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.

Metodologie per la simulazione fluidodinamica di pompe gerotor

La modellazione di una pompa gerotor può essere svolta mediante l'utilizzo di modelli matematici di tipo numerico. Questo tipo di soluzione prevedere la realizzazione di un dominio fluido discretizzato. In questo lavoro l'analisi è stata effettuata mediante il software STAR-CCM+. Sono state applicate due tecniche per la discretizzazione del dominio, l'Overset ed il Morphing, applicabili in problemi di interazione tra fluido e struttura in movimento. Analizzate le due tecniche, la seconda è stata applicata nello studio del comportamento di una pompa gerotor. I risultati ottenuti hanno portato alla definizione di un secondo modello ottimizzato mediante la variazione della luce di aspirazione.

Calibrazione e validazione di modelli per la simulazione CFD di impatto a parete di spray di combustibili

Il seguente lavoro è uno studio di iniezione (strategia, timing, spray pattern) svolto con la simulazione numerica, alle quali oggi si richiede dettaglio e accuratezza. Il lavoro si concentra sullo studio di spray multi componente, tramite la scrittura di una UDF (user define function) proprietaria, valutazione sensibilità dell'impatto a parete, film boiling a parametri modellistici influenzati dal multicomponente e scrittura di un codice per l'elaborazione delle immagini sia sperimentali che numeriche per rendere più esteso il confronto tra CFD e sperimentale, per migliorare le tarature e i modelli e comprendere meglio la fenomenologia.

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.

Studio fluidodinamico della caldaia di un impianto a biomassa

Lo studio ha lo scopo di analizzare la fluidodinamica di una caldaia di un co-inceneritore presente a Widmerpool (Nottingham, UK) costruito dall'azienda "STC Power, s.r.l.". L'obiettivo è analizzare profili di velocità, temperatura, densità, calore scambiato e tempo di residenza lungo il bruciatore del suddetto impianto per valutare la possibilità di formazione gas nocivi, come le diossine, durante il processo di combustione. Per la generazione della mesh per le simulazioni fluidodinamiche si sono utilizzati due differenti software: Salome (software open source) e starCCM+ (software con licenza). In particolare sono state prodotte due mesh differenti attraverso Salome. I risultati ottenuti dalle simulazioni con le due mesh sono stati messi a confronto con i risultati prodotti dalla simulazione con la mesh di starCCM+ per provare l'utilizzabilità di software open source anche nei casi ingegneristici reali. Nello studio si discusso inizialmente degli inceneritori a biomassa in maniera generale per poi concentrarsi sulle possibili emissioni che possono essere prodotte da un impianto di questo tipo e sui sistemi di controllo della combustione e abbattimento dei fumi. Si è descritto successivamente l'impianto analizzato e le condizioni di funzionamento analizzate. Sono stati descritti inoltre il metodo di costruzione delle tre diverse meshes, il solutore utilizzato e come sono state impostate le condizioni a contorno. Infine sono stati riportati i risultati e le conclusioni che hanno riportato una temperatura adatta all'abbattimento degli NOx alla'altezza dell'SNCR, tempi di residenza medi conformi con le normative e profili di temperature e velocità corrispondenti a quelle aspettate dalla caldaia. Infine si sono analizzate le differenze tra i risultati ottenuti dalle tre simulazioni con le diverse meshes.

CFD Applications for Wave Energy Conversion Devices (MoonWEC) and Turbulent Fountains for Environmental Fluid Mechanics

This thesis is based on two studies that are related to floating wave energy conversion (WEC) devices and turbulent fountains. The ability of the open-source CFD software OpenFOAM® has been studied to simulate these phenomena. The CFD model has been compared with the physical experimental results. The first study presents a model of a WEC device, called MoonWEC, which is patented by the University of Bologna. The CFD model of the MoonWEC under the action of waves has been simulated using OpenFOAM and the results are promising. The reliability of the CFD model is confirmed by the laboratory experiments, conducted at the University of Bologna, for which a small-scale prototype of the MoonWEC was made from wood and brass. The second part of the thesis is related to the turbulent fountains which are formed when a heavier source fluid is injected upward into a lighter ambient fluid, or else a lighter source fluid is injected downward into a heavier ambient fluid. For this study, the first case is considered for laboratory experiments and the corresponding CFD model. The vertical releases of the source fluids into a quiescent, uniform ambient fluid, from a circular source, were studied with different densities in the laboratory experiments, conducted at the University of Parma. The CFD model has been set up for these experiments. Favourable results have been observed from the OpenFOAM simulations for the turbulent fountains as well, indicating that it can be a reliable tool for the simulation of such phenomena.

Intercalazione di grafene ossido in idrossidi doppi a strato per lo sviluppo di capacitori ibridi

In questo lavoro, sono state valutate le prestazioni di quattro tipi di LDH (Co/Al e Co/Fe entrambe con e senza GO nella soluzione di elettrodeposizione) per l'applicazione in stoccaggio di energia, andando a confrontare le capacità specifiche calcolate da voltammetrie cicliche e curve galvanostatiche di carica/scarica. I risultati di tali analisi hanno mostrato come l’LDH a base di Al sia più adatto all’applicazione di accumulo di energia, rispetto a quello con il Fe. Ulteriori caratterizzazioni, come l’XRD ed il SEM accoppiato con l'EDX, hanno confermato la maggior applicabilità dei LDH di Co/Al rispetto a quelli di Co/Fe, in quanto i primi presentano: una struttura più cristallina, una morfologia più uniforme ed un’intercalazione dell’ERGO migliore. Dopo la fase di scelta dell’LDH più performante ci si è dedicati alla caratterizzazione di un capacitore ibrido operante in fase liquida. Concluse le analisi, si è notato come l’ERGO porti all'aumento delle prestazioni del sistema (risultato in linea con quello riscontrato tramite lo studio degli LDH come componenti catodici singoli). Grazie allo studio delle performance a lungo termine è stato possibile verificare come l’ERGO aumenti la stabilità del sistema quando si sottopone quest’ultimo a stress protratto nel tempo. Successivamente, si è proseguito con lo studio di un capacitore ibrido operante in fase solida. Come nel caso del sistema in fase liquida, si è riscontrato un aumento di performance dovuto alla presenza di ERGO nella struttura finale degli LDH.

Analisi preliminare tramite simulazioni CFD di sistemi di combustione SACI

In questa tesi ci si occupa di presentare lo scenario motoristico attuale, le normative vigenti e la ricerca di sistemi più efficienti per poi fare un’analisi preliminare, basata su simulazioni termofluidodinamiche, di sistemi di combustione a bassa temperatura di tipo SACI, in modo da comprendere come i vari parametri influenzino la formazione della miscela in camera di combustione. In particolare vengonono usati i software OpenWAM e FIRE per studiare la fase di aspirazione e l’iniezione.

Definizione di metodi di modellazione e trattamento dati per l'ottimizzazione di modelli per motori da competizione

Trattamento dati, modellazione e calibrazione di un motore da competizione

Caratterizzazione fluidodinamica di un digestore anaerobico modello tramite tecniche di diagnostica ottica

L’aumento del consumo di energia globale e le problematiche legate all’inquinamento stanno rendendo indispensabile lo spostamento verso fonti di energia rinnovabile. La digestione anaerobica rappresenta una possibile soluzione in quanto permette di produrre biogas da biomassa organica di scarto ma, l’ottimizzazione del processo risulta difficoltosa a causa delle numerose variabili chimiche, biologiche, fisiche e geometriche correlate. Nel presente elaborato, concentrandosi sulle problematiche relative alla miscelazione interna, è stata investigata la fluidodinamica interna di un reattore modello ottenuto tramite scale-down di un digestore anaerobico industriale che presentava problemi di sedimentazione di sostanza solida sul fondo del reattore. Tramite tecniche di diagnostica ottiche, è stato studiato il movimento del fluido, prima utilizzando acqua demineralizzata e poi una soluzione di gomma di xantano come fluido di processo, al fine di studiare il campo di moto medio interno al reattore. Le tecniche utilizzate sono la Particle Image Velocimetry (PIV) e la Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF). Al fine di rendere il sistema investigato il più rappresentativo possibile del digestore industriale, è stato utilizzato come fluido di processo per alcune delle prove raccolte, una soluzione acquosa 1,0g/kg di gomma di xantano, le cui proprietà reologiche sono state investigate grazie ad un Reometro Anton Paar MCR 301.

Caratterizzazione fluidodinamica di reattori agitati meccanicamente tramite tecniche di diagnostica ottica: effetto del comportamento reologico delle fasi.

Il lavoro di tesi si è posto l'obiettivo di studiare il comportamento fluidodinamico di un reattore agitato meccanicamente, scale-down di un digestore anaerobico per la produzione di biogas, attraverso tecniche di diagnostica ottica. Le tecniche utilizzate sono state la Particle Image Velocimetry, PIV, e la Planar Laser Induced Fluorescence, PLIF. Le prove sono iniziate utilizzando acqua all’interno del reattore e sono proseguite utilizzando una soluzione di acqua e Carbometilcellulosa (CMC) a concentrazione di CMC progressivamente crescente per aumentare la viscosità apparente della soluzione non newtoniana con lo scopo di simulare il più realisticamente possibile la viscosità del contenuto reale del digestore. Tutte le diverse soluzioni sono state indagate per diverse velocità e diversi sensi di rotazione. Le prove di diagnostica ottica sono state progressivamente affiancate da prove al reometro di campioni di soluzione per il calcolo della viscosità apparente. La PIV ha fornito la misura del campo di moto di un piano, è stato scelto di analizzare un piano verticale. Il metodo di diagnostica ottica ho previsto l’utilizzo di quattro componenti: una sezione per il test otticamente trasparente contenente la soluzione inseminata con piccole particelle di tracciante (particelle di argento e vetro cavo) che seguono il flusso, una sorgente di illuminazione pulsata (laser), un dispositivo di registrazione (una telecamera digitale ad alta definizione) ed un software per la cross-correlazione delle immagini acquisite (DynamicStudio). La PLIF è stata implementata per lo studio del tempo caratteristico di miscelazione nel reattore. La strumentazione utilizzata è stata la stessa della PIV con un tracciante diverso a base di Rodhamina-6G. Lo studio ha riguardato il tempo necessario all’omogeneizzazione del tracciante mediante un’analisi del coefficiente di variazione, CoV, delle immagini acquisite.

Analisi energetica al variare dello state of charge di propulsori ibridi e plug-in operanti nel ciclo WLTP con propulsore termico a punto fisso stechiometrico

Il presente lavoro propone la stesura di un codice in ambiente MATLAB per l'analisi energetica di powertrain ibridi operanti nel ciclo WLTP con il particolare funzionamento del motore termico benzina a punto fisso stechiometrico. Nello specifico, il codice prende dei dati in input tramite un'interfaccia grafica ed avvia una simulazione, i cui risultati principali corrispondono ad emissioni di anidride carbonica per chilometro percorso ed ai chilometri percorsi con un litro di carburante. Queste sono le due grandezze che questo lavoro si prefigge di ottimizzare, dalle quali proviene la scelta del particolare funzionamento del motore termico. Sono state implementate due differenti strategie di controllo, una generale ed una più particolare. La simulazione con la strategia generale è stata applicata a tre differenti scenari reali, con le caratteristiche tecniche di tre veicoli realmente esistenti che vengono inserite nell'interfaccia grafica. I risultati provenienti da queste simulazioni sono stati poi analizzati e discussi nel dettaglio, anche con l'ausilio di grafici a supporto della spiegazione. La strategia di controllo particolare non è stata applicata a scenari reali ma ha portato alla definizione di una ipotetica architettura di powertrain ibrido, alla quale la sopracitata strategia si adatta al meglio. Dopo aver proposto miglioramenti e possibili ulteriori sviluppi di questo lavoro, sono state tratte le conclusioni generali, allargando il tutto al contesto più ampio in cui si va ad inserire.

Progetto concettuale e modellazione CAD di idrovolanti

L’idrovolante è un velivolo in grado di decollare ed ammarare su uno specchio d’acqua e che, quindi, non necessita di infrastrutture di terra come aeroporti. Questa caratteristica lo rende ideale per certe tipologie di missione e gli permette di operare in zone remote e poco accessibili ai velivoli convenzionali. Il prezzo da pagare per questa maggiore libertà di impiego sono le peggiori prestazioni di un idrovolante rispetto alle sue controparti di terra, soprattutto in termini di peso e resistenza aerodinamica. In questa tesi si analizzano i metodi per la progettazione di un idrovolante e, in particolare, dei suoi scarponi, che sono il dispositivo che gli consente di galleggiare e svolgere operazioni sull’acqua. Successivamente, si applicano queste metodologie alla progettazione degli scarponi per tre velivoli in configurazione convenzionale. Si descrive in seguito come produrre un disegno CAD di questi velivoli con e senza scarponi tramite il software Solidworks e, sempre con questo programma, come svolgere simulazioni di fluidodinamica per un calcolo indicativo del loro coefficiente di resistenza aerodinamica in condizioni di volo livellato. Si vede, poi, come effettuare una stima del peso totale al decollo di un velivolo e si calcola l’aumento percentuale di questo parametro nella trasformazione dei velivoli selezionati in idrovolanti. Infine, si confrontano i risultati ottenuti per i coefficienti di resistenza e per il peso massimo al decollo per quantificare il calo di prestazioni causato dalla presenza degli scarponi. Osservando come questo sia significativo, si conclude che l’impiego degli idrovolanti è destinato a rimanere limitato ai soli casi in cui le operazioni da specchi d’acqua non presentino altre alternative: questo a meno che non si riescano ad ideare nuove soluzioni costruttive in grado di risolvere le principali problematiche di questo tipo di velivolo.

Progetto concettuale di dirigibile per trasporto di gas

Lo scopo principale di questo elaborato di tesi è poter fornire degli strumenti per il progetto concettuale di un dirigibile non-rigido e per valutare la fattibilità del trasporto di idrogeno gassoso. L’innovazione rispetto ai dirigibili utilizzati fino ad ora risiede nell’utilizzo di idrogeno sia come fonte di energia, che come gas di sollevamento; entrambi gli utilizzi verranno approfonditi con speciale attenzione alle problematiche legate alla sicurezza, fattore che ha interrotto l’uso dell’idrogeno come gas di sollevamento dagli anni ‘30. Oltre a ciò, verrà illustrato un breve confronto tra i due gas di sollevamento più utilizzati: elio ed idrogeno. Dopo un accenno storico, l’elaborato propone una metodologia per il dimensionamento di un dirigibile non-rigido, utilizzando strumenti matematici derivanti da modelli presenti in bibliografia e da considerazioni ed esperimenti svolti dai progettisti e dai ricercatori nei campi principali coinvolti nella progettazione dei dirigibili non-rigidi: aerodinamica, aerostatica, propulsione e stima delle masse. La progettazione di un dirigibile non-rigido ad idrogeno sicuro ed affidabile è influenzata dallo sviluppo di materiali che garantiscano, in primis, resistenza e bassa permeabilità: verrà presentato uno schema di un materiale composito laminato che potrebbe garantire requisiti di sicurezza superiori ai materiali utilizzati in passato, dei quali si farà un accenno. Alla fine dell’elaborato sarà presentato un caso di studio dove verranno utilizzati gli strumenti illustrati nella prima parte della tesi, con l’obbiettivo finale di dimensionare un dirigibile non-rigido ad idrogeno. Per questo caso di studio è stato implementato un breve codice MATLAB. A conclusione di questo lavoro di tesi si può dire che la fattibilità di un dirigibile per trasporto idrogeno dipende dallo sviluppo di materiali e tecniche adeguate alla gestione dell’idrogeno che costituisce enormi problematiche a livello di sicurezza.

Applicazione di algoritmi di ottimizzazione al progetto concettuale dei velivoli dell'aviazione generale

L’obbiettivo di questo elaborato è descrivere l'implementazione, attraverso l’uso del programma di calcolo Matlab, di un metodo per ottenere una configurazione di un velivolo dell’aviazione generale che sia rispettosa delle specifiche di progetto e presenti un costo orario minimo. Il metodo utilizzato per progettare l’aeromobile preso come caso di studio è basato sui concetti della progettazione robusta. Con questo metodo di progettazione si cerca di rendere l’aereo il più insensibile possibile alle modifiche di alcuni dei parametri di progetto che possono variare in modo casuale; in particolare ci si è concentrati sul costo orario di una missione, andandone a calcolare la media e la sua deviazione standard. Considerando infine il rapporto segnale-rumore introdotto da Taguchi per la progettazione robusta, viene implementato un metodo di ottimizzazione basato su un algoritmo Particle Swarm Optimization (PSO), attraverso il quale si ottengono i valori più idonei dei parametri di progetto necessari per la realizzazione del futuro velivolo. In dettaglio, i parametri fissati in seguito all’applicazione dell’ottimizzatore sono l’allungamento alare, il carico alare e il rapporto potenza massima motori-peso. A conclusione del lavoro svolto, si può dire che l’ottimizzazione robusta può essere utile in tutti i casi in cui alcuni parametri di progetto non sono definiti in modo univoco, ma possono variare in un modo non prevedibile all’inizio della sviluppo del prodotto.