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.

Analisi di pushover 3D per strutture in c.a.

In the present study, a new pushover procedure for 3D frame structures is proposed, based on the application of a set of horizontal force and torque distributions at each floor level; in order to predict the most severe configurations of an irregular structure subjected to an earthquake, more than one pushover analysis has to be performed. The proposed method is validated by a consistent comparison of results from static pushover and dynamic simulations in terms of different response parameters, such as displacements, rotations, floor shears and floor torques. Starting from the linear analysis, the procedure is subsequently extended to the nonlinear case. The results confirm the effectiveness of the proposed procedure to predict the structural behaviour in the most severe configurations.

Simulazione numerica di fenomeni aeroelastici con applicazione alle strutture civili

Il presente lavoro tratta lo studio dei fenomeni aeroelastici di interazione fra fluido e struttura, con il fine di provare a simularli mediante l’ausilio di un codice agli elementi finiti. Nel primo capitolo sono fornite alcune nozioni di fluidodinamica, in modo da rendere chiari i passaggi teorici fondamentali che portano alle equazioni di Navier-Stokes governanti il moto dei fluidi viscosi. Inoltre è illustrato il fenomeno della formazione di vortici a valle dei corpi tozzi dovuto alla separazione dello strato limite laminare, con descrizione anche di alcuni risultati ottenuti dalle simulazioni numeriche. Nel secondo capitolo vengono presi in rassegna i principali fenomeni di interazione fra fluido e struttura, cercando di metterne in luce le fondamenta della trattazione analitica e le ipotesi sotto le quali tale trattazione è valida. Chiaramente si tratta solo di una panoramica che non entra in merito degli sviluppi della ricerca più recente ma fornisce le basi per affrontare i vari problemi di instabilità strutturale dovuti a un particolare fenomeno di interazione con il vento. Il terzo capitolo contiene una trattazione più approfondita del fenomeno di instabilità per flutter. Tra tutti i fenomeni di instabilità aeroelastica delle strutture il flutter risulta il più temibile, soprattutto per i ponti di grande luce. Per questo si è ritenuto opportuno dedicargli un capitolo, in modo da illustrare i vari procedimenti con cui si riesce a determinare analiticamente la velocità critica di flutter di un impalcato da ponte, a partire dalle funzioni sperimentali denominate derivate di flutter. Al termine del capitolo è illustrato il procedimento con cui si ricavano sperimentalmente le derivate di flutter di un impalcato da ponte. Nel quarto capitolo è presentato l’esempio di studio dell’impalcato del ponte Tsing Ma ad Hong Kong. Sono riportati i risultati analitici dei calcoli della velocità di flutter e di divergenza torsionale dell’impalcato e i risultati delle simulazioni numeriche effettuate per stimare i coefficienti aerodinamici statici e il comportamento dinamico della struttura soggetta all’azione del vento. Considerazioni e commenti sui risultati ottenuti e sui metodi di modellazione numerica adottati completano l’elaborato.

Biomechanical modelling of human knee during living activities

The knee joint is a key structure of the human locomotor system. The knowledge of how each single anatomical structure of the knee contributes to determine the physiological function of the knee, is of fundamental importance for the development of new prostheses and novel clinical, surgical, and rehabilitative procedures. In this context, a modelling approach is necessary to estimate the biomechanic function of each anatomical structure during daily living activities. The main aim of this study was to obtain a subject-specific model of the knee joint of a selected healthy subject. In particular, 3D models of the cruciate ligaments and of the tibio-femoral articular contact were proposed and developed using accurate bony geometries and kinematics reliably recorded by means of nuclear magnetic resonance and 3D video-fluoroscopy from the selected subject. Regarding the model of the cruciate ligaments, each ligament was modelled with 25 linear-elastic elements paying particular attention to the anatomical twisting of the fibres. The devised model was as subject-specific as possible. The geometrical parameters were directly estimated from the experimental measurements, whereas the only mechanical parameter of the model, the elastic modulus, had to be considered from the literature because of the invasiveness of the needed measurements. Thus, the developed model was employed for simulations of stability tests and during living activities. Physiologically meaningful results were always obtained. Nevertheless, the lack of subject-specific mechanical characterization induced to design and partially develop a novel experimental method to characterize the mechanics of the human cruciate ligaments in living healthy subjects. Moreover, using the same subject-specific data, the tibio-femoral articular interaction was modelled investigating the location of the contact point during the execution of daily motor tasks and the contact area at the full extension with and without the whole body weight of the subject. Two different approaches were implemented and their efficiency was evaluated. Thus, pros and cons of each approach were discussed in order to suggest future improvements of this methodologies. The final results of this study will contribute to produce useful methodologies for the investigation of the in-vivo function and pathology of the knee joint during the execution of daily living activities. Thus, the developed methodologies will be useful tools for the development of new prostheses, tools and procedures both in research field and in diagnostic, surgical and rehabilitative fields.

Il Mare Bianco di Mezzo. Valorizzazione dei Networks dei migranti per la circolazione delle conoscenze, delle capacità e delle trasformazioni sociali

L’elaborato svolge in 4 capitoli un percorso di analisi multidisciplinare volto a fondare teoricamente e a sviluppare operativamente la costituzione di una associazione di co-sviluppo italotunisina. Nel primo capitolo viene approfondita, sotto il profilo della teoria economica, la relazione fra emigrazione e sviluppo, prendendo in esame le recenti teorie sull’argomento e indirizzando l’interesse verso il ruolo dei network di migranti come elemento di continuità socio-economica e di interazione fra il paese di origine e il paese ospitante. Nel secondo capitolo il network viene approfondito sotto gli aspetti connessi alla sua natura di intermediario sociale, politico ed economico, soprattutto in presenza di migrazione di ritorno. Il terzo capitolo si concentra sulle associazioni degli immigrati e non solo Hometown Associations quali strumenti elaborati all’interno dei network di migranti per mettere in pratica le loro capacità di agente economico e di attore sociale nel processo di co-sviluppo dei paesi di provenienza e di destinazione. Infine, nel quarto capitolo viene descritto l’iter istituzionale previsto per la costituzione di una specifica associazione (El-Hiwar Atiir, Associazione Tunisina per l’Integrazione e l’Investimento di Ritorno) e le caratteristiche della medesima. Il lavoro di tesi, coordinato e sviluppato, pur approfondendo tematiche e modelli economici si muove anche su altri piani (sociale e istituzionale), mostrando la molteplicità delle sfaccettature del problema. Inoltre riesce a radicare in campo teorico uno strumento operativo molto interessante per la gestione economica e politica del fenomeno migratorio, mostrando come la cooperazione allo sviluppo, oltre che tema di modellazione economica e di dichiarazioni di principio nei documenti ufficiali, possa divenire processo operativo attraverso strumenti giuridici consolidati.

Studio di una copertura di grande luce a forma libera

L' argomento di questa tesi tratta l'analisi di una copertura reticolare a forma libera di grande luce. Partendo da una modellazione FEM della reticolare risolta al calcolatore si è cercato un metodo di analisi semplificato alternativo per l'individuazione approssimata delle sollecitazioni che nascono in seguito ai carichi. Ripercorrendo i passi sviluppati dal metodo americano per il calcolo dei solai a fungo, si individuano le sezioni portanti principali della forma strutturale, deducendo l'andamento del momento flettente dagli sforzi in corrispondenza dei correnti tesi e compressi. Sulle stesse sezioni sono stati costruiti dei modelli mono e bidimensionali semplificati che cercano di rappresentare, con diversa scala di precisione, l'andamento della sollecitazione flettente realmente presente nella struttura. Dall'analisi del momento flettente risultante dai modelli monodimensionali si individuano le modifiche effettuabili sulla geometria strutturale con lo scopo di migliorarne la risposta globale ed i parametri di progetto utili per il dimensionamento. Al termine si sono confrontati i risultati ottenuti dalle due strutture analizzate, ovvero con o senza le modifiche alla geometria, riportando alcuni parametri caratteristici del comportamento strutturale e traendo così conclusioni sulla soluzione migliore.

Monitoraggio e analisi di segnali ORP, pH, DO finalizzato al controllo del processo di predenitrificazione eseguito su impianto pilota a F.A.

Il lavoro sperimentale condotto nell’ambito della presente tesi è stato svolto su un impianto pilota a flusso continuo con schema predenitro/nitro in scala di laboratorio, alimentato con refluo sintetico ed installato presso i laboratori della Sezione ACS PROT IDR - Gestione Risorse Idriche dell’ENEA (sede di Bologna). Le finalità della sperimentazione erano mirate ad una verifica preliminare sull’utilizzo di segnali indiretti, quali pH, ORP, DO, nel monitoraggio in tempo reale dei processi biologici, mirata alla possibilità di implementare un sistema di controllo automatico di un impianto di depurazione, capace di minimizzare i costi di gestione e in grado di garantire, in ogni caso, elevate efficienze depurative. Nel presente studio sono stati esaminati gli aspetti metodologici e tecnologici alla base dell’automazione di un impianto di trattamento di acque reflue, avendo il duplice obiettivo di garantire una buona qualità dell’effluente e un contestuale risparmio energetico. In particolare si è studiato un problema molto diffuso: il controllo della rimozione dell’azoto in un sistema a fanghi attivi con predenitrificazione per l’ossidazione congiunta di carbonio ed azoto, ponendolo in relazione con la variazione dei tempi di commutazione in un processo SBR. L’obiettivo primario della sperimentazione effettuata è stato quello di portare il sistema in un regime di equilibrio stazionario, in modo da poter definire delle condizioni di regime per le quali, ad un ingresso costante e noto, corrispondesse un’uscita altrettanto costante che mantenesse tali condizioni fino a quando non fosse cambiato l’ingresso e/o le condizioni al contorno. A questo scopo si è provveduto, in primo luogo, allo studio di un influente sintetico con cui alimentare l’impianto, di composizione tale da simulare in tutte le sue caratteristiche un refluo civile reale e, successivamente, alla valutazione di una configurazione impiantistica idonea per il raggiungimento dell’equilibrio dei processi. La prima parte della sperimentazione è stata dedicata all’avviamento dell’impianto, effettuando un monitoraggio continuo dell’intero sistema allo scopo di impostare i parametri operativi e in modo da ottenere condizioni stabili per effettuare le successive sperimentazioni.

Progetto e realizzazione di un azionamento per macchina asincrona eptafase con misura della velocità mediante encoder.

In questa tesi si effettua lo studio di un azionamento elettrico con motore asincrono eptafase. In particolare si realizza un sistema automatico per il controllo della coppia mediante stimatori con encoder. Si ha così la possibilità di effettuare un controllo accurato della macchina asincrona eptafase anche a bassa velocità, cosa che risulterebbe più complessa se eseguita mediante controlli di tipo sensorless. Inoltre, grazie ad opportune strategie di controllo, è possibile assicurare un funzionamento accettabile degli azionamenti con motori multifase durante una condizione di guasto con una fase aperta, senza alcuna necessità di hardware aggiuntivo.

Validazione in torrenti appenninici monitorati di un modello fisicamente basato per la stima del deflusso solido sospeso

Il modello afflussi-deflussi e di erosione Kineros2, fisicamente basato, distribuito e a scala di evento, è stato applicato a due bacini idrografici montani della provincia di Bologna (Italia) al fine di testare e valutare il suo funzionamento in ambiente appenninico. Dopo la parametrizzazione dei due bacini, Kineros2 è stato calibrato e validato utilizzando dati sperimentali di portata e di concentrazione dei solidi sospesi, collezionati alla chiusura dei bacini grazie alla presenza di due stazioni di monitoraggio idrotorbidimetrico. La modellazione ha consentito di valutare la capacità del modello di riprodurre correttamente le dinamiche idrologiche osservate, nonchè di trarre conclusioni sulle sue potenzialità e limitazioni.