Determinazione della performance di membrane composite per la purificazione di gas

In questo elaborato vengono presentati i risultati di una attività sperimentale incentrata sulla ricerca di membrane a matrice mista per la separazione di gas da miscele. In questo lavoro viene descritta la preparazione di membrane in polisulfone e membrane a matrice mista polisulfone con ZIF-8 a quattro diversi caricamenti percentuali, PSf+ZIF-8 2%, 4%, 8% e 16%. Vengono anche esposti i risultati delle prove di caratterizzazione di tali membrane. E' stato condotto un esame attraverso microscopia elettronica a scansione (SEM) sulla sezione e sulla superficie delle cinque membrane. Sono esposti i risultati dei test di permeazione condotti attraverso un permeometro a volume costante. Le prove sono state fatte per tutte le membrane con sei diversi gas penetranti (H2, He, O2, CO2, CH4 e N2) a tre diverse temperature (35°C, 50°C e 65°C) ottenendo i valori dei coefficienti di permeabilità, solubilità e diffusività. Sono state calcolate le selettività ideali per ogni coppia di gas per tutte le membrane e le energie di attivazione. Sono stati fatti paragoni con i risultati di letteratura e ricercate correlazioni predittive per le proprietà di trasporto delle membrane in funzione di diversi parametri.

Valutazione degli impatti ambientali di un processo biobased nella produzione di acido crotonico

L’utilizzo di biomasse come fonte di chemicals nell’industria chimica mira a rendere più sostenibili i processi industriali e i materiali prodotti. In particolare, l’acido crotonico (AC), impiegato come building block nella produzione di vernici e rivestimenti, è prodotto tradizionalmente da fonti fossili. La domanda globale ammonta a circa 1000 tonnellate ed è in continuo aumento, rendendo prioritaria l’individuazione di una sintesi alternativa e sostenibile. In questo studio, l’analisi del ciclo di vita (life cycle assessment, LCA) è stata applicata per stimare la carbon footprint e la domanda cumulativa di energia relative ad una sintesi innovativa dell’AC, basata sulla conversione termica di un precursore derivato da biomasse di scarto. In particolare, il processo prevede l’applicazione di un trattamento termochimico a poli-idrossi-butirrati (PHB) prodotti da colture batteriche miste a valle del processo B-PLAS. Sono stati modellati due scenari comparativi con l’obiettivo di (i) valutare la sostenibilità ambientale della sintesi alternativa nella tecnologia B-PLAS, considerando una condizione “base” di processo (con un contenuto di PHB pari al 30% nello slurry in ingresso al processo) e una “ottimale” (con un contenuto di PHB pari al 60%); (ii) confrontare gli impatti ambientali del processo di sintesi alternativo per entrambi gli scenari con quelli di sintesi dell’AC da fonti fossili. I risultati dell’LCA mostrano che nel processo B-PLAS, giunti alla produzione dello slurry (fango) arricchito in PHB, si possono avere due strade equivalenti estraendo i PHB o convertendoli in AC con una lieve preferenza per il processo estrattivo (0.71MJ/kgslurry vs 1.11MJ/kgslurry) nella condizione di base e (0.69MJ/kgslurry vs 1.17MJ/kgslurry) in quella ottimale. Estendendo la comparazione alla produzione dell’AC da fonti fossili, quello bioderivato comporta un impatto ambientale ampiamente inferiore, stimato in 159.6 MJ/kgAC e 204.6 MJ/kgAC per gli scenari “base” e “ottimale”.

Progettare l'inserimento di General Purpose Technologies nelle Organizzazioni con il Design Thinking: evidenze dal campo e metodologia proposta

Vista la crescente necessità di svolgere progetti d'innovazione guidati dalle nuove tecnologie, la presente ricerca risponde all'esigenza di trovare una metodologia efficace per poterli affrontare proficuamente. In un primo momento, l'elaborato propone una metodologia che permette di elaborare una classificazione dei progetti d'innovazione technology-driven in classi ed un pacchetto di tools funzionali al riconoscimento dell'appartenenza alle stesse. In un secondo momento, giunti a comprensione del fatto che ad ognuna delle classi corrisponde uno specifico fine raggiungibile con una specifica metodologia, lo studio descrive la metodologia seguita per raggiungere una efficace e ripetibile elaborazione di principi progettuali, buone pratiche e strumenti che permettano ad una Organizzazione di appropriarsi del valore di una tecnologia General Purpose (GPT) attraverso l'ideazione di soluzioni innovativa. La progettazione è figlia di un approccio di Design Thinking (DT), sia poichè esso è stato usato nello svolgimento stesso della ricerca, sia perchè la metodologia DT è alla base della modellazione del processo proposto per la classe.

Caratterizzazione fluidodinamica di un digestore anaerobico modello tramite tecniche di diagnostica ottica

L’aumento del consumo di energia globale e le problematiche legate all’inquinamento stanno rendendo indispensabile lo spostamento verso fonti di energia rinnovabile. La digestione anaerobica rappresenta una possibile soluzione in quanto permette di produrre biogas da biomassa organica di scarto ma, l’ottimizzazione del processo risulta difficoltosa a causa delle numerose variabili chimiche, biologiche, fisiche e geometriche correlate. Nel presente elaborato, concentrandosi sulle problematiche relative alla miscelazione interna, è stata investigata la fluidodinamica interna di un reattore modello ottenuto tramite scale-down di un digestore anaerobico industriale che presentava problemi di sedimentazione di sostanza solida sul fondo del reattore. Tramite tecniche di diagnostica ottiche, è stato studiato il movimento del fluido, prima utilizzando acqua demineralizzata e poi una soluzione di gomma di xantano come fluido di processo, al fine di studiare il campo di moto medio interno al reattore. Le tecniche utilizzate sono la Particle Image Velocimetry (PIV) e la Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF). Al fine di rendere il sistema investigato il più rappresentativo possibile del digestore industriale, è stato utilizzato come fluido di processo per alcune delle prove raccolte, una soluzione acquosa 1,0g/kg di gomma di xantano, le cui proprietà reologiche sono state investigate grazie ad un Reometro Anton Paar MCR 301.

Analisi dei regimi di miscelazione in sistemi gas-liquido agitati meccanicamente, mediante tecnica sperimentale della ERT

Nell’industria chimica i processi di miscelazione hanno un impatto considerevole sulla maggior parte delle operazioni unitarie ed è, pertanto, di fondamentale importanza studiarne i meccanismi. Per tale motivo, durante questo lavoro di tesi sono stati investigati i regimi di miscelazione all’interno di reattori agitati meccanicamente, che contengono miscele bifase gas-liquido. In particolare, l’analisi è stata condotta su un fermentatore realizzato in scala di laboratorio in cui è stata installata una girante a pale concave che prende il nome di BT-6, con la tecnica sperimentale della tomografia a resistenza elettrica (ERT). L’obiettivo del presente elaborato consiste nell’esaminare la distribuzione della fase gassosa con l’utilizzo di suddetta tecnica all’interno del liquido, in quanto parametro chiave per la progettazione e la valutazione delle prestazioni di questo tipo di apparecchiature. Attraverso l’utilizzo della tomografia, si misura la distribuzione di conducibilità della sostanza da cui, mediante l’implementazione di un algoritmo, si risale alla frazione di gas dispersa in fase liquida. Infine, i vari regimi di miscelazione analizzati durante questo lavoro di tesi, sono stati confrontati con prove analoghe condotte in una precedente sperimentazione su una girante di tipo Rushton.

Rimozione e recupero di ammonio da acque reflue tramite adsorbimento e scambio ionico utilizzando materiali innovativi

Presso i laboratori del DICAM dell’Università di Bologna, partner del progetto FIT4REUSE, si studiano materiali adsorbenti innovativi per la rimozione ed il recupero di ammonio e fosfato dalle acque reflue municipali, mediante processo di scambio ionico in continuo su letto fisso, con l’obbiettivo di separare e concentrare l’azoto e il fosforo al fine di ottenere prodotti utilizzabili come fertilizzanti. Nello specifico questo elaborato di tesi riporta lo studio di due geopolimeri per l’adsorbimento di azoto, il geopolimero Na1.2G e il K1.2G, e li confronta con il geopolimero G13 che finora ha mostrato le prestazioni migliori.

Caratterizzazione fluidodinamica di reattori agitati meccanicamente tramite tecniche di diagnostica ottica: effetto del comportamento reologico delle fasi.

Il lavoro di tesi si è posto l'obiettivo di studiare il comportamento fluidodinamico di un reattore agitato meccanicamente, scale-down di un digestore anaerobico per la produzione di biogas, attraverso tecniche di diagnostica ottica. Le tecniche utilizzate sono state la Particle Image Velocimetry, PIV, e la Planar Laser Induced Fluorescence, PLIF. Le prove sono iniziate utilizzando acqua all’interno del reattore e sono proseguite utilizzando una soluzione di acqua e Carbometilcellulosa (CMC) a concentrazione di CMC progressivamente crescente per aumentare la viscosità apparente della soluzione non newtoniana con lo scopo di simulare il più realisticamente possibile la viscosità del contenuto reale del digestore. Tutte le diverse soluzioni sono state indagate per diverse velocità e diversi sensi di rotazione. Le prove di diagnostica ottica sono state progressivamente affiancate da prove al reometro di campioni di soluzione per il calcolo della viscosità apparente. La PIV ha fornito la misura del campo di moto di un piano, è stato scelto di analizzare un piano verticale. Il metodo di diagnostica ottica ho previsto l’utilizzo di quattro componenti: una sezione per il test otticamente trasparente contenente la soluzione inseminata con piccole particelle di tracciante (particelle di argento e vetro cavo) che seguono il flusso, una sorgente di illuminazione pulsata (laser), un dispositivo di registrazione (una telecamera digitale ad alta definizione) ed un software per la cross-correlazione delle immagini acquisite (DynamicStudio). La PLIF è stata implementata per lo studio del tempo caratteristico di miscelazione nel reattore. La strumentazione utilizzata è stata la stessa della PIV con un tracciante diverso a base di Rodhamina-6G. Lo studio ha riguardato il tempo necessario all’omogeneizzazione del tracciante mediante un’analisi del coefficiente di variazione, CoV, delle immagini acquisite.

Analisi sperimentale dei processi di filtrazione, lavaggio ed essiccamento applicati ad un filtro Nutsche

Nell'industria farmaceutica la necessità di ottenere degli intermedi attivi con un elevato grado di purezza ha portato all'evoluzione di un processo di filtrazione altamente specializzato. Nasce così, negli anni 80, il filtro-essiccatore Nutsche. Si tratta di un'apparecchiatura che permette di integrare in un unico processo le operazioni di filtrazione, lavaggio ed essiccamento del pannello solido. Scopo di questo lavoro di tesi è stato quello di valutare le prestazione del filtro Nutsche definendo delle procedure per la valutazione dell'efficienza della fase di filtrazione e successiva fase di lavaggio ed essiccamento.

Metodologie avanzate per l'ottimizzazione dell'assemblaggio di una pompa carburante per automotive

Il seguente elaborato è il frutto del lavoro di tirocinio svolto in Marelli. L'obiettivo del tirocinio è stato il miglioramento del processo di produzione della Pompa Tender. Questa è la pompa di alimentazione benzina per cui Marelli ha vinto la concessione per diventare unico fornitore per tutte le scuderie partecipanti alle gare di formula 1. Il mondo Motorsport rappresenta un ambiente competitivo dove ogni singolo componente delle auto deve garantire le massime prestazioni ed essere affidabile. La massima cura nella produzione è un requisito minimo per diventare fornitori di questa realtà. Per questo Marelli ha deciso di mettere in dubbio il suo processo di fabbricazione cercando un occhio esterno che potesse mettere a nudo eventuali difetti di produzione. Il miglioramento di processo è stato perseguito analizzando ogni operazione in ottica di Lean Manufacturing. Il lavoro è partito con l'analisi del tempo ciclo di produzione accompagnata dalla rilevazione di Muda e verifiche sul corretto approvvigionamento di materiali e accertamenti sulla funzionalità del layout di stabilimento. Dopo le analisi del caso, sono state prese scelte di miglioramento che vanno dal riadattamento del Layout, eliminazione di colli di bottiglia, modifica sulle fasi di processo, riorganizzazione degli strumenti di lavoro sui banchi di assemblaggio ed eliminazione di cause di contaminazione all'interno della pompa. Questo ha permesso di ridurre il tempo ciclo di produzione del componente e di conseguenza diminuire la saturazione dell'operatore. Inoltre, successivamente si è fatto un lavoro di standardizzazione su tutte le pompe dello stesso tipo prodotte nello stabilimento. Grazie a questa standardizzazione si può parlare adesso di famiglia di pompe ed esse non vengono più trattate singolarmente.

Analisi di sostenibilità di tecnologie CCS applicate a settori hard-to-abate

In questo lavoro di tesi viene presentata un’analisi di sostenibilità economica, ambientale e sociale di un sistema di cattura e purificazione della CO2 post-combustione. Al fine di ottenere i dati utili al calcolo di indici significativi di sostenibilità, si è scelto di modellare, attraverso il software Aspen Plus®, un processo di assorbimento chimico con ammine, tecnologia matura e spesso impiegata a questo scopo per settori industriali di taglie superiori. Al sistema di assorbimento viene poi fatta seguire un’unità di compressione e purificazione, finalizzata al raggiungimento di specifiche condizioni della corrente in uscita, legate alla successiva tipologia di trasporto considerata: gas pressurizzato via pipeline o gas liquefatto via nave. L’analisi economica si è basata sul calcolo di costi operativi, costi variabili, costo della CO2 evitata e consumo specifico di energia (SPECCA). La simulazione ha infatti consentito di ottenere un dimensionamento di massima delle apparecchiature e il consumo di utenze, valori necessari alla stima degli indici. Gli indici economici calcolati sono poi stati utilizzati per comprendere quale parte del processo fosse la più critica e che impatto avessero le unità di compressione e purificazione rispetto alla presenza del solo impianto di cattura. Analisi simili sono state svolte anche in termini di sostenibilità ambientale e sociale. La prima è stata svolta calcolando l’effettiva rimozione di CO2 del sistema, tenendo in considerazione le emissioni dirette e indirette connesse al funzionamento degli apparati. L’analisi sociale è stata ridotta a un’analisi qualitativa della sicurezza, attuata attraverso il calcolo dell’Indice di sicurezza intrinseca.

Sviluppo di biocompositi rinforzati con fibre naturali

Negli ultimi anni sta diventando sempre più insistente la necessità di sviluppare nuovi materiali in grado di sostituire le comuni plastiche derivanti dal petrolio con bioplastiche ottenute da biopolimeri che spesso vengono rinforzate mediante riutilizzo di scarti agricoli, come fibre di bambù, in grado di conferire proprietà meccaniche migliori, dando vita ai biocompositi. In particolare, una delle risorse rinnovabili più promettenti al giorno d'oggi è la cellulosa, come quella contenuta nella fibra di bambù, che, usata come filler rinforzante, permette di ottenere biocompositi con caratteristiche meccaniche e termiche migliori rispetto alle matrici polimeriche pure tipo PHB e PLA. Questa nuova generazione di biocompositi può essere vista come evoluzione dei vecchi compositi e punta l’attenzione alla sostenibilità ed ecoefficienza ponendosi sul mercato come prodotti sostenibili, ecologici e competitivi, utilizzabili in svariati ambiti, dal packaging alimentare ai complementi d’arredo, dall’automotive all’edilizia, dall’industria tessile alle applicazioni biomedicali. Lo scopo di questo lavoro di Tesi è stato quello di realizzare e caratterizzare dal punto di vista termico e meccanico biocompositi a base di PLA con tre percentuali crescenti di filler naturale ed a base di PHB con le stesse percentuali di filler. I sei biocompositi sono stati realizzati tramite plastografo Brabender. In seguito, sono state effettuate le seguenti prove: 1) Calorimetria a scansione differenziale (DSC); 2) Stampaggio ad iniezione per la realizzazione dei campioni secondo la normativa; 3) Prove di trazione, al fine di capire se il filler avesse modificato il modulo di Young e l’allungamento a rottura della matrice pura; 4) Prove di impatto, effettuate per studiare la tenacità del materiale al variare delle diverse percentuali di filler; 5) Microscopio a scansione elettronica (SEM), con lo scopo di osservare l’adesione matrice-filler.

Studio di metodi e strumenti per la valutazione dell'impatto ambientale e di sostenibilità dei processi di produzione additiva

La produzione additiva è una tecnologia innovativa completamente rivoluzionaria. La sua tecnica di costruzione layer by layer a partire da un file digitale consente la progettazione di componenti più complessi e ottimizzati, favorendo la stampa 3D su richiesta. La produzione additiva è potenzialmente in grado di offrire numerosi vantaggi sul tema della sostenibilità, rappresentati dall’utilizzo più efficiente delle risorse, dalla vita estesa dei prodotti e dalle nuove configurazioni delle catene di valore. L’ importanza di determinare gli impatti che tale processo genera lungo il suo ciclo di vita, ha portato ad una revisione della letteratura su tale argomento. In particolare, la mancanza di dati e modelli ha focalizzato l’attenzione su studi LCA di specifici processi. Grazie a tale strumento è stato possibile determinare l’influenza di diversi materiali, parametri di processo e scenari di utilizzo. Infine, viene mostrato quanto sia significativo l’impatto sociale che è in grado di generare la produzione additiva.

Ottimizzazione del processo di distillazione per il recupero del TiCl4 in un impianto di sintesi dei catalizzatori Ziegler-Natta

Il presente lavoro di tesi riguarda lo studio di fattibilità e valutazione comparativa di soluzioni impiantistiche e di processo finalizzate all’ottimizzazione dell’attuale sezione di distillazione di un impianto di produzione dei catalizzatori Ziegler-Natta. Il TiCl4 figura tra i principali reagenti impiegati nella sintesi dei catalizzatori, ma la tecnologia attualmente in uso non ne consente il totale recupero. A partire da una panoramica dell’intero processo produttivo dei catalizzatori Ziegler-Natta, si sono analizzate le criticità della sezione di distillazione e si sono valutate possibili soluzioni. Con l’obiettivo di ottenere un significativo recupero del TiCl4 rispetto alla situazione attuale, lo studio di fattibilità si è orientato verso un processo di distillazione con solvente. Al fine di valutare l’efficacia di tale soluzione, si è utilizzato il programma Aspen Plus V12. I principali composti coinvolti nel processo, che verranno implementati nell’ambiente di simulazione, sono: il TiCl4, il TiCl3(OC2H5) e un solvente. Quest’ultimo è il risultato di una ricerca tra sostanze con proprietà idonee al processo di distillazione studiato. Per ognuno dei composti sono richieste le principali proprietà termo-fisiche. Tuttavia, per il TiCl3(OC2H5) non vi sono informazioni disponibili presso le banche dati e la molecola è termicamente instabile. È stato perciò impiegato un particolare approccio ai contributi di gruppo per stimarne le proprietà d’interesse. Il solvente adottato è costituito da una miscela di isomeri: sono state effettuate delle misurazioni al fine di confermare un composto puro per l’ambiente di simulazione. Le simulazioni di processo hanno permesso di condurre con successo lo studio di fattibilità. Ulteriori proposte impiantistiche e per apparecchiature sono state valutate a completamento di tale studio. Il presente lavoro è stato svolto presso il centro Ricerche e Sviluppo “Giulio Natta” nella sede di Ferrara di LyondellBasell Industries.

Multivariate analysis to discriminate top quark pair production channels at LHC

Il quark top è una delle particelle fondamentali del Modello Standard, ed è osservato a LHC nelle collisioni a più elevata energia. In particolare, la coppia top-antitop (tt̄) è prodotta tramite interazione forte da eventi gluone-gluone (gg) oppure collisioni di quark e antiquark (qq̄). I diversi meccanismi di produzione portano ad avere coppie con proprietà diverse: un esempio è lo stato di spin di tt̄, che vicino alla soglia di produzione è maggiormente correlato nel caso di un evento gg. Uno studio che voglia misurare l’entità di tali correlazioni risulta quindi essere significativamente facilitato da un metodo di discriminazione delle coppie risultanti sulla base del loro canale di produzione. Il lavoro qui presentato ha quindi lo scopo di ottenere uno strumento per effettuare tale differenziazione, attraverso l’uso di tecniche di analisi multivariata. Tali metodi sono spesso applicati per separare un segnale da un fondo che ostacola l’analisi, in questo caso rispettivamente gli eventi gg e qq̄. Si dice che si ha a che fare con un problema di classificazione. Si è quindi studiata la prestazione di diversi algoritmi di analisi, prendendo in esame le distribuzioni di numerose variabili associate al processo di produzione di coppie tt̄. Si è poi selezionato il migliore in base all’efficienza di riconoscimento degli eventi di segnale e alla reiezione degli eventi di fondo. Per questo elaborato l’algoritmo più performante è il Boosted Decision Trees, che permette di ottenere da un campione con purezza iniziale 0.81 una purezza finale di 0.92, al costo di un’efficienza ridotta a 0.74.

Prime prove per la mitigazione in ambito aziendale sull'accumulo di acrilammide in diversi frollini.

L’obiettivo principale di questa tesi è stato lo studio dei fattori che a livello genetico, di formulazione e di processo possono influenzare lo sviluppo di acrilammide nei frollini. L’acrilammide è una sostanza che appartiene alla categoria dei “probabili cancerogeni” per la salute dell’uomo, per cui è necessario cercare di ridurne il contenuto negli alimenti. A livello legislativo, la Commissione Europea ha redatto un regolamento (Reg. UE 2017/2158) nel quale vengono indicate le principali norme e accortezze da seguire a livello aziendale per ridurre la sua presenza negli alimenti. Tramite l’attività di tirocinio svolta presso l’azienda Deco Industrie S. C. R. L. con sede a San Michele (RA) è stato possibile osservare concretamente a livello industriale i problemi legati all’accumulo di acrilammide per alcuni alimenti prodotti. In particolare, l’attenzione dell’azienda durante il periodo di mia permanenza presso la sede è stata rivolta a tre tipi di frollini, considerati i più critici, per i quali è stata monitorata la concentrazione di acrilammide nel tempo, andando a modificare la formulazione della ricetta. Ovviamente questo studio di tesi riporta un primo approccio al problema e rappresenta quindi il punto di partenza per studi futuri più approfonditi con lo scopo di raggiungere una standardizzazione del prodotto con livelli sempre più bassi di acrilammide.