Integrazione di misure NMR e microscopiche per la descrizione quantitativa degli effetti di stress esterni su colture cellulari

La tesi si occupa dell’integrazione di misure NMR e microscopiche per la descrizione quantitativa degli effetti di stress esterni su colture cellulari. Una maggiore comprensione dei dati ricavati tramite NMR potrebbe consentire di interpretare la vitalità e funzionalità cellulare attraverso la localizzazione spaziale degli idrogeni. L'ipotesi di partenza è che la compartimentazione degli idrogeni (associati a molecole di acqua) nel citoplasma possa fornire una stima del numero di cellule vitali (e quindi in grado di mantenere l'acqua al proprio interno mediante processi attivi). I risultati NMR, prodotti dal gruppo di ricerca del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Bologna della Prof.ssa Fantazzini, sono stati comparati con le informazioni acquisite dal candidato tramite metodologie di conteggio cellulare (sia vive che morte) presenti in un campione sottoposto a forte e prolungato stress (assenza di terreno di coltura e di bilanciamento del sistema tampone tramite CO2 per 400 ore). Cellule da una linea di glioblastoma multiforme (T98G) mantenute in condizioni di coltura standard sono state preparate secondo lo stesso protocollo per entrambe le tecniche di indagine, e monitorate per intervalli di tempo paragonabili. Le immagini delle cellule ottenute al microscopio ottico in modalità “contrasto di fase” sono state acquisite e utilizzate per l’analisi. Una volta definito un metodo di conteggio sperimentale, è stato possibile dedurre il comportamento delle concentrazioni di cellule sopravvissute in funzione del tempo di campionamento. Da una serie ripetuta di esperimenti è stato caratterizzato un andamento nel tempo di tipo esponenziale decrescente per il numero di cellule vive, permettendo la stima della costante di decadimento in buon accordo tra i vari esperimenti. Un analogo modello esponenziale è stato utilizzato per la descrizione dell'aumento del numero di cellule morte. In questo caso, la difficoltà nell'individuare cellule morte integre (per la frammentazione delle membrane cellulari dopo la morte) ha contribuito a determinare una sistematica sottostima nei conteggi. Il confronto dei risultati NMR e microscopici indica che la diminuzione del numero di cellule vive corrisponde ad una analoga diminuzione degli H1 compartimentalizzati fino ad un tempo specifico di circa 50-60 ore in tutti gli esperimenti. Oltre questo tempo, i dati di NMR mostrano invece un incremento di H1 compartimentalizzati, quando invece il numero di cellule vive continua a diminuire in modo monotono. Per interpretare i risultati ottenuti, è stato quindi ipotizzato che, a partire da cellule morte frammentate, strutture micellari e liposomiali formate dai lipidi di membrana in soluzione possano intrappolare gli H1 liberi, aumentando il segnale di risposta della componente compartimentalizzata come evidenziato in NMR.

Digeribilità e bioaccessibilità di composti bioattivi in diverse cultivar di peperoni dolci

Un discreto numero di molecole biologicamente attive contenute nei cibi vegetali si suppone esercitino un ruolo preventivo e favorevole su molteplici funzioni dell’organismo, con meccanismi d’azione spesso legati alla modulazione diretta e indiretta dello stress ossidativo. Acido ascorbico, tocoferoli, carotenoidi, polifenoli, posseggono attività antiossidante e giocano un ruolo positivo nella conservazione dello stato di salute. L’elevato contenuto di essi nei peperoni dolci (Capsicum Annuum L.) ha incrementato l’interesse nei confronti di questi vegetali da parte del settore agronomico e dell’industria alimentare. È tuttavia noto che la concentrazione di composti bioattivi può essere molto diversa anche tra cultivar della stessa specie vegetale ed è pertanto importante evidenziare il contenuto quali-quantitativo delle varie molecole nelle diverse cultivar di peperoni dolci, in modo da evidenziare le più ricche di tali componenti. Occorre però tenere conto anche della biodisponibilità e bioaccessibilità dei diversi componenti funzionali. Infatti il possibile effetto positivo di tali molecole non dipende solo dal loro contenuto nell’alimento ma soprattutto dalla quantità che viene rilasciata dalla matrice alimentare durante il processo digestivo, e che quindi risulta essere potenzialmente biodisponibile e attivo nell’organismo. Scopo della ricerca presentata è stato valutare e confrontare la digeribilità e la bioaccessibilità di alcuni composti bioattivi antiossidanti in peperoni dolci rossi e gialli appartenenti a due diverse cultivar, Lamuyo e Corno di Toro. Il contenuto fenolico totale e di vitamina C, l’attività antiossidante totale sono stati determinati nei campioni di peperone digeriti in vitro, e comparati ai prodotti freschi, evidenziando differenze significative in termini di bioaccessibilità in particolare tra i peperoni rossi delle due cultivar. Sebbene il processo di digestione in vitro sia una simulazione parziale ed incompleta di quanto accade in vivo, la valutazione di un alimento dopo averlo sottoposto a tale processo rappresenta un importante progresso nello studio delle proprietà e del valore nutrizionale degli alimenti.

Influenza della tipologia di cereale e di fermentazione sulle possibili proprietà salutistiche del pane

Il rinnovato interesse da parte dei consumatori per le caratteristiche nutrizionali degli alimenti incentiva la ricerca in campo agroalimentare a sviluppare nuovi prodotti per il mercato attuale sempre più attento a salute e benessere. È in questo contesto che nasce a livello europeo il progetto Bake4Fun mirato allo sviluppo di soluzioni biotecnologiche innovative per la messa a punto di nuovi prodotti da forno funzionali. Nell’ambito di questo progetto europeo, lo scopo dello studio oggetto di questo elaborato di laurea è stato quello di valutare le proprietà antiossidanti e antinfiammatorie di diverse tipologie di pani creati ad hoc con farina di frumento o di farro e sottoposti a fermentazione convenzionale o con pasta madre (sourdough). Il farro appartiene alla famiglia dei cosiddetti “cereali antichi” e grazie al suo elevato profilo nutrizionale si presenta come un promettente candidato per la produzione di alimenti dalle proprietà benefiche. Similmente anche diverse tipologie di fermentazione sembrano in grado di possedere caratteristiche salutistiche. Pertanto, nell’ambito di B4F sono stati formulati e prodotti diversi tipi di pane e se ne sono voluti studiare i possibili effetti antiossidanti ed antiinfiammatori in vivo sul modello sperimentale del suino. Dopo 30 giorni di dieta arricchita con i diversi prodotti sperimentali miscelate in un rapporto di 1:1 con una dieta standard è stato valutato lo stato redox plasmatico mediante l’analisi di tre indicatori del danno ossidativo, quali TAC, GSH e TBARS. Il grado d’infiammazione è stato invece valutato attraverso l’analisi di otto citochine (IFNα, IFNγ, IL-1β, IL-4, IL-6, IL-8, IL-10 e TNFα) utilizzando un saggio multiparametrico di tipo ELISA. Tutti gli animali impiegati godevano di buona salute ed i loro plasmi sono stati analizzati sia all’inizio (T0) sia alla fine (T30) dell’esperimento. Sebbene i risultati conseguiti in relazione allo status ossidativo ed infiammatorio nei suini impiegati non abbiano evidenziato particolari differenze tra i diversi tipi di diete sperimentali, non si esclude che eventuali variazioni delle condizioni sperimentali possano portare a conclusioni diverse o che gli effetti siano maggiormente visibili a livello di altri parametri quali, ad esempio, la variazione della microflora intestinale o l’indice glicemico dei prodotti. Questa possibilità unitamente all’importanza degli effetti salutistici dei cereali antichi e delle diverse tipologie di fermentazione, giustificate da altre ricerche in letteratura, sottolineano la necessità di ulteriori studi in questo ambito.

Uso di acqua elettrolizzata per la decontaminazione di mele

Negli ultimi decenni le campagne di incoraggiamento del consumo di almeno 5 porzioni di frutta e verdura al giorno ha determinato un aumento da parte della popolazione del consumo di vegetali freschi. È ben noto infatti che i prodotti freschi sono un’importante risorsa di nutrienti, vitamine e fibre. Tra le varie tecniche di trattamento per diminuire la carica microbica in questi prodotti l’uso dell’ipoclorito di sodio rimane una delle soluzioni più utilizzate per la sua efficacia ed il basso costo. La domanda sempre più elevata da parte dei consumatori di prodotti di alta qualità sicuri ed economici è stato uno dei principali motivi che ha spinto l’industria verso lo sviluppo di tecniche di sanitizzazione alternative ai trattamenti tradizionali. Tra le varie tecniche messe a punto e studiate vi è l’acqua elettrolizzata che non sembra avere problemi di tossicità come altri sanitizzanti quali l’ipoclorito di sodio, la formaldeide e la glutaraldeide e tra i numerosi vantaggi presenta un ridotto tempo di pulizia, un facile utilizzo ed il basso costo. In questo lavoro si è voluto valutare se soluzioni di acqua elettrolizzata neutra (AE) possano essere impiegate come sanitizzanti per la decontaminazione di mele Golden Delicious. A tale scopo si sono effettuati lavaggi delle mele per immersione in AE a differente contenuto di cloro attivo (50, 100 e 200 ppm) verificando la riduzione della contaminazione superficiale rispetto sia alla microflora naturalmente presente, sia ad un patogeno deliberatamente inoculato sul prodotto, Listeria monocytogenes ceppo 56 Ly. A tale proposito si è voluto anche valutare l’effetto del livello di contaminazione iniziale di L. monocytogenes sull’efficacia dei lavaggi confrontandola con quella ottenuta con soluzioni di ipoclorito di sodio. Infine si è verificato se il potere antiossidante ed il contenuto in fenoli totali della buccia subiscono modificazioni a seguito dei lavaggi con AE neutra od ipoclorito di sodio alle condizioni adottate. I risultati di questa sperimentazione, sebbene preliminari, hanno evidenziato che l’acqua elettrolizzata può essere considerata una tecnica di decontaminazione promettente: infatti oltre ad avere un’azione sanitizzante simile all’ipoclorito nei confronti della microflora naturale, e di ridurre il rischio associato alla presenza di L. monocytogenes, non ha indotto modificazioni significative di un parametro qualitativo che caratterizza tale frutto quale l’attività antiossidante determinata, in larga misura, dall’elevato contenuto in fenoli.

Stabilizzazione di succo di melagrana mediante trattamenti termici

L’interesse da parte dell’industria alimentare verso il melograno sta aumentando in virtù delle sue caratteristiche nutrizionali, come ad esempio l’alto contenuto di composti fenolici, che rendono tale frutto interessante per la produzione di succhi funzionali. Studi riportano che il microbiota di tali frutti è rappresentato principalmente da lieviti, muffe, batteri mesofili e lattici che possono proliferare durante la conservazione dei succhi. L’obiettivo di questa tesi è stato quello di valutare l’effetto di trattamenti di pastorizzazione di sul livello di contaminazione microbica di succo di melagrana ottenuto da arilli di due cultivar. A tale scopo si è valutata l’efficacia delle condizioni di trattamento adottate nell’inattivare la microflora naturalmente presente nei succhi di frutta e la sua capacità di recuperare durante la fase di conservazione a temperature sia di refrigerazione, che ambiente. Inoltre si è realizzato un challenge test in cui i succhi sono stati deliberatamente contaminati con S. cerevisiae, L. plantarum e diversi patogeni. I risultati hanno mostrato come il succo di melagrana sia un prodotto a breve shelf-life (5 giorni) quando conservato a temperatura ambiente poichè soggetto ad un rapido sviluppo della microflora. Infatti, sebbene i livelli di contaminazione iniziale rilevati fossero complessivamente bassi, i lieviti hanno raggiunto rapidamente la soglia critica di spoilage (6 Log UFC/ml) nei succhi freschi. Le condizioni di trattamento termico adottate hanno portato ad una significativa riduzione della microflora a livelli inferiori al limite di rilevabilità, e le cellule sopravvissute al trattamento non sono state in grado di proliferare nel succo conservato a 4°C per quasi 2 mesi. Quando conservati a temperatura ambiente, i succhi esposti al processo più blando hanno presentato una shelf-life di circa 25 giorni, mentre questa è aumentata fino oltre 32 giorni nei prodotti trattati più a lungo.

Potenzialità applicative delle alte pressioni di omogeneizzazione nel settore alimentare

Le alte pressioni di omogeneizzazione sono considerate una tecnologia non termica basata sull’applicazione di pressioni comprese tra 60 e 400 MPa ad alimenti fluidi o fluidificabili, con un tempo di trattamento di pochi millisecondi. Questa tecnologia permette di ottenere una serie di effetti sull’alimento che variano in rapporto all’entità del trattamento applicato e alla matrice fluida considerata. Pertanto, le alte pressioni di omogeneizzazione rappresentano una delle tecnologie maggiormente studiate in ragione delle loro buone opportunità applicative a livello industriale. Tale tecnologia viene comunemente applicata per modificare le proprietà funzionali di alcune macromolecole caratteristiche degli alimenti ed ha permesso l’ottenimento di prodotti di origine lattiero-casearia ed anche succhi di frutta caratterizzati da migliore texture, gusto, flavour e aumentata shelf-life. L’omogeneizzazione ad alta pressione, considerata come trattamento di sanitizzazione a freddo, è in grado di disattivare sia microrganismi patogeni che degradativi presenti in un determinato sistema, contribuendo a ridurre o contenere quindi lo sviluppo microbico nei prodotti alimentari. L’effetto di tale tecnologia, quando applicata a livelli compresi tra 60-200 MPa bar è stato valutato nei confronti di diversi patogeni quali Escherichia coli, Listeria monocytogenes, Yersinia enterocolitica, Staphylococcus aureus, Salmonella typhimurium microrganismi degradativi, come Bacillus subtilis e lieviti, deliberatamente inoculati in prodotti diversi.

Scissione ossidativa di acido oleico catalizzata da nanoparticelle di oro supportate

Questo lavoro di tesi si occupa della sintesi, caratterizzazione e applicazione in catalisi di nanoparticelle d’oro (AuNPs) supportate su silice o allumina funzionalizzate con PPTEOS. L’attività catalitica di Au/OS@Yne (OS= SiO2, Al2O3), insieme a quella del catalizzatore commerciale AUROlite™ è investigata per la reazione di ossidazione dell’acido oleico (raw material) a prodotti a più alto valore aggiunto, come l’acido azelaico e l’acido pelargonico. Sono inoltre sintetizzati i catalizzatori Au/SiO2@Yne-TMS (modificato con trimetilsilossano) e Au/SiO2@Yne-NEt3 (modificato con trietilammina), per studiare sulla stessa reazione di ossidazione l’effetto dell’acidità del supporto di SiO2. Tutti i catalizzatori sintetizzati vengono caratterizzati per mezzo di diverse tecniche complementari quali la spettroscopia di assorbimento atomico (AAS), la microscopia a trasmissione elettronica (TEM), l’analisi termogravimetrica (TGA), la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) in modo da determinarne le caratteristiche chimiche e strutturali quali il contenuto percentuale in peso di Au(0) e il diametro delle nanoparticelle. Inoltre, sono stati condotti preliminari studi di catalisi per la reazione di scissione ossidativa dell’acido oleico tramite nanomateriali basati su film di ossidi di manganese (MnO2 e Mn3O4) sintetizzati tramite Chemical Vapor Deposition (CVD). I vari test catalitici sono stati eseguiti al fine di ricercare un’alternativa sostenibile al processo industriale di ozonolisi dell’acido oleico sfruttando ossidanti organici come il tert-butilidroperossido e inorganici come l’H2O2. Per tutti i catalizzatori sono variate diverse condizioni di reazione, quali il solvente, la temperatura, i tempi di reazione e gli equivalenti di ossidante, focalizzandosi sull’ottimizzazione della reazione di scissione ossidativa. Infine è eseguito uno studio accurato sulla migliore metodologia per la caratterizzazione dei prodotti di reazione, attraverso analisi NMR, GC-MS e GPC.

Sviluppo e ingegnerizzazione di sistemi ibridi a base di nanoparticelle inorganiche e microalghe da applicare nella depurazione acque

Lo scopo di questo lavoro di tesi consiste nella produzione e ingegnerizzazione di nuovi sistemi ibridi ottenuti accoppiando nanoparticelle di titania con la microalga Chlorella Vulgaris, per applicazione nel settore del risanamento delle acque reflue. Lo studio è stato rivolto all’ottimizzazione del materiale, il quale integra due proprietà: l’attività fotocatalitica sfruttata per la degradazione degli inquinanti organici conferita dalla titania e la capacità di biosorbimento di metalli pesanti tipica della biomassa. I risultati hanno evidenziato effetti sinergici positivi promossi dalla dispersione della microalga sulla superficie dell’ossido ed in grado di migliorare le performance di biorimediazione del materiale. Al fine di favorire l’applicazione industriale del sistema catalitico preparato, i campioni prodotti in sospensione sono stati ingegnerizzati rimuovendo il solvente tramite tecnologia di Spray-Freeze-Drying. Con l’obiettivo di ottimizzare la formulazione e correlare le proprietà chimico-fisiche dei materiali alle performance ottenute, è stata svolta un’approfondita caratterizzazione sia sulle sospensioni (ELS, DLS) che sui prodotti granulati (BET, SEM-FEG, SEM-EDS). Le prestazioni funzionali dei campioni preparati sono state valutate rispetto alla reazione modello di fotodegradazione della Rodamina B e nell’assorbimento del catione rameico.

Sviluppo e validazione di mappe di copertura nevosa per lo studio della variabilità del manto nevoso in Emilia Romagna nel periodo 2000-2020

Il telerilevamento satellitare costituisce una delle tecniche di osservazione maggiormente efficace nel monitoraggio e nello studio dell'estensione del manto nevoso. Il manto ricopre un ruolo di estrema importanza quale risorsa idrica per gli ecosistemi e per le applicazioni agricole e industriali. Inoltre, è un indicatore climatologico in un contesto di cambiamenti climatici regionali e globali. In questo senso, la copertura nevosa è da considerarsi come una importante risorsa economica e sociale. Lo scopo della presente tesi è di produrre mappe di copertura nevosa giornaliere per la stima dell'estensione del manto nevoso della regione Emilia-Romagna e di analizzare la sua variabilità spazio-temporale nel periodo 2000-2020. Le mappe sono state sviluppate sulla base dei prodotti di neve, M*D10A1, del sensore MODIS, che consistono in mappe di classificazione della copertura in funzione dell'indice NDSI. Inizialmente, è stato costruito un albero decisionale con criteri a soglia multipla in grado di rielaborare la classificazione della superficie del sensore e produrre mappe di copertura nevosa sulla base di tre classi: neve, no-neve e nube. L'accuratezza delle mappe è stata validata tramite test statistici effettuati confrontandole con i dati di altezza del manto nevoso in situ di 24 stazioni meteorologiche, per il periodo di compresenza dei dati 2000-2012. I risultati della procedura di validazione hanno mostrato come, in generale, vi sia buon accordo tra il dato satellitare e la rispettiva osservazione al suolo, soprattutto nei pressi di stazioni lontane da vegetazione sempreverde e/o di ambiente urbano. Infine, è stata valutata la variabilità climatologica dell'estensione del manto nevoso tramite l'elaborazione degli indici di neve SCF, SCD e diversi indici SCA. L'attenzione è stata particolarmente focalizzata sugli indici di massima estensione invernale del manto, del valore mediano e del numero di giorni con estensione superiore al 39.5% della regione.

Sviluppo ed ingegnerizzazione di nuovi sistemi ibridi a base di nanoparticelle inorganiche e bio-tensioattivi

In questo lavoro di tesi è stata investigata la sintesi di compositi a base di nano particelle di biossido di titanio rivestite da un bio-tensioattivo naturale. Il noto fotocatalizzatore (Nano-TiO2) è stato accoppiato ad un bio-tensioattivo dalle riconosciute proprietà antibatteriche, antivirali e anti-tumorali per ottenere un materiale composito multifunzionale. Diverse opzioni di design sono state investigate e la sintesi ottimizzata attraverso una caratterizzazione sistematica dei materiali prodotti, sia sulle sospensioni (DLS, ELS, TEM) sia sui prodotti granulati e calcinati (XRD, FT-IR, SEM, UV-Vis., BET). Per comprendere il ruolo del bio-tensioattivo e i potenziali effetti sinergici che il materiale composito potesse generare, si sono effettuate diverse caratterizzazioni funzionali testando il materiale per la realizzazione di nano-fasi fotocatalitiche da impiegare in processi di adsorbimento/degradazione di inquinanti acquosi, per la realizzazione di rivestimenti tessili antibatterici e come composito utile per l’assorbimento di metalli pesanti.

Impiego di fermentati vegetali per migliorare il profilo aromatico del pane

ABSTRACT Il lavoro svolto in questa tesi è stato quello di produrre dei pani andando a sostituire nella formulazione l’acqua con delle puree vegetali di mirtilli o peperoni, utilizzate fresche o fermentate. La fermentazione è stata condotta tramite due ceppi di batteri lattici (Leuconostoc mesenteroides L223 e Lactiplantibacillus plantarum L88) e due di lieviti (Saccharomyces cerevisiae Y267 e Hanseniaspora uvarum Y309), che erano stati precedentemente isolati dalle puree di mirtilli e peperoni fermentate spontaneamente, e che presentavano le migliori performances. Gli obiettivi di questa tesi erano di arricchire il profilo sensoriale e il contenuto in sostanze funzionali (ad esempio polifenoli e vitamine, di cui le matrici utilizzate sono particolarmente ricche) del pane. I prodotti ottenuti sono stati analizzati per monitorare gli aspetti chimico-fisici (pH, lievitazione dell’impasto) e il profilo aromatico. Sui diversi pani ottenuti è stato infine eseguito un test di assaggio per valutare l’accettabilità del prodotto ed una sua possibile introduzione nel mercato. I risultati delle analisi hanno mostrato un rilevante sviluppo di sostanze volatili nelle puree vegetali fermentate e queste molecole, in parte, sono state trasferite nel pane andando a modificare il suo profilo aromatico. L’aggiunta di puree fermentate ha quindi fortemente caratterizzato gli impasti e i pani ottenuti, che presentavano un profilo aromatico più complesso rispetto ai pani ottenuti con le sole puree vegetali non fermentate. Questo aspetto positivo è stato confermato dal test di assaggio, poiché i pani addizionati di puree fermentate (soprattutto mirtillo) hanno ottenuti punteggi positivi in termini di dolcezza, acidità e fruttato. Questo conferma le grandi potenzialità di questi pani, che oltre a differenziare i prodotti presenti sul mercato, possono andare a valorizzare matrici vegetali sovra-mature, e destinate ad essere scartate, o parti di vegetali non utilizzate nelle produzioni.

Design e territorio nei processi progettuali delle multinazionali

I valori di identità e appartenenza degli ecosistemi territoriali ben si combinano con la sperimentazione e l’innovazione indotta dal design. Il punto di partenza è stata l’analisi della relazione tra design e territorio. Il rapporto tra design e territorio è stato inoltre analizzato in relazione alle modalità in cui le aziende multinazionali interpretano questa dicotomia. È stata scelta, quindi, Ikea come azienda. Una multinazionale che produce e commercializza elementi di arredo. Sono stati analizzati diversi casi studio inerenti a progetti legati al territorio; nei quali sono state raccontate storie e tradizioni di luoghi e quindi di persone. L’output dell’indagine è un Framework metodologico, che indirizza il progettista all’interno di linee progettuali atte a connettere con i territori locali. Al fine di verificare il modello è stato necessario passare in rassegna da nord a sud, alcune delle principali e tradizionali tecniche di lavorazione del nostro Paese, facendo un focus sulla Sicilia. Tra le varie tecniche di lavorazione tipiche della cultura siciliana, è stata scelto il pizzo o merletto. In seguito allo studio della tecnica è stato selezionato e riprogettato un prodotto della produzione di Ikea. Il prodotto in questione è il tavolo vassoio GLADOM della collezione Ikea, a cui sarà aggiunto un elemento quadrato in ricamo che avrà una duplice funzione: porta riviste e sacca per trasportare il vassoio. Ma il forte riferimento al territorio non si limita al semplice utilizzo della tecnica, bensì si sviluppa attraverso l’impiego di un innovativo materiale: l’Orange Fiber. Questo è un innovativo tessuto, ricavato dalla lavorazione dei sottoprodotti degli agrumi siciliani. Mentre, la personalizzazione di tali prodotti avverrebbe all’interno di spazi collocati negli Store Ikea, denominati Territorial Hub; ovvero dei laboratori della tradizione territoriale, nei quali diverse maestranze si sperimenteranno nel dare una nuova identità a prodotti già consolidati.

Produzione di bioetanolo da scarti lignocellulosici della canna da zucchero: condizioni di saccarificazione e fermentazione simultanee (SSF) e aspetti ambientali del processo

Il presente studio ha avuto l’obiettivo di indagare la produzione di bioetanolo di seconda generazione a partire dagli scarti lignocellulosici della canna da zucchero (bagassa), facendo riscorso al processo enzimatico. L’attività di ricerca è stata svolta presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica dell’Università di Lund (Svezia) all’interno di rapporti scambio con l’Università di Bologna. Il principale scopo è consistito nel valutare la produzione di etanolo in funzione delle condizioni operative con cui è stata condotta la saccarificazione e fermentazione enzimatica (SSF) della bagassa, materia prima che è stata sottoposta al pretrattamento di Steam Explosion (STEX) con aggiunta di SO2 come catalizzatore acido. Successivamente, i dati ottenuti in laboratorio dalla SSF sono stati utilizzati per implementare, in ambiente AspenPlus®, il flowsheet di un impianto che simula tutti gli aspetti della produzione di etanolo, al fine di studiarne il rendimento energetico dell’intero processo. La produzione di combustibili alternativi alle fonti fossili oggigiorno riveste primaria importanza sia nella limitazione dell’effetto serra sia nel minimizzare gli effetti di shock geopolitici sulle forniture strategiche di un Paese. Il settore dei trasporti in continua crescita, consuma nei paesi industrializzati circa un terzo del fabbisogno di fonti fossili. In questo contesto la produzione di bioetanolo può portare benefici per sia per l’ambiente che per l’economia qualora valutazioni del ciclo di vita del combustibile ne certifichino l’efficacia energetica e il potenziale di mitigazione dell’effetto serra. Numerosi studi mettono in risalto i pregi ambientali del bioetanolo, tuttavia è opportuno fare distinzioni sul processo di produzione e sul materiale di partenza utilizzato per comprendere appieno le reali potenzialità del sistema well-to-wheel del biocombustibile. Il bioetanolo di prima generazione ottenuto dalla trasformazione dell’amido (mais) e delle melasse (barbabietola e canna da zucchero) ha mostrato diversi svantaggi: primo, per via della competizione tra l’industria alimentare e dei biocarburanti, in secondo luogo poiché le sole piantagioni non hanno la potenzialità di soddisfare domande crescenti di bioetanolo. In aggiunta sono state mostrate forti perplessità in merito alla efficienza energetica e del ciclo di vita del bioetanolo da mais, da cui si ottiene quasi la metà della produzione di mondiale di etanolo (27 G litri/anno). L’utilizzo di materiali lignocellulosici come scarti agricolturali e dell’industria forestale, rifiuti urbani, softwood e hardwood, al contrario delle precedenti colture, non presentano gli svantaggi sopra menzionati e per tale motivo il bioetanolo prodotto dalla lignocellulosa viene denominato di seconda generazione. Tuttavia i metodi per produrlo risultano più complessi rispetto ai precedenti per via della difficoltà di rendere biodisponibili gli zuccheri contenuti nella lignocellulosa; per tale motivo è richiesto sia un pretrattamento che l’idrolisi enzimatica. La bagassa è un substrato ottimale per la produzione di bioetanolo di seconda generazione in quanto è disponibile in grandi quantità e ha già mostrato buone rese in etanolo se sottoposta a SSF. La bagassa tal quale è stata inizialmente essiccata all’aria e il contenuto d’acqua corretto al 60%; successivamente è stata posta a contatto per 30 minuti col catalizzatore acido SO2 (2%), al termine dei quali è stata pretrattata nel reattore STEX (10L, 200°C e 5 minuti) in 6 lotti da 1.638kg su peso umido. Lo slurry ottenuto è stato sottoposto a SSF batch (35°C e pH 5) utilizzando enzimi cellulolitici per l’idrolisi e lievito di birra ordinario (Saccharomyces cerevisiae) come consorzio microbico per la fermentazione. Un obiettivo della indagine è stato studiare il rendimento della SSF variando il medium di nutrienti, la concentrazione dei solidi (WIS 5%, 7.5%, 10%) e il carico di zuccheri. Dai risultati è emersa sia una buona attività enzimatica di depolimerizzazione della cellulosa che un elevato rendimento di fermentazione, anche per via della bassa concentrazione di inibitori prodotti nello stadio di pretrattamento come acido acetico, furfuraldeide e HMF. Tuttavia la concentrazione di etanolo raggiunta non è stata valutata sufficientemente alta per condurre a scala pilota un eventuale distillazione con bassi costi energetici. Pertanto, sono stati condotti ulteriori esperimenti SSF batch con addizione di melassa da barbabietola (Beta vulgaris), studiandone preventivamente i rendimenti attraverso fermentazioni alle stesse condizioni della SSF. I risultati ottenuti hanno suggerito che con ulteriori accorgimenti si potranno raggiungere gli obiettivi preposti. E’ stato inoltre indagato il rendimento energetico del processo di produzione di bioetanolo mediante SSF di bagassa con aggiunta di melassa in funzione delle variabili più significative. Per la modellazione si è fatto ricorso al software AspenPlus®, conducendo l’analisi di sensitività del mix energetico in uscita dall’impianto al variare del rendimento di SSF e dell’addizione di saccarosio. Dalle simulazioni è emerso che, al netto del fabbisogno entalpico di autosostentamento, l’efficienza energetica del processo varia tra 0.20 e 0.53 a seconda delle condizioni; inoltre, è stata costruita la curva dei costi energetici di distillazione per litro di etanolo prodotto in funzione delle concentrazioni di etanolo in uscita dalla fermentazione. Infine sono già stati individuati fattori su cui è possibile agire per ottenere ulteriori miglioramenti sia in laboratorio che nella modellazione di processo e, di conseguenza, produrre con alta efficienza energetica bioetanolo ad elevato potenziale di mitigazione dell’effetto serra.

Sistema per la gestione di basi di dati relazionali da XML

Nello sviluppo di sistemi informatici si sono affermate numerose tecnologie, che vanno utilizzate in modo combinato e, possibilmente sinergico. Da una parte, i sistemi di gestione di basi di dati relazionali consentono una gestione efficiente ed efficace di dati persistenti, condivisi e transazionali. Dall'altra, gli strumenti e i metodi orientati agli oggetti (linguaggi di programmazione, ma anche metodologie di analisi e progettazione) consentono uno sviluppo efficace della logica applicativa delle applicazioni. E’ utile in questo contesto spiegare che cosa s'intende per sistema informativo e sistema informatico. Sistema informativo: L'insieme di persone, risorse tecnologiche, procedure aziendali il cui compito è quello di produrre e conservare le informazioni che servono per operare nell'impresa e gestirla. Sistema informatico: L'insieme degli strumenti informatici utilizzati per il trattamento automatico delle informazioni, al fine di agevolare le funzioni del sistema informativo. Ovvero, il sistema informatico raccoglie, elabora, archivia, scambia informazione mediante l'uso delle tecnologie proprie dell'Informazione e della Comunicazione (ICT): calcolatori, periferiche, mezzi di comunicazione, programmi. Il sistema informatico è quindi un componente del sistema informativo. Le informazioni ottenute dall'elaborazione dei dati devono essere salvate da qualche parte, in modo tale da durare nel tempo dopo l'elaborazione. Per realizzare questo scopo viene in aiuto l'informatica. I dati sono materiale informativo grezzo, non (ancora) elaborato da chi lo riceve, e possono essere scoperti, ricercati, raccolti e prodotti. Sono la materia prima che abbiamo a disposizione o produciamo per costruire i nostri processi comunicativi. L'insieme dei dati è il tesoro di un'azienda e ne rappresenta la storia evolutiva. All'inizio di questa introduzione è stato accennato che nello sviluppo dei sistemi informatici si sono affermate diverse tecnologie e che, in particolare, l'uso di sistemi di gestione di basi di dati relazionali comporta una gestione efficace ed efficiente di dati persistenti. Per persistenza di dati in informatica si intende la caratteristica dei dati di sopravvivere all'esecuzione del programma che li ha creati. Se non fosse cosi, i dati verrebbero salvati solo in memoria RAM e sarebbero persi allo spegnimento del computer. Nella programmazione informatica, per persistenza si intende la possibilità di far sopravvivere strutture dati all'esecuzione di un programma singolo. Occorre il salvataggio in un dispositivo di memorizzazione non volatile, come per esempio su un file system o su un database. In questa tesi si è sviluppato un sistema che è in grado di gestire una base di dati gerarchica o relazionale consentendo l'importazione di dati descritti da una grammatica DTD. Nel capitolo 1 si vedranno più in dettaglio cosa di intende per Sistema Informativo, modello client-server e sicurezza dei dati. Nel capitolo 2 parleremo del linguaggio di programmazione Java, dei database e dei file XML. Nel capitolo 3 descriveremo un linguaggio di analisi e modellazione UML con esplicito riferimento al progetto sviluppato. Nel capitolo 4 descriveremo il progetto che è stato implementato e le tecnologie e tools utilizzati.