Microfluidic microbial fuel cell fabrication and rapid screening of electrochemically microbes

The demand for novel renewable energy sources, together with the new findings on bacterial electron transport mechanisms and the progress in microbial fuel cell design, have raised a noticeable interest in microbial power generation. Microbial fuel cell (MFC) is an electrochemical device that converts organic substrates into electricity via catalytic conversion by microorganism. It has represented a continuously growing research field during the past few years. The great advantage of this device is the direct conversion of the substrate into electricity and in the future, MFC may be linked to municipal waste streams or sources of agricultural and animal waste, providing a sustainable system for waste treatment and energy production. However, these novel green technologies have not yet been used for practical applications due to their low power outputs and challenges associated with scale-up, so in-depth studies are highly necessary to significantly improve and optimize the device working conditions. For the time being, the micro-scale MFCs show great potential in the rapid screening of electrochemically active microbes. This thesis presents how it will be possible to optimize the properties and design of the micro-size microbial fuel cell for maximum efficiency by understanding the MFC system. So it will involve designing, building and testing a miniature microbial fuel cell using a new species of microorganisms that promises high efficiency and long lifetime. The new device offer unique advantages of fast start-up, high sensitivity and superior microfluidic control over the measured microenvironment, which makes them good candidates for rapid screening of electrode materials, bacterial strains and growth media. It will be made in the Centre of Hybrid Biodevices (Faculty of Physical Sciences and Engineering, University of Southampton) from polymer materials like PDMS. The eventual aim is to develop a system with the optimum combination of microorganism, ion exchange membrane and growth medium. After fabricating the cell, different bacteria and plankton species will be grown in the device and the microbial fuel cell characterized for open circuit voltage and power. It will also use photo-sensitive organisms and characterize the power produced by the device in response to optical illumination.

Development and application of a thermo-hydraulic model supporting the design and the deterministic safety analysis in a sodium cooled fast reactor

Il CP-ESFR è un progetto integrato di cooperazione europeo sui reattori a sodio SFR realizzato sotto il programma quadro EURATOM 7, che unisce il contributo di venticinque partner europei. Il CP-ESFR ha l'ambizione di contribuire all'istituzione di una "solida base scientifica e tecnica per il reattore veloce refrigerato a sodio, al fine di accelerare gli sviluppi pratici per la gestione sicura dei rifiuti radioattivi a lunga vita, per migliorare le prestazioni di sicurezza, l'efficienza delle risorse e il costo-efficacia di energia nucleare al fine di garantire un sistema solido e socialmente accettabile di protezione della popolazione e dell'ambiente contro gli effetti delle radiazioni ionizzanti. " La presente tesi di laurea è un contributo allo sviluppo di modelli e metodi, basati sull’uso di codici termo-idraulici di sistema, per l’ analisi di sicurezza di reattori di IV Generazione refrigerati a metallo liquido. L'attività è stata svolta nell'ambito del progetto FP-7 PELGRIMM ed in sinergia con l’Accordo di Programma MSE-ENEA(PAR-2013). Il progetto FP7 PELGRIMM ha come obbiettivo lo sviluppo di combustibili contenenti attinidi minori 1. attraverso lo studio di due diverse forme: pellet (oggetto della presente tesi) e spherepac 2. valutandone l’impatto sul progetto del reattore CP-ESFR. La tesi propone lo sviluppo di un modello termoidraulico di sistema dei circuiti primario e intermedio del reattore con il codice RELAP5-3D© (INL, US). Tale codice, qualificato per il licenziamento dei reattori nucleari ad acqua, è stato utilizzato per valutare come variano i parametri del core del reattore rilevanti per la sicurezza (es. temperatura di camicia e di centro combustibile, temperatura del fluido refrigerante, etc.), quando il combustibile venga impiegato per “bruciare” gli attinidi minori (isotopi radioattivi a lunga vita contenuti nelle scorie nucleari). Questo ha comportato, una fase di training sul codice, sui suoi modelli e sulle sue capacità. Successivamente, lo sviluppo della nodalizzazione dell’impianto CP-ESFR, la sua qualifica, e l’analisi dei risultati ottenuti al variare della configurazione del core, del bruciamento e del tipo di combustibile impiegato (i.e. diverso arricchimento di attinidi minori). Il testo è suddiviso in sei sezioni. La prima fornisce un’introduzione allo sviluppo tecnologico dei reattori veloci, evidenzia l’ambito in cui è stata svolta questa tesi e ne definisce obbiettivi e struttura. Nella seconda sezione, viene descritto l’impianto del CP-ESFR con attenzione alla configurazione del nocciolo e al sistema primario. La terza sezione introduce il codice di sistema termico-idraulico utilizzato per le analisi e il modello sviluppato per riprodurre l’impianto. Nella sezione quattro vengono descritti: i test e le verifiche effettuate per valutare le prestazioni del modello, la qualifica della nodalizzazione, i principali modelli e le correlazioni più rilevanti per la simulazione e le configurazioni del core considerate per l’analisi dei risultati. I risultati ottenuti relativamente ai parametri di sicurezza del nocciolo in condizioni di normale funzionamento e per un transitorio selezionato sono descritti nella quinta sezione. Infine, sono riportate le conclusioni dell’attività.

Modelling and Verification of a Correction Factor to Evaluate the Efficiency of Solar Thermal Collectors with the Rapid Test Method

A new method for the evaluation of the efficiency of parabolic trough collectors, called Rapid Test Method, is investigated at the Solar Institut Jülich. The basic concept is to carry out measurements under stagnation conditions. This allows a fast and inexpensive process due to the fact that no working fluid is required. With this approach, the temperature reached by the inner wall of the receiver is assumed to be the stagnation temperature and hence the average temperature inside the collector. This leads to a systematic error which can be rectified through the introduction of a correction factor. A model of the collector is simulated with COMSOL Multipyisics to study the size of the correction factor depending on collector geometry and working conditions. The resulting values are compared with experimental data obtained at a test rig at the Solar Institut Jülich. These results do not match with the simulated ones. Consequentially, it was not pos-sible to verify the model. The reliability of both the model with COMSOL Multiphysics and of the measurements are analysed. The influence of the correction factor on the rapid test method is also studied, as well as the possibility of neglecting it by measuring the receiver’s inner wall temperature where it receives the least amount of solar rays. The last two chapters analyse the specific heat capacity as a function of pressure and tem-perature and present some considerations about the uncertainties on the efficiency curve obtained with the Rapid Test Method.

Gyrokinetic modelling of plasma transport and investigation on test particle dynamics

Turbulent plasmas inside tokamaks are modeled and studied using guiding center theory, applied to charged test particles, in a Hamiltonian framework. The equations of motion for the guiding center dynamics, under the conditions of a constant and uniform magnetic field and turbulent electrostatic field are derived by averaging over the fast gyroangle, for the first and second order in the guiding center potential, using invertible changes of coordinates such as Lie transforms. The equations of motion are then made dimensionless, exploiting temporal and spatial periodicities of the model chosen for the electrostatic potential. They are implemented numerically in Python. Fast Fourier Transform and its inverse are used. Improvements to the original Python scripts are made, notably the introduction of a power-law curve fitting to account for anomalous diffusion, the possibility to integrate the equations in two steps to save computational time by removing trapped trajectories, and the implementation of multicolored stroboscopic plots to distinguish between trapped and untrapped guiding centers. The post-processing of the results is made in MATLAB. The values and ranges of the parameters chosen for the simulations are selected based on numerous simulations used as feedback tools. In particular, a recurring value for the threshold to detect trapped trajectories is evidenced. Effects of the Larmor radius, the amplitude of the guiding center potential and the intensity of its second order term are studied by analyzing their diffusive regimes, their stroboscopic plots and the shape of guiding center potentials. The main result is the identification of cases anomalous diffusion depending on the values of the parameters (mostly the Larmor radius). The transitions between diffusive regimes are identified. The presence of highways for the super-diffusive trajectories are unveiled. The influence of the charge on these transitions from diffusive to ballistic behaviors is analyzed.

Metodi strumentali per l'analisi della frazione volatile in oli di oliva vergini come supporto al panel test

L’olio di oliva è tra i prodotti alimentari principali della dieta mediterranea e possiede delle caratteristiche salutistiche, compositive e sensoriali peculiari. La qualità e la genuinità dell’olio di oliva vergine sono valutate sia mediante determinazioni analitiche chimiche e strumentali, sia attraverso l’analisi sensoriale. Quest’ultima, realizzata con il metodo del panel test, è tra i metodi ufficiali per la classificazione degli oli di oliva vergini nelle tre categorie commerciali extra vergine, vergine e lampante. Tuttavia, l’analisi sensoriale presenta dei limiti legati, in particolare, al numero elevato di campioni di olio da analizzare rispetto alle capacità di lavoro dei panel. Negli ultimi anni è aumentata, così, la necessità di sviluppare e validare metodi analitici strumentali che, pre-classificando gli oli in esame, siano di supporto al panel test e possano ridurre il numero di campioni da sottoporre ad analisi sensoriale. In questo elaborato di tesi sono state prese in considerazione due diverse tecniche analitiche, la gas cromatografica accoppiata alla spettrometria a mobilità ionica (HS-GC-IMS) e la flash gas cromatografia (FGC E-nose), entrambe impiegate per la valutazione della frazione volatile dell’olio di oliva, responsabile degli attributi olfattivi del prodotto. Utilizzando i risultati ottenuti applicando queste due tecniche, mediante analisi multivariata, è stato possibile stimare la categoria merceologica di ogni campione appartenente ad un set di 52 oli di oliva vergini, classificandoli con un determinato livello di probabilità. Entrambe le metodiche analitiche sono già state utilizzate e valutate in precedenti studi; con la sperimentazione effettuata nell’ambito di questa tesi è stato possibile confermare l’efficacia dei modelli di stima che possono essere impiegati con finalità di screening in supporto al panel test, nell’ottica di renderli sempre più robusti ed affidabili per la classificazione degli oli di oliva vergini.

L'accuratezza diagnostica dei test clinici per la sindrome dello stretto toracico: una revisione sistematica della letteratura

Obiettivo: indagare l’accuratezza diagnostica dei principali test provocativi per la diagnosi di sindrome dello stretto toracico (TOS) neurogena. Metodi: tra Aprile e Settembre 2022 sono state condotte ricerche su 5 banche dati/motori di ricerca elettronici, utilizzando stringhe di ricerca costituite da parole chiave e termini MeSh (Medical Subject Headings). Sono stati inclusi tutti gli studi che indagassero l’accuratezza diagnostica dei test clinici. La valutazione metodologica degli studi è avvenuta attraverso lo strumento di critical appraisal CASP Checklist per gli studi diagnostici. È stata svolta una sintesi qualitativa degli studi considerati eleggibili. Risultati: sono stati identificati in totale 7784 studi, ma solo 12 sono stati inclusi nella revisione. Gli index test indagati erano diversi nei vari studi, così come i reference standard con cui venivano comparati (quando presenti). La qualità metodologica della maggior parte degli studi si è rivelata bassa. L’assenza di reporting standard crea un’eterogeneità tale non permettere la comparazione e la sintesi dei risultati con strumenti statistici. Gli studi sull’accuratezza diagnostica delle manovre provocative sono tra loro contrastanti in termini di risultati e non è possibile trarre conclusioni sicure. Nemmeno gli esami di imaging sembrano così utili per la diagnosi di TOS, ma devono essere utilizzati solo per escludere altre condizioni che possono mimare quadri di TOS neurogenico. Conclusione: la letteratura disponibile non sembra supportare l’utilizzo dei test clinici per la diagnosi di TOS. Al fine di migliorare la ricerca futura, dovrebbero essere introdotti criteri diagnostici univocamente accettati per aiutare nella diagnosi, oltre a ben definite linee guida per il reporting, al fine di creare omogeneità tra gli studi, come suggerito dal comitato della Società di Chirurgia Vascolare.