nella corrente in alimentazione, del tipo di elettrolita studiato e del pH della soluzione. La seconda parte della tesi relativa allo studio ed alla modellazione del meccanismo di formazione della carica. Il punto di partenza di questo studio è rappresentato dai valori di carica ottenuti dall’elaborazione dei dati sperimentali di reiezione con il modello di trasporto, e tali valori verranno considerati quali valori “sperimentali” di riferimento con i quali confrontare i risultati ottenuti. Nella sezione di riferimento è contenuta la presentazione del modello teorico “adsorption-amphoteric” sviluppato al fine di descrivere ed interpretare i diversi comportamenti sperimentali ottenuti per la carica di membrana al variare delle condizioni operative. Nel modello la membrana è schematizzata come un insieme di siti attivi di due specie: il gruppo di siti idrofobici e quello de siti idrofilici, in grado di supportare le cariche derivanti da differenti meccanismi chimici e fisici. I principali fenomeni presi in considerazione nel determinare la carica volumetrica di membrana sono: i) la dissociazione acido/base dei siti idrofilici; ii) il site-binding dei contro-ioni sui siti idrofilici dissociati; iii) l’adsorbimento competitivo degli ioni in soluzione sui gruppi funzionali idrofobici. La struttura del modello è del tutto generale ed è in grado di mettere in evidenza quali sono i fenomeni rilevanti che intervengono nel determinare la carica di membrana; per questo motivo il modello permette di indagare il contributo di ciascun meccanismo considerato, in funzione delle condizioni operative. L’applicazione ai valori di carica disponibili per membrane Desal 5-DK nel caso di soluzioni contenenti singoli elettroliti, in particolare NaCl e CaCl2 permette di mettere in evidenza due aspetti fondamentali del modello: in primis la sua capacità di descrivere andamenti molto diversi tra loro per la carica di membrana facendo riferimento agli stessi tre semplici meccanismi, dall’altra parte permette di studiare l’effetto di ciascun meccanismo sull’andamento della carica totale di membrana e il suo peso relativo. Infine vengono verificate le previsioni ottenute con il modello dal suddetto studio attraverso il confronto con dati sperimentali di carica ottenuti dall’elaborazione dei dati sperimentali di reiezione disponibili per il caso di membrane CSM NE70. Tale confronto ha messo in evidenza le buone capacità previsionali del modello soprattutto nel caso di elettroliti non simmetrici quali CaCl2 e Na2SO4. In particolare nel caso un cui lo ione divalente rappresenta il contro-ione rispetto alla carica propria di membrana, la carica di membrana è caratterizzata da un andamento unimodale (contraddistinto da un estremante) con la concentrazione di sale in alimentazione. Il lavoro viene concluso con l’estensione del modello ADS-AMF al caso di soluzioni multicomponenti: è presentata una regola di mescolamento che permette di ottenere la carica per le soluzioni elettrolitiche multicomponenti a partire dai valori disponibili per i singoli ioni componenti la miscela.

Procedura di progettazione di protesi a basso costo per l'arto inferiore

L'attività di ricerca descritta in questa tesi fornisce linee guida per la progettazione di arti protesici inferiori, con particolare riferimento alla progettazione di protesi a basso costo. La necessità di efficienti protesi a basso costo risulta infatti sentita nei Paesi in via di sviluppo ma anche dalle fasce meno abbienti dei paesi occidentali. Al fine di comprendere le strategie adottate dall'apparato locomotorio per muoversi con le protesi sono analizzati il cammino fisiologico, le protesi presenti sul mercato ed infine le modalità con cui le loro prestazioni sono valutate. Con il presente lavoro, dopo aver osservato la presenza di una scarsa strutturazione della metodologia di progettazione che riguarda specialmente il settore del basso costo, si propone una metodologia il più possibile oggettiva e ripetibile tesa ad individuare quali sono gli aspetti essenziali di una protesi per garantire al paziente una buona qualità di vita. Solo questi aspetti dovranno essere selezionati al fine di ottenere la massima semplificazione della protesi e ridurre il più possibile i costi. Per la simulazione delle attività di locomozione, in particolare del cammino, è stato elaborato un apposito modello spaziale del cammino. Il modello proposto ha 7 membri rigidi (corrispondenti a piedi, tibie, femori e bacino) e 24 gradi di libertà. Le articolazioni e l'appoggio dei piedi al suolo sono modellati con giunti sferici. La pianta del piede consente tre possibili punti di appoggio. I criteri di realizzazione delle simulazioni possono comprendere aspetti energetici, cinematici e dinamici considerati come obiettivo dall'apparato locomotorio. In questa tesi vengono trattati in particolare gli aspetti cinematici ed è mostrata un'applicazione della procedura nella quale vengono dapprima identificati i riferimenti fisiologici del cammino e quindi simulato il cammino in presenza di una menomazione al ginocchio (eliminazione della flessione in fase di appoggio). Viene quindi lasciato a sviluppi futuri il completamento della procedura e la sua implementazione in un codice di calcolo.

The Integrated European Project "GEHA - GEnetics of Healthy Aging": recruitment, health status assessment and survival of the Italian 90+ sibpairs

The present study is part of the EU Integrated Project “GEHA – Genetics of Healthy Aging” (Franceschi C et al., Ann N Y Acad Sci. 1100: 21-45, 2007), whose aim is to identify genes involved in healthy aging and longevity, which allow individuals to survive to advanced age in good cognitive and physical function and in the absence of major age-related diseases. Aims The major aims of this thesis were the following: 1. to outline the recruitment procedure of 90+ Italian siblings performed by the recruiting units of the University of Bologna (UNIBO) and Rome (ISS). The procedures related to the following items necessary to perform the study were described and commented: identification of the eligible area for recruitment, demographic aspects related to the need of getting census lists of 90+siblings, mail and phone contact with 90+ subjects and their families, bioethics aspects of the whole procedure, standardization of the recruitment methodology and set-up of a detailed flow chart to be followed by the European recruitment centres (obtainment of the informed consent form, anonimization of data by using a special code, how to perform the interview, how to collect the blood, how to enter data in the GEHA Phenotypic Data Base hosted at Odense). 2. to provide an overview of the phenotypic characteristics of 90+ Italian siblings recruited by the recruiting units of the University of Bologna (UNIBO) and Rome (ISS). The following items were addressed: socio-demographic characteristics, health status, cognitive assessment, physical conditions (handgrip strength test, chair-stand test, physical ability including ADL, vision and hearing ability, movement ability and doing light housework), life-style information (smoking and drinking habits) and subjective well-being (attitude towards life). Moreover, haematological parameters collected in the 90+ sibpairs as optional parameters by the Bologna and Rome recruiting units were used for a more comprehensive evaluation of the results obtained using the above mentioned phenotypic characteristics reported in the GEHA questionnaire. 3. to assess 90+ Italian siblings as far as their health/functional status is concerned on the basis of three classification methods proposed in previous studies on centenarians, which are based on: • actual functional capabilities (ADL, SMMSE, visual and hearing abilities) (Gondo et al., J Gerontol. 61A (3): 305-310, 2006); • actual functional capabilities and morbidity (ADL, ability to walk, SMMSE, presence of cancer, ictus, renal failure, anaemia, and liver diseases) (Franceschi et al., Aging Clin Exp Res, 12:77-84, 2000); • retrospectively collected data about past history of morbidity and age of disease onset (hypertension, heart disease, diabetes, stroke, cancer, osteopororis, neurological diseases, chronic obstructive pulmonary disease and ocular diseases) (Evert et al., J Gerontol A Biol Sci Med Sci. 58A (3): 232-237, 2003). Firstly these available models to define the health status of long-living subjects were applied to the sample and, since the classifications by Gondo and Franceschi are both based on the present functional status, they were compared in order to better recognize the healthy aging phenotype and to identify the best group of 90+ subjects out of the entire studied population. 4. to investigate the concordance of health and functional status among 90+ siblings in order to divide sibpairs in three categories: the best (both sibs are in good shape), the worst (both sibs are in bad shape) and an intermediate group (one sib is in good shape and the other is in bad shape). Moreover, the evaluation wanted to discover which variables are concordant among siblings; thus, concordant variables could be considered as familiar variables (determined by the environment or by genetics). 5. to perform a survival analysis by using mortality data at 1st January 2009 from the follow-up as the main outcome and selected functional and clinical parameters as explanatory variables. Methods A total of 765 90+ Italian subjects recruited by UNIBO (549 90+ siblings, belonging to 258 families) and ISS (216 90+ siblings, belonging to 106 families) recruiting units are included in the analysis. Each subject was interviewed according to a standardized questionnaire, comprising extensively utilized questions that have been validated in previous European studies on elderly subjects and covering demographic information, life style, living conditions, cognitive status (SMMSE), mood, health status and anthropometric measurements. Moreover, subjects were asked to perform some physical tests (Hand Grip Strength test and Chair Standing test) and a sample of about 24 mL of blood was collected and then processed according to a common protocol for the preparation and storage of DNA aliquots. Results From the analysis the main findings are the following: - a standardized protocol to assess cognitive status, physical performances and health status of European nonagenarian subjects was set up, in respect to ethical requirements, and it is available as a reference for other studies in this field; - GEHA families are enriched in long-living members and extreme survival, and represent an appropriate model for the identification of genes involved in healthy aging and longevity; - two simplified sets of criteria to classify 90+ sibling according to their health status were proposed, as operational tools for distinguishing healthy from non healthy subjects; - cognitive and functional parameters have a major role in categorizing 90+ siblings for the health status; - parameters such as education and good physical abilities (500 metres walking ability, going up and down the stairs ability, high scores at hand grip and chair stand tests) are associated with a good health status (defined as “cognitive unimpairment and absence of disability”); - male nonagenarians show a more homogeneous phenotype than females, and, though far fewer in number, tend to be healthier than females; - in males the good health status is not protective for survival, confirming the male-female health survival paradox; - survival after age 90 was dependent mainly on intact cognitive status and absence of functional disabilities; - haemoglobin and creatinine levels are both associated with longevity; - the most concordant items among 90+ siblings are related to the functional status, indicating that they contain a familiar component. It is still to be investigated at what level this familiar component is determined by genetics or by environment or by the interaction between genetics, environment and chance (and at what level). Conclusions In conclusion, we could state that this study, in accordance with the main objectives of the whole GEHA project, represents one of the first attempt to identify the biological and non biological determinants of successful/unsuccessful aging and longevity. Here, the analysis was performed on 90+ siblings recruited in Northern and Central Italy and it could be used as a reference for others studies in this field on Italian population. Moreover, it contributed to the definition of “successful” and “unsuccessful” aging and categorising a very large cohort of our most elderly subjects into “successful” and “unsuccessful” groups provided an unrivalled opportunity to detect some of the basic genetic/molecular mechanisms which underpin good health as opposed to chronic disability. Discoveries in the topic of the biological determinants of healthy aging represent a real possibility to identify new markers to be utilized for the identification of subgroups of old European citizens having a higher risk to develop age-related diseases and disabilities and to direct major preventive medicine strategies for the new epidemic of chronic disease in the 21st century.