Produzione di biopolimeri da fanghi di depurazione mediante processi ibridi termochimici-biologici

Il presente lavoro di tesi riguarda lo sviluppo di un innovativo processo di produzione di poliidrossialcanoati (PHA), volto a diminuire i costi ed incrementare la sostenibilità ambientale dei processi attualmente utilizzati per produrre PHA. A tal fine sono state utilizzate colture microbiche miste (MMC) presenti nei fanghi attivi derivanti dai processi di depurazione delle acque reflue e substrati di scarto dell’industria vitivinicola. I substrati sono stati inizialmente fermentati anaerobicamente per ottenere acidi grassi volatili (VFA), fonte di carbonio ideale per produrre PHA tramite MMC. Il processo di produzione sviluppato nel presente lavoro di tesi è suddiviso in tre stadi, mediante l'accoppiamento di processi termochimici e biologici: 1. Fermentazione anaerobica di varie matrici di scarto provenienti dall'industria vitivinicola per produrre VFA. Tutti i substrati sono stati testati sia con inoculo tal quale e sia con inoculo autoclavato per inibire l’attività degli Archea metanogeni. Nel primo caso sono stati ottenuti elevati quantitativi di biogas (~70% di resa), mentre il pre-trattamento dell’inoculo ha portato un’elevata produzione di VFA, soprattutto nel caso della vinaccia (45% di resa). 2. Pre-trattamento termochimico dei fanghi di depurazione e scarti tramite pirolisi al fine di rendere il carbonio contenuto negli scarti più disponibile per i batteri anaerobi. In questo caso le rese di VFA sono sensibilmente aumentate rispetto alla digestione della biomassa tal quale, con valori prossimi al 99% nel caso della vinaccia. 3. Valutazione delle capacità delle popolazioni batteriche che compongono il fango aerobico di accumulare naturalmente PHA, testando fanghi provenienti da impianti di depurazione sia industriali che urbani. Solo le comunità batteriche presenti nei fanghi di tipo urbano hanno mostrato buona potenzialità di accumulare PHA, senza che questi siano stati inizialmente sottoposti a regimi ciclici alimentari.

Studio di fattibilità di un impianto di servizio cogenerativo per un'industria farmaceutica

Il seguente elaborato analizza lo studio di fattibilità di un impianto di servizio cogenerativo per un’industria farmaceutica. Il sito industriale preso in esame ben si presta all’istallazione di un cogeneratore, vista la contemporanea richiesta di energia elettrica e termica. Grazie all’analisi dei dati di partenza relativi all’impianto industriale, verrà scelta la tipologia e la taglia ottimale del gruppo, nonché la sua migliore ubicazione. Attraverso una profonda analisi economica verrà mostrata la redditività del progetto.

La specificazione geometrica dei prodotti nella progettazione di componenti per l'industria aerospaziale

La presente tesi affronta il tema del disegno costruttivo e della specificazione geometrica dei componenti, tema molto importante per il settore aerospaziale in cui il costo dei componenti è tipicamente alto, la produzione è delocalizzata, la precisione di lavorazione richiesta è elevata e gli elementi di un velivolo vengono assemblati in luoghi diversi da quelli di produzione. Dopo un attento esame delle normative che vengono commentate in modo ragionato, si passa ad un caso di studio rappresentato dalla quotatura della testa del rotore di un elicottero. Essa è stata modellata in un sistema CAD e sono stati realizzati i disegni costruttivi. Nell'ultima parte del lavoro si passa ad una valutazione di come i sistemi CAD attuali siano in grado di assicurare la corretta gestione di quote e tolleranze. Si può infine dire che la conoscenza e corretta applicazione delle norme di specificazione geometrica dei prodotti è fondamentale nel settore aeronautico e può aiutare a risolvere problemi come: difficoltà di controllo di componenti realizzati, scarto di componenti in realtà funzionali, riduzione di problematiche di assemblaggio di componenti.

Manutenzione su condizione e analisi dei ricambi per macchine automatiche nell’ottica industria 4.0. Il caso SACMI S.C.

In questo elaborato di tesi si affronta uno studio inerente alla Manutenzione su Condizione (CBM), applicata ad una macchina automatica adibita alla produzione di capsule in plastica, in collaborazione con il gruppo SACMI S.C. di Imola. Nel Capitolo 1 viene fornita una introduzione sul tema della manutenzione e sulla sua evoluzione dalla prima rivoluzione industriale ad oggi. Nel Capitolo 2 vengono descritti i principi teorici della manutenzione predittiva e se ne analizza lo stato dell’arte. Nel Capitolo 3 viene fornita una introduzione sull’azienda SACMI S.C. e in seguito vengono descritte nel dettaglio le macchine sulle quali si sono concentrate le successive analisi. Nel Capitolo 4 viene approfondito l’estrusore, uno dei componenti principali delle macchine analizzate. Nel Capitolo 5 viene presentato un esempio di valutazione dell’efficienza di alcune macchine collegate in serie attraverso il calcolo di un indicatore chiamato Overall Equipment Effectiveness (OEE). Il Capitolo 6 rappresenta il cuore della tesi e contiene tutte le analisi di CBM effettuate durante il periodo di tirocinio. Vengono analizzati i principali gruppi funzionali della macchina a partire da quelli più critici per tempi o costi di manutenzione. Le analisi sono state condotte ricercando all’interno di tutto il parco macchine quelle che presentavano delle condizioni di funzionamento sospette. Nel Capitolo 7 vengono presentate alcune analisi relative ai tempi di fermo macchina dovuti alle manutenzioni preventive e ai costi dei ricambi previsti dal manuale di manutenzione. Queste analisi vengono poi declinate su un caso reale nel quale si calcola il costo dei ricambi negli ultimi cinque anni distinguendo tra costi dovuti ad azioni preventive o correttive. Nel Capitolo 8 vengono presentate le conclusioni, mentre nel Capitolo 9 sono presentati gli sviluppi futuri di questo lavoro.

Biotecnologie per la valorizzazione di scarti e sottoprodotti dell'industria delle carni

La popolazione mondiale aumenterà fino a 9.9 miliardi entro il 2050, soprattutto nei paesi in via di sviluppo. Per far fronte a questo incremento risulta necessaria la disponibilità di fonti proteiche accessibili e sicure per nutrire la popolazione in crescita; pertanto, la produzione globale di carne dovrà aumentare di circa 200 milioni di tonnellate annue. Tuttavia, per raggiungere gli obiettivi di sviluppo sostenibile fissati dall’Agenda 2030 dell’ONU, aumentare la produzione di carne per sopperire alla questione dell’approvvigionamento proteico non risulta essere una soluzione congrua in quanto alimenterebbe l’impatto delle attività industriali sull’inquinamento ambientale e sul riscaldamento globale. Tutte le varie fasi di macellazione e lavorazione portano inevitabilmente alla produzione di sottoprodotti di lavorazione che possono essere edibili o non edibili. Questi sottoprodotti contengono ancora sostanze che possono essere valorizzate in molecole ad alto valore aggiunto attraverso processi di trasformazione o biotrasformazione e stabilizzazione per essere poi utilizzati come ingredienti negli alimenti, ma non solo. Lo scopo di questa tesi è stato quello di esaminare l’effettiva problematica della valorizzazione dei sottoprodotti dell’industria alimentare, in modo particolare quella della carne, ponendo particolare attenzione all’utilizzo delle biotecnologie, che prevedono l’utilizzo di microrganismi veri e propri o molecole da essi prodotte, come gli enzimi. Seppur, in generale, la ricerca in questo ambito non è ancora molto sviluppata rispetto ad altri settori, la selezione di microorganismi ed enzimi specifici per valorizzare scarti e sottoprodotti ottenuti dall’industria della carne e l’ottimizzazione di processi biotecnologici “su misura” per ottenere composti ad alto valore aggiunto rappresentano una sfida importante per questo settore che ha ancora molte potenzialità di espansione.

Modellazione e simulazione di un processo di produzione per l'industria 4.0

In un mondo in continua trasformazione cresce sempre più il numero delle aziende che hanno colto l’importanza della digitalizzazione dei processi produttivi. Alcune di esse si affidano ad esperti capaci di suggerire soluzioni per ottenere servizi di alta qualità e fruibilità con l’integrazione di sistemi gestionali. Il presente lavoro di tesi ha come obiettivo l’analisi del processo produttivo di una azienda che realizza armadi per stazioni di ricarica elettrica serie terra a colonna. Si compone di sei capitoli, il primo affronta il tema della Simulazione e le sue principali caratteristiche per analizzare un processo di produzione; il secondo esamina i linguaggi, le applicazioni e i modelli di simulazione; il terzo analizza e descrive le peculiarità e le caratteristiche del software utilizzato per la simulazione; il quarto capitolo affronta il tema dell’industria 4.0 spingendo all’innovazione nei sistemi produttivi per raggiungere una produzione del tutto automatizzata e interconnessa; nel quinto viene descritto il modello digitale per ottenere in modo preciso un oggetto fisico, così da avere una Simulazione precisa, infine, il sesto esamina la Simulazione e Modellizzazione come strumento per l’ottimizzazione del processo produttivo riguardante armadi per stazioni di ricarica elettrica serie terra a colonna. Il raggiungimento dell’uso della simulazione come supporto all’analisi dinamica di un processo consente di avere una panoramica complessiva di tutte le operazioni, rappresentando, così un vantaggio per le aziende che possono valutare con oggettività soluzioni progettuali alternative, di cui è difficile prevedere il comportamento, le prestazioni e l’impatto su altri sistemi. Questi risultati sono la risposta alle necessità di disporre strumenti per l’anticipazione, il dimensionamento e il contenimento dei rischi di progetto.

Processo biotecnologico a cellule immobilizzate per la produzione di acidi grassi volatili da acque di vegetazione

Le acque di vegetazione (AV) costituiscono un serio problema di carattere ambientale, sia a causa della loro elevata produzione sia per l’ elevato contenuto di COD che oscilla fra 50 e 150 g/l. Le AV sono considerate un refluo a tasso inquinante fra i più elevati nell’ambito dell’industria agroalimentare e la loro tossicità è determinata in massima parte dalla componente fenolica. Il presente lavoro si propone di studiare e ottimizzare un processo non solo di smaltimento di tale refluo ma anche di una sua valorizzazione, utlizzandolo come materia prima per la produzione di acidi grassi e quindi di PHA, polimeri biodegradabili utilizzabili in varie applicazioni. A tale scopo sono stati utilizzati due bioreattori anaerobici a biomassa adesa, di identica configurazione, con cui si sono condotti due esperimenti in continuo a diverse temperature e carichi organici al fine di studiare l’influenza di tali parametri sul processo. Il primo esperimento è stato condotto a 35°C e carico organico pari a 12,39 g/Ld, il secondo a 25°C e carico organico pari a 8,40 g/Ld. Si è scelto di allestire e mettere in opera un processo a cellule immobilizzate in quanto questa tecnologia si è rivelata vantaggiosa nel trattamento continuo di reflui ad alto contenuto di COD e carichi variabili. Inoltre si è scelto di lavorare in continuo poiché tale condizione, per debiti tempi di ritenzione idraulica, consente di minimizzare la metanogenesi, mediata da microrganismi con basse velocità specifiche di crescita. Per costituire il letto fisso dei due reattori si sono utilizzati due diversi tipi di supporto, in modo da poter studiare anche l’influenza di tale parametro, in particolare si è fatto uso di carbone attivo granulare (GAC) e filtri ceramici Vukopor S10 (VS). Confrontando i risultati si è visto che la massima quantità di VFA prodotta nell’ambito del presente studio si ha nel VS mantenuto a 25°C: in tale condizione si arriva infatti ad un valore di VFA prodotti pari a 524,668 mgCOD/L. Inoltre l’effluente in uscita risulta più concentrato in termini di VFA rispetto a quello in entrata: nell’alimentazione la percentuale di materiale organico presente sottoforma di acidi grassi volatili era del 54 % e tale percentuale, in uscita dai reattori, ha raggiunto il 59 %. Il VS25 rappresenta anche la condizione in cui il COD degradato si è trasformato in percentuale minore a metano (2,35 %) e questo a prova del fatto che l’acidogenesi ha prevalso sulla metanogenesi. Anche nella condizione più favorevole alla produzione di VFA però, si è riusciti ad ottenere una loro concentrazione in uscita (3,43 g/L) inferiore rispetto a quella di tentativo (8,5 g/L di VFA) per il processo di produzione di PHA, sviluppato da un gruppo di ricerca dell’università “La Sapienza” di Roma, relativa ad un medium sintetico. Si può constatare che la modesta produzione di VFA non è dovuta all’eccessiva degradazione del COD, essendo questa nel VS25 appena pari al 6,23%, ma piuttosto è dovuta a una scarsa concentrazione di VFA in uscita. Questo è di buon auspicio nell’ottica di ottimizzare il processo migliorandone le prestazioni, poiché è possibile aumentare tale concentrazione aumentando la conversione di COD in VFA che nel VS25 è pari a solo 5,87%. Per aumentare tale valore si può agire su vari parametri, quali la temperatura e il carico organico. Si è visto che il processo di acidogenesi è favorito, per il VS, per basse temperature e alti carichi organici. Per quanto riguarda il reattore impaccato con carbone attivo la produzione di VFA è molto ridotta per tutti i valori di temperatura e carichi organici utilizzati. Si può quindi pensare a un’applicazione diversa di tale tipo di reattore, ad esempio per la produzione di metano e quindi di energia.

Water footprint e sostenibilità ambientale nell'industria agroalimentare

H20 è la formula chimica che tutti conoscono. L'acqua, infatti, non è solo la sostanza più diffusa sulla terra, ma è anche la condizione necessaria per la vita. La disponibilità e l’accessibilità di acqua pulita è essenziale per la salute delle comunità, è fondamentale per gli ecosistemi e indispensabile per la prosperità economica. La quantità di acqua dolce sulla Terra è limitata e non equamente distribuita. La scarsità idrica non è più un problema limitato alle regioni più povere del Pianeta: l’acqua è oggi un problema globale che coinvolge sempre più aree del mondo. Ed è proprio grazie al binomio importanza - scarsità che l’acqua è stata soprannominata l'oro blu del XXI secolo, secolo in cui sarà l’acqua a rendere più precari gli equilibri mondiali come, in passato, lo è stato il petrolio. Nella prima parte di questo elaborato l’acqua e i problemi ad essa connessa faranno da protagonisti. Nel capitolo 1 inquadreremo dapprima il problema idrico e parleremo della scarsità di questa importantissima risorsa e dei suoi innumerevoli utilizzi. Nel capitolo 2 presenteremo la Water Footprint o impronta idrica, un indicatore appositamente ideato per quantificare l'uso di acqua di un prodotto, un processo, un individuo, un organizzazione o una nazione. Questo indicatore apre la strada alla focalizzazione sui prodotti dell’industria agroalimentare, il comparto industriale su cui concentreremo la nostra attenzione. Nel capitolo 3 esamineremo l’utilizzo dell’acqua nelle industrie, con particolare attenzione ai temi del riciclo e riuso della risorsa idrica. Nel capitolo 4 analizzeremo alcune esperienze di aziende agroalimentari che hanno intrapreso un percorso di tutela e risparmio della risorsa idrica. Nella seconda parte dell’elaborato inquadreremo il tema della salvaguardia della risorsa idrica in un quadro più generale di tutela ambientale. Nel capitolo 5 presenteremo i temi di green economy, sostenibilità ambientale e ecologia industriale dando rilievo alla dimensione ambientale, economica e sociale. Nel capitolo 6, infine, analizzeremo gli strumenti che le aziende hanno a disposizione per calcolare, certificare e comunicare la loro politica di sostenibilità ambientale.

Water footprint e modalità di risparmio idrico nell'industria agroalimentare

Ci rendiamo conto del valore dell’acqua solamente quando scarseggia. Fino ad oggi il problema poteva sembrare limitato ai Paesi più poveri di tale risorsa, ma le cose potrebbero cambiare perché l’acqua “di qualità” – ossia dolce e non inquinata – rappresenta solo una minima percentuale delle nostre riserve. E noi ne usiamo sempre di più: sia perché aumenta la popolazione della Terra, sia perché il maggiore benessere raggiunto da molti Paesi spinge la popolazione a consumare (e sprecare) più acqua. Un consumo che va esaminato non solo in termini “reali” (calcolando le quantità che si usano per la cura personale, per la cucina o per la pulizia della casa), ma anche “virtuali” (in termini di impronta idrica), stimando cioè tutta l’acqua che è stata utilizzata lungo l’intero ciclo di vita di un qualunque prodotto o servizio acquistato. Basti pensare che se si modificasse il proprio stile alimentare, passando ad esempio a prediligere una dieta più ricca di frutta, verdura e cereali, limitando la quantità di proteine animali, sarebbe possibile ridurre anche in modo significativo i consumi di acqua “virtuale”. 
Quindi, se da un lato la domanda cresce e dall’altro le risorse si riducono, anche per colpa dell’inquinamento e del cambiamento climatico, è sicuro che il valore economico dell’acqua aumenterà e le disuguaglianze, già oggi presenti, potranno portare nuovi attriti. Per questi motivi diventa fondamentale il concetto di Water Footprint, ossia l’analisi delle quantità di acqua utilizzata all’interno di tutta la filiera che porta alla produzione di un prodotto finito. Visto il mio corso di studi in ingegneria gestionale, ho deciso di concentrarmi principalmente sul concetto di Water Footprint all’interno dell’ambito industriale, analizzando in particolare il caso di un’azienda dell’Emilia Romagna. Ho scelto questo argomento perché sono sempre stato interessato all’ambiente e alla sua salvaguardia. Trattare nella tesi tale tema mi è sembrato utile per approfondire e diffondere concetti come quelli dell’impronta idrica e dell’acqua virtuale che, pur discussi a livello internazionale ormai da anni, tardano ancora ad essere affrontati in maniera ampia in Italia, che è il terzo Paese importatore netto di acqua virtuale al mondo.

Nuovi catalizzatori per la produzione di idrogeno mediante reazioni di steam reforming e ossidazione parziale catalitica

L'idrogeno è un prodotto di grande importanza per l'industria chimica ed i processi di raffineria. Il 60% dell'intera produzione di idrogeno viene dal reforming del gas naturale. L'oxy-reforming è un processo che unisce la reazione di steam reforming a quella di ossidazione parziale e che ha dimostrato di avere molti vantaggi in termini di temperature molto più basse, minor volume di vapore alimentato con conseguente minori costi energetici e tempi di contatto sul catalizzatore. Per questo processo sono stati preparati, testati e caratterizzati catalizzatori a base di ossidi misti Ce-Zr impregnati con Rh. Particolare attenzione è stata posta all'effetto sulle prestazioni catalitiche del metodo di sintesi e della natura della fase costituente il supporto. Sperimentalmente è stato osservato che il catalizzatore il cui supporto è stato ottenuto via microemulsione ha una migliore attività rispetto al coprecipitato e che la fase ottimale corrisponde ad un rapporto Ce-Zr 0,5-0,5.

Studio di fattibilità per l'applicazione dei "positive displacement motors" in ambienti HT-HP

Questo studio concerne uno studio di fattibilità per l'applicazione dei "positive displacement motors" in ambienti ambienti fortemente critici, soggetti ad alta pressione e alta temperatura. Tali motori sono utilizzati nell'industria Oil & Gas per la perforazione di pozzi petroliferi. L’analisi è stata portata a termine attraverso definizione dell’intervallo di temperatura per cui le performance degli strumenti in commercio presenta il maggior numero di failures, compreso tra i 175°C e i 225°C , e per il quale si vuole riuscire a limitare i rischi connessi e le criticità associate, garantendo così il raggiungimento dei target con un maggior grado di affidabilità e disponibilità del PDM utilizzato. Analizzando le sollecitazioni agenti sul motore durante le fasi di utilizzo, è stato possibile rilevare le principali cause di rottura e malfunzionamento che, nella maggior parte dei casi, possono essere attribuite al rigonfiamento e alla degradazione del materiale elastomerico che costituisce lo statore della power section. Investigando in merito alle differenze e alle proprietà di resistenza di numerosi materiali elastomerici a diversi range di temperatura, sono stati evidenziati dei margini di ottimizzazione in particolare relativi alla potenziale riduzione e totale sostituzione della superficie elastomerica con materiale metallico. Ciò ha fatto si che fosse necessario un approfondimento sulle caratteristiche degli acciai e delle leghe metalliche, in termini di resistenza a corrosione, costo del materiale, resistenza meccanica e della capacità di mantenere elevate proprietà meccaniche con l’aumento della temperatura, al fine di individuare i migliori “candidati” per sostituire interamente il materiale elastomerico dello statore in materiale metallico e risolvere così il problema dell’applicazione dei PDM in ambienti HT-HP.