Cyclotron production of 11^C: experimental assessment of saturation yield and validation with Monte Carlo simulation

Nell'ambito della Fisica Medica, le simulazioni Monte Carlo sono uno strumento sempre più diffuso grazie alla potenza di calcolo dei moderni calcolatori, sia nell'ambito diagnostico sia in terapia. Attualmente sono disponibili numerosi pacchetti di simulazione Monte Carlo di carattere "general purpose", tra cui Geant4. Questo lavoro di tesi, svolto presso il Servizio di Fisica Sanitaria del Policlinico "S.Orsola-Malpighi", è basato sulla realizzazione, utilizzando Geant4, di un modello Monte Carlo del target del ciclotrone GE-PETtrace per la produzione di C-11. Nel modello sono stati simulati i principali elementi caratterizzanti il target ed il fascio di protoni accelerato dal ciclotrone. Per la validazione del modello sono stati valutati diversi parametri fisici, tra i quali il range medio dei protoni nell'azoto ad alta pressione e la posizione del picco di Bragg, confrontando i risultati con quelli forniti da SRIM. La resa a saturazione relativa alla produzione di C-11 è stata confrontata sia con i valori forniti dal database della IAEA sia con i dati sperimentali a nostra disposizione. Il modello è stato anche utilizzato per la stima di alcuni parametri di interesse, legati, in particolare, al deterioramento dell'efficienza del target nel corso del tempo. L'inclinazione del target, rispetto alla direzione del fascio di protoni accelerati, è influenzata dal peso del corpo del target stesso e dalla posizione in cui questo é fissato al ciclotrone. Per questo sono stati misurati sia il calo della resa della produzione di C-11, sia la percentuale di energia depositata dal fascio sulla superficie interna del target durante l'irraggiamento, al variare dell'angolo di inclinazione del target. Il modello che abbiamo sviluppato rappresenta, dunque, un importante strumento per la valutazione dei processi che avvengono durante l'irraggiamento, per la stima delle performance del target nel corso del tempo e per lo sviluppo di nuovi modelli di target.

Outdoor production of Isochrysis galbana (T-iso) in industrial scale photobioreactors and modelling of its photosynthesis and respiration rate

Isochrysis galbana is a widely-used strain in aquaculture in spite of its low productivity. To maximize the productivity of processes based on this microalgae strain, a model was developed considering the influence of irradiance, temperature, pH and dissolved oxygen concentration on the photosynthesis and respiration rate. Results demonstrate that this strain tolerates temperatures up to 35ºC but it is highly sensitive to irradiances higher than 500 µE·m-2·s-1 and dissolved oxygen concentrations higher than 11 mg·l-1. With the researcher group of the “Universidad de Almeria”, the developed model was validated using data from an industrial-scale outdoor tubular photobioreactor demonstrating that inadequate temperature and dissolved oxygen concentrations reduce productivity to half that which is maximal, according to light availability under real outdoor conditions. The developed model is a useful tool for managing working processes, especially in the development of new processes based on this strain and to take decisions regarding optimal control strategies. Also the outdoor production of Isochrysis galbana T-iso in industrial size tubular photobioreactors (3.0 m3) has been studied. Experiments were performed modifying the dilution rate and evaluating the biomass productivity and quality, in addition to the overall performance of the system. Results confirmed that T-iso can be produced outdoor at commercial scale in continuous mode, productivities up to 20 g·m-2·day-1 of biomass rich in proteins (45%) and lipids (25%) being obtained. The utilization of this type of photobioreactors allows controlling the contamination and pH of the cultures, but daily variation of solar radiation imposes the existence of inadequate dissolved oxygen concentration and temperature at which the cells are exposed to inside the reactor. Excessive dissolved oxygen reduced the biomass productivity to 68% of maximal, whereas inadequate temperature reduces to 63% of maximal. Thus, optimally controlling these parameters the biomass productivity can be duplicated. These results confirm the potential to produce this valuable strain at commercial scale in optimally designed/operated tubular photobioreactors as a biotechnological industry.